全尾砂膠結(jié)充填體分層特性試驗(yàn)研究

程愛平 董福松 戴順意 舒鵬飛 付子祥

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

在分段或階段嗣后充填采空區(qū)中，由于全尾砂膠結(jié)充填體顆粒粒徑的分布不均勻，在充填后出現(xiàn)顆粒的分層沉降以及離析現(xiàn)象，該現(xiàn)象在混合骨料充填進(jìn)入采場(chǎng)后較為常見［1-4］。因此全尾砂膠結(jié)充填體的分層特性研究對(duì)于礦山充填生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體的研究集中在充填體的強(qiáng)度與變形特性。吳再海等［5］利用單軸壓力機(jī)，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了低溫環(huán)境下不同NaCl含量的充填體力學(xué)特性隨時(shí)間的演化特征；Wang L等［6］研究了在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響；周科平等［7］采用離心試驗(yàn)產(chǎn)生的滲透壓力，通過開展單軸壓縮試驗(yàn)，研究了滲透力對(duì)充填體力學(xué)特性的影響以及隨滲透壓力變化的變形特性規(guī)律；譚玉葉等［8］利用SFPB對(duì)多組膠結(jié)充填體試樣進(jìn)行了單次沖擊以及多次循環(huán)沖擊下的單軸壓縮試驗(yàn)，探討了充填體在不產(chǎn)生較大宏觀破壞下的多次循環(huán)沖擊的應(yīng)力應(yīng)變、動(dòng)載強(qiáng)度及變形破壞特征。

以上學(xué)者主要考慮加載條件對(duì)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度與變形的影響，但仍缺乏對(duì)于膠結(jié)充填體內(nèi)部特性的研究。程愛平等［9-10］進(jìn)行了單軸壓縮下膠結(jié)充填體的聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了膠結(jié)充填體應(yīng)變率與聲發(fā)射特征的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合統(tǒng)計(jì)損傷理論，從宏細(xì)觀角度對(duì)膠結(jié)充填體空隙非線性變形特征及軟化特性更好地進(jìn)行了表征；王永定等［11］通過獲得不同細(xì)度的渣粉，進(jìn)行粒度和微觀分析后研究其細(xì)度對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響；付自國(guó)等［12］基于超細(xì)料漿微觀結(jié)構(gòu)，研究了充填料漿配合比設(shè)計(jì)與充填體強(qiáng)度間的關(guān)系。上述學(xué)者的研究主要考慮了充填體試樣細(xì)觀特征，但對(duì)充填工藝的研究不足。

在充填工藝方面，由于顆粒粒徑不同，在充填進(jìn)入采場(chǎng)后，學(xué)者們對(duì)充填體充填進(jìn)入采場(chǎng)后產(chǎn)生的分層現(xiàn)象也有一定的研究。張?jiān)坪５龋?3］在沖擊加載試驗(yàn)中利用了分離式Hopkinson桿系統(tǒng)，得到了凍災(zāi)作用下的分層充填體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及其變化破壞規(guī)律；曹帥等［14-15］以某礦山尾砂為原料制作了不同濃度、不同填充次數(shù)的膠結(jié)充填體，研究了單軸壓縮下其力學(xué)特性與破壞模式，探討了其力學(xué)特性與充填次數(shù)之間的關(guān)系；陳國(guó)瑞等［16］采用不同配比的尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行分層充填，探討了不同灰砂比的分層充填體破壞時(shí)端部效應(yīng)機(jī)理；汪杰等［17］針對(duì)水平分層充填體，研究了其力學(xué)特性與損傷演化規(guī)律；宋衛(wèi)東等［18］采用不同填充次數(shù)的分層膠結(jié)充填體，探討了充填體的能耗機(jī)制、損傷特性與分層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。上述學(xué)者的研究主要集中在膠結(jié)充填體的多次充填而導(dǎo)致的分層，而對(duì)于一次充填產(chǎn)生的分層研究較少。

基于此，本研究以程潮鐵礦所取尾砂及相關(guān)資料為試驗(yàn)基礎(chǔ)，采用一次充填分別制作灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的全尾砂膠結(jié)充填體試樣，進(jìn)行單軸壓縮膠結(jié)充填體超聲波波速監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲取膠結(jié)充填體試樣破壞荷載及超聲波波速，探討不同灰砂比的充填體試樣超聲波波速變化特征，結(jié)合顆粒粒級(jí)特征，揭示全尾砂膠結(jié)充填體分層機(jī)理。

1 膠結(jié)充填體分層特性試驗(yàn)

1.1 尾砂獲取

膠結(jié)充填體分層特性試驗(yàn)所用尾砂均取自程潮鐵礦尾礦庫(kù)，尾砂的選取采用以尾礦庫(kù)尾礦流出口向庫(kù)內(nèi)中心的延伸線為軸線，沿途每隔一定距離共選取6個(gè)點(diǎn)，并從所選點(diǎn)獲取試驗(yàn)所需全尾砂（見圖1）的方法。其顆粒粒徑組成如圖2所示。

1.2 試樣制作及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)上述的尾砂選取方式，選取尾砂，并將所選尾砂混合均勻后用作本次試驗(yàn)制樣尾砂；采用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，試驗(yàn)用水為取自試驗(yàn)室內(nèi)自來水。試驗(yàn)?zāi)＞叩倪x取根據(jù)ISRM標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)正方體L（長(zhǎng)）×W（寬）×H（高）=100 mm×100 mm×100 mm的試樣模具。將漿料濃度控制在68%，分別制作灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的全尾砂膠結(jié)充填體，靜置24 h脫模后放入YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)濕度控制在96%以上，溫度控制在20±5℃左右。

1.3 試驗(yàn)加載設(shè)備

本次單軸壓縮試驗(yàn)加載設(shè)備采用WAW-300微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，建立超聲波波速測(cè)試系統(tǒng)（見圖3），采用超聲波金屬監(jiān)測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)全過程試樣的超聲波波速變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)；電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)能進(jìn)行破壞力學(xué)試驗(yàn)全過程，并在試驗(yàn)過程中同步記錄應(yīng)力、荷載、位移和時(shí)間，并繪制出相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變、位移—時(shí)間、荷載—時(shí)間曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及其曲線的繪制為進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了便利。試驗(yàn)中采用0.05 kN/s的速度進(jìn)行加載，并在試樣端部涂抹凡士林作為耦合劑以減少試樣與試驗(yàn)機(jī)接觸位置產(chǎn)生的端部相應(yīng)。

在單軸加載試驗(yàn)開始前及試驗(yàn)全過程中，按照?qǐng)D4所示上層—中層—下層測(cè)點(diǎn)布置方式對(duì)相應(yīng)荷載水平條件下的超聲波波速進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄；在試驗(yàn)開始前加測(cè)貫穿上層—中層—下層3層的超聲波波速并記錄。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體的基本物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)后，得出其基本物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果（含各測(cè)點(diǎn)初始超聲波波速）如表1所示。

2 膠結(jié)充填體超聲波波速分層特性

2.1 初始波速變化特征

根據(jù)表1中初始超聲波波速測(cè)試結(jié)果，繪制全尾砂膠結(jié)充填體初始超聲波波速散點(diǎn)圖見圖5。

根據(jù)圖5中全尾砂膠結(jié)充填體初始超聲波波速散點(diǎn)圖分析可以得出以下結(jié)論：

（1）全尾砂膠結(jié)充填體試樣超聲波波速的變化明顯與測(cè)點(diǎn)位置相關(guān)，充填體試樣的超聲波波速整體變化規(guī)律相同，且規(guī)律性顯著。

（2）全尾砂膠結(jié)充填體試樣上層測(cè)點(diǎn)超聲波波速明顯較大，下層測(cè)點(diǎn)波速較小，而中層初始波速介于兩者之間。

（3）貫穿試樣上層—中層—下層測(cè)點(diǎn)的超聲波波速明顯低于上層測(cè)點(diǎn)超聲波波速，大部分位于上層與下層測(cè)點(diǎn)所測(cè)超聲波波速之間。

（4）針對(duì)不同灰砂比的全尾砂膠結(jié)充填體的初始超聲波波速變化較大，伴隨著灰砂比的增大，超聲波波速明顯增大。

2.2 不同分層測(cè)點(diǎn)波速變化特征

在單軸壓縮試驗(yàn)全過程中采用超聲波金屬探測(cè)儀對(duì)試樣的上、中、下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的超聲波波速進(jìn)行了間斷性監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)所得試驗(yàn)結(jié)果和不同灰砂比選取典型波速變化并繪制荷載—超聲波波速—時(shí)間曲線，如圖6所示。根據(jù)圖6所示結(jié)果分析可得如下結(jié)論。

同一灰砂比下不同分層測(cè)點(diǎn)波速變化規(guī)律：

（1）超聲波波速的上層—中層—下層的變化趨勢(shì)從整體上與初始超聲波波速的上層—中層—下層變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為上層測(cè)點(diǎn)波速變化較大，下層測(cè)點(diǎn)波速變化較小，中層測(cè)點(diǎn)波速介于上層—下層2層超聲波波速變化之間。

（2）全尾砂膠結(jié)充填體試樣破壞前（即峰前階段）：充填體試樣在達(dá)到應(yīng)力峰值前，隨著荷載的增加，充填體試樣內(nèi)部裂紋、裂隙衍生，導(dǎo)致充填體內(nèi)部密實(shí)程度降低，超聲波波速呈現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)；在單軸壓縮試驗(yàn)過程中，全尾砂膠結(jié)充填體試樣的超聲波波速變化受荷載影響較大，經(jīng)歷孔隙壓密—彈性變形—塑性變形等階段，其超聲波波速變化規(guī)律整體上為下降趨勢(shì)，但由于在此過程中孔隙、裂隙的壓密與衍生，致使當(dāng)時(shí)所測(cè)得的超聲波波速變大或變小。

（3）全尾砂膠結(jié)充填體試樣破壞后（即峰后階段）：充填體試樣達(dá)到應(yīng)力峰值后隨著荷載的減小，由于試樣出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，超聲波波速的變化仍呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；在峰后階段，試樣的超聲波波速均有一定的上升，而后再次下降的趨勢(shì)，是由于在試樣破壞后，試樣未發(fā)生整體性破壞，而由于荷載的增加導(dǎo)致試樣內(nèi)部接觸變得緊密，隨荷載的增大，試樣發(fā)生整體性破壞，超聲波波速下降。

不同灰砂比下不同分層測(cè)點(diǎn)波速變化規(guī)律：

（1）根據(jù)上述分析可知，全尾砂膠結(jié)充填體超聲波波速變化規(guī)律明顯表現(xiàn)為：v（上）＞v（中）＞v（下）。

（2）相同分層測(cè)點(diǎn)上充填體試樣的超聲波波速變化有明顯的規(guī)律，對(duì)于同一分層不同灰砂比的膠結(jié)充填體試樣而言，超聲波波速隨灰砂比的減小呈下降趨勢(shì)，整體上表現(xiàn)為v（1∶4）＞v（1∶6）＞v（1∶8）＞v（1∶10）。

（3）上層、中層、下層3個(gè)分層中，灰砂比為1∶4的全尾砂膠結(jié)充填體在單軸壓縮試驗(yàn)中超聲波波速顯著較大，灰砂比為1∶8和1∶10的超聲波波速差距較小，而上層波速試驗(yàn)前期相差較大是由于1∶10試樣在壓縮過程中內(nèi)部的孔隙裂隙發(fā)育程度較低。

3 討論

3.1 顆粒粒級(jí)與分層波速

全尾砂膠結(jié)充填體是由選礦尾砂、水以及凝結(jié)劑等膠結(jié)而形成的一種多相復(fù)合材料。在充填體中尾砂顆粒粒徑的大小對(duì)充填體的力學(xué)性能起著重要作用。根據(jù)上述對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體單軸壓縮試驗(yàn)中上層—中層—下層3個(gè)測(cè)點(diǎn)的超聲波波速進(jìn)行了間斷性監(jiān)測(cè)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，結(jié)合圖2中對(duì)所選取的全尾砂顆粒粒徑的組成分析可知：

（1）全尾砂膠結(jié)充填體在充填過程中由于顆粒的粒徑大小不同，在充填后顆粒在重力作用下自然沉降，從而造成顆粒的分層現(xiàn)象，顆粒的沉降分層主要分為上層—中層—下層3層。

（2）上層顆粒粒徑較小，自然沉降分層后位于充填體試樣上層，該層由于細(xì)觀小顆粒的堆積更為緊密，顆粒排列均勻，在宏觀上表現(xiàn)為超聲波波速較快。

（3）下層顆粒粒徑較大，自然沉降堆積后處于充填體試樣下層，該層由于顆粒粒徑較大，從細(xì)觀角度上其顆粒堆積較為稀疏，在宏觀上表現(xiàn)為超聲波波速較小。

（4）中層顆粒粒徑較上層較粗，較下層較細(xì)，位于上層與下層中間位置，該層從細(xì)觀角度分析，其內(nèi)部顆粒粒徑整體上的顆粒堆積緊密介于上層與下層之間，顆粒排列不均勻，在宏觀上表現(xiàn)為超聲波波速的大小介于上層與下層之間。

（5）在試樣加載過程中，全尾砂膠結(jié)充填體內(nèi)部顆粒在荷載作用下因受壓而導(dǎo)致充填體內(nèi)部衍生出大量的孔隙、裂隙，從而致使充填體的整體性降低，內(nèi)部密實(shí)程度變差，直到試樣產(chǎn)生最終破壞，試樣的超聲波波速在整個(gè)過程中，隨著充填體試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的衍生和演化而呈現(xiàn)出規(guī)律性地變化。

3.2 抗壓強(qiáng)度與分層波速

全尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度是一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)，能夠快速、準(zhǔn)確、有效地確定充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，對(duì)于采場(chǎng)的穩(wěn)定性及其安全具有重要的意義［19-20］。根據(jù)文獻(xiàn)［21］關(guān)于膠結(jié)充填體強(qiáng)度預(yù)測(cè)中引入的強(qiáng)度預(yù)測(cè)指標(biāo)（式中，vP為初始超聲波波速，ρ為試樣密度）對(duì)本試驗(yàn)所測(cè)初始波速進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)作者構(gòu)建的膠結(jié)充填體強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型（如式（1））對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，并根據(jù)對(duì)上層、中層、下層以及貫穿初始超聲波波速的相關(guān)性進(jìn)行分析。

式中，a、b均為無量綱待定系數(shù)；c為與膠結(jié)充填體性能相關(guān)的初始強(qiáng)度；σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)式（1）得到：

式中，F(xiàn)為破壞荷載。

將本次試驗(yàn)結(jié)果代入式（2），根據(jù)初始所測(cè)貫通、上層、中層、下層的超聲波波速，進(jìn)行擬合并得出結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：由上層初始超聲波波速擬合得到的相關(guān)性系數(shù)最高，為0.81，其余位置擬合得到的相關(guān)性系數(shù)均小于0.80，尤以根據(jù)中層初始超聲波波速擬合得到的相關(guān)性系數(shù)最小，其中根據(jù)貫穿與下層所測(cè)初始超聲波波速擬合得到的相關(guān)性系數(shù)相差不大，分別為0.71、0.69；根據(jù)本文中對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體分層特性的探討，說明在全尾砂膠結(jié)充填體中，分層現(xiàn)象對(duì)充填體的強(qiáng)度影響較大，且密實(shí)程度越好、顆粒排列越均勻，越能更好地對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行表征。

4 結(jié) 論

本研究以程潮鐵礦所采尾砂及相關(guān)基礎(chǔ)資料為試驗(yàn)基礎(chǔ)，分別制作灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的全尾砂膠結(jié)充填體試樣，進(jìn)行單軸壓縮膠結(jié)充填體超聲波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲取膠結(jié)充填體試樣破壞荷載及超聲波波速，從宏觀角度探討了不同灰砂比的充填體試樣超聲波波速分層變化特征，從顆粒粒級(jí)特征分布角度分析了全尾砂膠結(jié)充填體的分層特性的形成原因。該研究得到如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)不同灰砂比、不同分層測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，得出超聲波波速變化規(guī)律為：①v（上）＞v（中）＞v（下），②v（1∶4）＞v（1∶6）＞v（1∶8）＞v（1∶10）。

（2）結(jié)合顆粒粒級(jí)分布特征，表明全尾砂膠結(jié)充填體的分層變化特性是由于充填體試樣內(nèi)部顆粒間的排列方式及緊密程度而導(dǎo)致。

（3）全尾砂膠結(jié)充填體分層現(xiàn)象對(duì)充填體的強(qiáng)度影響較大，顆粒密實(shí)程度越好、顆粒排列越均勻，越能更好地對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行表征，研究成果可為充填體強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供參考。