循環(huán)加卸載下尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)參數(shù)變化特征的試驗研究與分析

鄒尤森 楊天雨 張希

摘要：隨著開采深度的不斷提升，充填采礦法以其礦石損失貧化率低，井下作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)勢已經(jīng)獲得許多礦山企業(yè)的青睞，通過尾砂膠結(jié)充填體循環(huán)加卸載試驗，探討了彈性應(yīng)變，塑性應(yīng)變，彈性模量以及加載變形模量這些力學(xué)參數(shù)隨著循環(huán)加卸載的進行的演化特征以及充填體內(nèi)部損傷的成因，分析了充填體試件的強度與配合比之間的關(guān)系，討論了循環(huán)加卸載對充填體試件強度加強的原因，為礦山尾砂膠結(jié)充填體在井下復(fù)雜環(huán)境下的承載受力分析，強度設(shè)計，損傷預(yù)判以及井下安全施工提供理論依據(jù)。

Abstract： With the continuous improvement of mining depth， the filling mining method has been favored by many mining enterprises for its low ore loss and dilution rate， good underground working environment and other advantages. Based on the cyclic loading and unloading test of cemented tailing backfill， the evolution characteristics of mechanical parameters such as elastic strain， plastic strain， elastic modulus and loading deformation modulus with the cyclic loading and unloading and the causes of internal damage of backfill are discussed;The relationship between the strength and mix ratio of the filling body is analyzed;This paper discusses the reason why the strength of filling body specimen is strengthened by cyclic loading and unloading;It provides theoretical basis for bearing capacity analysis， strength design， damage prediction and underground safety construction of cemented tailing backfill in complex underground environment.

關(guān)鍵詞：尾砂膠結(jié)充填體;力學(xué)參數(shù);強度;損傷

Key words： tailings cemented filling body;mechanical parameters;strength;damage

中圖分類號：TD853? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0276-05

0? 引言

在環(huán)境保護日益重要的今天，充填采礦法以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，但隨著開采深度的不斷提升，地應(yīng)力也愈來愈大;隨著開采規(guī)模的增加，反復(fù)的爆破沖擊，鏟運機的來回運轉(zhuǎn)，都會使充填體處在一個反復(fù)加卸載的環(huán)境中，經(jīng)過長期的加載卸載的作用后，充填體就會失穩(wěn)破壞，給礦山安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。因此，對充填體在循環(huán)加卸載作用下力學(xué)參數(shù)變化特征的研究就變得至關(guān)重要。

在巖石領(lǐng)域，李江騰[1]研究了紅砂巖在單軸循環(huán)加卸載條件下的疲勞變形及能量演化規(guī)律;張鑫[2]研究了單軸循環(huán)荷載下巖石加卸載響應(yīng)比及聲發(fā)射b值等特征參量的變化規(guī)律;張帆[3]研究了循環(huán)加卸載條件下花崗巖高溫水冷后的滲透性;楊小彬[4]研究了循環(huán)加卸載作用下巖石界面滑移位移場演化特征;在混凝土領(lǐng)域，梁春華[5]分析了加卸載過程中混凝土耗散能及塑性應(yīng)變隨加卸載次數(shù)之間的關(guān)系;王普[6]從能量法的角度研究混凝土循環(huán)加卸載下的損傷演化特性。

在充填體領(lǐng)域，馮蕭等人[7-8]對膠結(jié)充填體試件進行單軸壓縮和逐級循環(huán)加卸載試驗，得到其損傷破壞全過程應(yīng)力—應(yīng)變曲線;通過分析各組循環(huán)過程應(yīng)變與動彈性模量變化。鄧代強[9]力學(xué)性能與水灰比灰砂比以及養(yǎng)護時間之間的關(guān)系。郭利杰[10]研究了廢-尾充填體強度與fuller級配參數(shù)之間的關(guān)系。

1? 尾砂膠結(jié)充填體循環(huán)加卸載試驗

1.1 試驗材料

本次試驗的尾砂采用大紅山銅礦立式砂倉分級尾砂，密度2.897g/cm3，堆積密實度0.506，級配指數(shù)0.501，因為是分級尾砂，已經(jīng)在立式砂倉中經(jīng)過重力沉降處理，所以，粒徑較大，加權(quán)平均粒徑為0.149mm;水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度級別32.5MPa。

1.2 試驗實施

為更好的探究充填體在不同循環(huán)加卸載條件下力學(xué)參數(shù)的變化特征，本次試驗，首先進行單調(diào)加載試驗，測得不同濃度，不同水泥添加量尾砂膠結(jié)充填體試件的單軸抗壓強度，并確定其屈服點，然后，進行循環(huán)加卸載試驗，第一級加載至其單軸抗壓強度的50%，保證第一次加載水平在屈服點以下，卸載至其單軸抗壓強度的20%，因為現(xiàn)實中充填體不可能完全不受力，因此卸載至其抗壓強度的20%而不是完全卸載，并等幅循環(huán)加卸載三次，此后，每級增加10%應(yīng)力強度，直至破壞，具體試驗加卸載方式見圖1。

2? 試驗結(jié)果與分析

2.1 單軸循環(huán)加卸載下的應(yīng)力-應(yīng)變

經(jīng)過循環(huán)加卸載試驗，得出充填體試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，塑性應(yīng)變曲線以及彈性應(yīng)變曲線，由圖3可以看出，在同一應(yīng)力水平循環(huán)加卸載時，塑性應(yīng)變逐漸減小，且減小趨勢越來越緩，這是因為，當(dāng)應(yīng)力在這個水平第一次加載時，內(nèi)部的微孔洞微裂隙會閉合，并伴有損傷的發(fā)生，所以塑性應(yīng)變較大，當(dāng)在這個應(yīng)力水平繼續(xù)循環(huán)加卸載時，并沒有新的損傷產(chǎn)生，只是會有少部分的疲勞破壞，在同一應(yīng)力水平上循環(huán)次數(shù)越多，每次新增的塑性應(yīng)變就越少，反應(yīng)在圖中就是AB段的斜率遠遠大于BC段的斜率[11]。但當(dāng)應(yīng)力水平提高一個等級時，那么就會在原來基礎(chǔ)上新增許多損傷，充填體內(nèi)部會產(chǎn)生許多新的裂隙，這些損傷都是不可逆的，反應(yīng)在圖中就是塑性應(yīng)變急劇上升，隨著應(yīng)力水平的不斷提高，塑性應(yīng)變也不斷增大[12]。

彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變不同，如圖4所示，當(dāng)應(yīng)力水平保持在同一水平時，在前幾個循環(huán)，彈性應(yīng)變基本保持持平，這是因為前幾個循環(huán)，加載強度沒有達到屈服點，從而試件內(nèi)部屬于彈性加卸載，損傷較小;而當(dāng)應(yīng)力水平達到一個新高度時，彈性應(yīng)變急劇增長，因此總體上呈現(xiàn)出“階梯型”增長的趨勢。

對比彈性應(yīng)變周次曲線和塑性應(yīng)變周次曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)，在同一個循環(huán)中，彈性應(yīng)變要遠遠大于塑性應(yīng)變，由此可見，該種尾砂膠結(jié)充填體試件有著較好的自我恢復(fù)能力。

2.2 單軸循環(huán)加卸載下的變形模量和彈性模量

彈性模量是衡量材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。彈性模量越大，表示著材料產(chǎn)生彈性變形所需要的外力就越大，反之，彈性模量越小，就代表著材料產(chǎn)生彈性變形所需要的外力就越小。從試驗可以看出充填體的應(yīng)力應(yīng)變在卸載時不會沿著加載曲線原路返回，而是與加載曲線圍城一個環(huán)形，這說明充填體是彈塑性體;因此，彈性模量就是加載曲線直線段斜率[12]，即：

式中：E（i）為每次循環(huán)的彈性模量;？滓max（i）、？滓min（i）為每次循環(huán)的最大、最小應(yīng)力;？著max（i）、？著min（i）——每次循環(huán)的最大、最小應(yīng)變;i為循環(huán)次數(shù)。

而變形模量E0所考慮的并不是單單的彈性變形，它考慮的是彈性變形以及塑性變形之和，也稱為總變形，所以變形模量為正應(yīng)力？滓與總應(yīng)變？著之比，反應(yīng)在全應(yīng)力應(yīng)變曲線中即為加載曲線的割線模量，即：

式中：E0（i）為每個循環(huán)的加載變形模量;？著e（i）為每個循環(huán)的彈性應(yīng)變;？著p（i）為每個循環(huán)的塑性應(yīng)變。

本文選取水泥添加量270kg/m3、濃度74%的尾砂膠結(jié)充填體試件為例，彈性模量計算結(jié)果見表1。

由圖5可以看出，充填體試件的彈性模量隨著循環(huán)加卸載的進行總體上呈現(xiàn)減小的趨勢，即卸載曲線的斜率隨著循環(huán)加卸載的進行而變得平緩。

變形模量計算結(jié)果見表2。

由圖6可以看出，第一個循環(huán)到第二個循環(huán)之間，充填體試件的變形模量極具增大，這是因為第一次加載加載到峰值強度的50%，從0%加載到50%，可以使充填體試件得到充分壓密，內(nèi)部裂隙閉合，抵抗變形的能力增加，而第二個循環(huán)到第三個循環(huán)是在同等應(yīng)力水平下循環(huán)加卸載，由于前一個循環(huán)已經(jīng)將充填體試件內(nèi)部進行壓密，所以在不提升應(yīng)力水平的情況下，抵抗變形的能力增幅極小，幾乎不變;但是，當(dāng)應(yīng)力水平提升一個等級時，這時，應(yīng)力水平已經(jīng)超過充填體試件的屈服點，當(dāng)應(yīng)力水平增加時，就會給充填體內(nèi)部造成不可逆的損傷，抵抗變形的能力就會大幅減弱，變形模量急劇減小;此時，再重復(fù)在同一應(yīng)力水平循環(huán)加卸載時，變形模量就幾乎保持不變。當(dāng)加載到最后一個循環(huán)時，此時試件受壓至破壞，強度完全喪失，抵抗變形的能力直線下降，變形模量降至最低，因此可以將變形模量的急劇減小作為預(yù)判充填體瀕臨失穩(wěn)破壞的依據(jù)。

2.3 彈性模量與變形模量的關(guān)系

彈性模量代表著抵抗彈性變形的能力，變形模量的意義是抵抗變形的能力，二者隨著循環(huán)周次的演化關(guān)系如圖7～圖8。

從圖7可以看出，當(dāng)循環(huán)加卸載在第一個應(yīng)力水平進行時，彈性模量與變形模量的演化趨勢相反，這是因為，第一加載達到的強度在屈服點以下，試件主要是受到彈性破壞，因此抵抗彈性變形的能力減弱，故彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢，而試件在加載初期屈服點之前是處于被壓密的過程，試件內(nèi)部微孔洞微裂隙閉合，導(dǎo)致試件抵抗總變形的能力增強，即變形模量增加。而當(dāng)應(yīng)力水平超過屈服點時，如圖8，彈性模量和變形模量隨循環(huán)周次的演化規(guī)律基本相同。

從圖9可以看出，只有在第一個應(yīng)力水平時彈性模量與變形模量的演化趨勢相反，之后二者發(fā)展趨勢基本相同，60%，70%，80%應(yīng)力水平時，二者發(fā)展趨勢基本平緩，變化不大，而從80%到100%應(yīng)力水平時，彈性模量和變形模量急劇下降，說明從80%應(yīng)力水平開始，試件力學(xué)性能大幅降低，開始發(fā)生失穩(wěn)破壞，二者總體的演化趨勢均是突然上升/或下降→平緩期→極具下降期，可將充填體彈性模量和變形模量同時驟降作為充填體失穩(wěn)破壞的前兆。

2.4 單軸循環(huán)加卸載條件下尾砂膠結(jié)充填體的強度

單調(diào)加載和循環(huán)加卸載條件下，水泥添加量270kg/m3，重量濃度72～76%的強度計算結(jié)果見表3。

由圖10可以看出，質(zhì)量濃度增加，充填體試件的峰值強度也隨之增大，這是因為料漿的濃度增加，由于水泥添加量不變，濃度增加即為單位體積內(nèi)尾砂量增加，顆粒之間的孔隙減小，空隙中的水也減少，降低了水泥顆粒隨多余水分泌出的量，使料漿的粘稠度增大，充填體強度增加[13]。

試驗結(jié)果表明，水泥量減少，充填體峰值強度也隨之減小（如圖11所示），這是由于水泥量的增加，導(dǎo)致充填漿體里面的水泥的水化反應(yīng)更加劇烈，會產(chǎn)生更多的水化晶體包裹在各個顆粒表面，填充更多的顆粒間隙，使各顆粒之間連接的更加牢固，使充填體試件強度增加。

從圖10和圖11可以看出充填體在不同的加載方式下，其強度也不同，這是因為，分級尾砂膠結(jié)充填體試件在初始條件下內(nèi)部是存在著許多為孔隙，為裂隙，初期的循環(huán)加卸載會使這些微孔洞微裂隙閉合，使充填體試件更加致密，因此，初期的循環(huán)加卸載提高了尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性質(zhì)。

3? 結(jié)論

①分級尾砂膠結(jié)充填體的彈性模量隨著循環(huán)加卸載的進行逐漸降低，抵抗彈性變形的能力越來越弱，儲存的彈性變性能越來越多，彈性應(yīng)變能是導(dǎo)致試件破壞的根本原因。②分級尾砂膠結(jié)充填體初期的加卸載可以提高充填體整體的力學(xué)性能，當(dāng)臨近破壞時，由于充填體內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)損傷破壞，變形量急劇增大，加載變形模量驟減。③分級尾砂膠結(jié)充填體強度試驗表明：尾砂膠結(jié)充填體試件重量濃度越大其峰值強度就越大，反之重量濃度越小其峰值強度就越小;充填體的峰值強度也隨著水泥添加量增大而增大，當(dāng)單位體積水泥添加量減少時;其峰值強度也隨之減小;且單調(diào)加載下的峰值強度要小于循環(huán)加卸載下的峰值強度。

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