循環(huán)沖擊下充填體的力學特性及損傷演化規(guī)律*

崔久云,張云鵬,2,孫文誠

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院,河北 唐山市 063210;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室,河北 唐山市 063210;3.承德廣興礦業(yè)有限責任公司,河北 承德市 067103)

0 引言

在礦山二步回采過程中,巖石爆破應力波傳播對充填體產(chǎn)生爆破擾動影響。因此,研究充填體在循環(huán)沖擊作用下的力學性能及其損傷演化對于礦山的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

到目前為止,許多學者對充填體靜力學特性進行了大量研究。曹帥等[1]驗證了充填次數(shù)對充填體強度的影響。宋衛(wèi)東等[2]分析了礦柱-充填體耦合體的承壓和破壞過程,證明了充填體對巖柱有支護作用。周平鋒等[3]探究養(yǎng)護溫度對尾砂膠結充填體抗壓強度及破壞特征的影響。王永巖等[4]分析出延長養(yǎng)護時間有效減弱了分層結構對充填體強度的弱化效應。

充填體靜力學的研究為其動力學研究奠定了基礎,學者們對動態(tài)荷載下充填體的力學特性等進行了研究。侯永強等[5]通過對充填體進行不同應變率下的SHPB試驗,研究了充填體的動態(tài)力學性能及能量演化過程。楊偉等[6]研究了動載下高濃度全尾砂膠結充填體的力學性能,對試件的動靜荷載下的力學性質(zhì)進行比較。黃欣成等[7]對爆炸應力波對不同配比濃度的全尾砂充填體的破壞進行了分析。LIU B 等[8]采用SHPB 試驗對充填體進行沖擊試驗,采用高速攝像儀還原了試件沖擊破壞的整個過程,揭示了充填體試件的破壞機理。陶子豪[9]探究了動載下不同強度的充填體動力學特征。甘肅等[10]對充填體進行爆破擾動模擬試驗,研究了頻繁爆破擾動對充填體早期力學性能的影響。劉冰[11]分析了巖石充填體耦合的動力學響應,定性化描述動荷載下充填體損傷程度。宮鳳強、李夕兵等[12-13]利用SHPB試驗加模擬的方式對砂巖在一維動靜組合下的動態(tài)力學特性及破壞狀態(tài)進行了研究。李娜等[14]通過力學試驗和數(shù)值模擬分析了中深孔爆破動力載荷作用對充填體安全穩(wěn)定性的影響。

本文利用分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)對充填體試件進行單次沖擊試驗,確定充填體發(fā)生破壞時的最大沖擊速度;對充填體試件進行循環(huán)沖擊試驗,研究充填體在受到循環(huán)擾動后的損傷變化。

1 試件制備及力學參數(shù)測定

1.1 充填體試件制備

試件所用材料包括尾砂、水泥、水,其中尾砂選自河北某礦,對該尾砂進行激光粒度檢測,其粒徑分布如圖1所示。尾砂的礦物成分組成見表1,該尾砂不含有害成分,不會對環(huán)境和充填體的性能產(chǎn)生不利影響。使用P·C 42.5硅酸鹽水泥做膠凝材料,所用水為實驗室普通用水。以礦山實際生產(chǎn)為依據(jù),制備灰砂比1∶4,質(zhì)量濃度為72%的充填體試樣。將尾砂、水泥、水按照比例量取稱重,放入攪拌機內(nèi)充分攪拌,將攪拌充分的料漿倒入直徑50 mm、高25 mm 的亞克力模具中,養(yǎng)護24 h后脫模,將試樣放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28 d,養(yǎng)護完成后將充填體試樣兩端打磨平整。

表1 尾砂礦物成分%

圖1 尾砂粒徑分布曲線

1.2 充填體的基本參數(shù)

選取9塊形態(tài)結構完整的充填體試件,稱量試件質(zhì)量,計算試件密度。聲波速度可以表征巖石內(nèi)部原始裂隙及破碎程度,試驗選用超聲測速儀測定充填體試件的聲波速度,得到充填體試件的平均波速為2696 m/s。將充填體基本物理力學參數(shù)進行整理,見表2。

表2 巖體物理力學參數(shù)

2 SHPB試驗開展

試驗所用儀器為華北理工大學巖石力學實驗室分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)。對充填體進行單次單軸沖擊試驗,試驗設置不同的沖擊速度代替礦山爆破產(chǎn)生的擾動,確定充填體發(fā)生破壞時的最大沖擊速度。對充填體試件進行循環(huán)沖擊試驗,在每次沖擊后,利用超聲測速儀對充填體進行波速測試,進而研究充填體在受到多次擾動后的損傷變化。

2.1 單次沖擊試驗

本次試驗設置了2～6 m/s的沖擊速度,得到充填體的失穩(wěn)范圍,試驗結果見表3、圖2。

表3 充填體試件循環(huán)沖擊試驗結果

圖2 不同沖擊速度下試件應力應變曲線

根據(jù)試驗分析可知,充填體的動態(tài)抗壓強度隨著平均應變率的增大而增大,隨著平均應變率的不斷增大,充填體峰值應力呈減小趨勢。從圖2可以看出,充填體試件在達到峰值應力后迅速卸載,應力-應變曲線呈直線下降趨勢,充填體表現(xiàn)出脆性材料的變形特征。

從圖3可以看出,當平均應變率小于46 s－1時,試件受到?jīng)_擊荷載后,依舊保持完整形態(tài);當平均應變率增加至大約50 s－1時,肉眼可觀察到充填體試件表面有細小裂紋出現(xiàn);隨著應變率的進一步增大,試件出現(xiàn)貫穿裂紋,其寬度也明顯增大,但試件整體結構完整;當平均應變率增加至70 s－1左右時,試件整體失穩(wěn)破碎。

圖3 充填體不同平均應變率下單軸單次沖擊破壞形態(tài)

2.2 循環(huán)沖擊試驗

從單次沖擊試驗結果可以看出:在沖擊速度低于4 m/s的時候,充填體結構保持宏觀穩(wěn)定,因此,為使充填體不會在一次沖擊作用下就發(fā)生失穩(wěn)破壞,進而能夠研究在循環(huán)擾動下充填體的力學特征及其損傷變化,本次循環(huán)沖擊試驗,選取沖擊速度為3～4 m/s。

2.2.1 循環(huán)沖擊荷載下充填體的應力-應變

圖4為循環(huán)沖擊荷載下試件的應力-應變曲線,從圖4可以看出:隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體的強度整體呈現(xiàn)下降趨勢;第1次沖擊充填體彈性模量小于第2、第3、第4次沖擊后的彈性模量;隨著沖擊次數(shù)的增加,曲線斜率不再發(fā)生變化,彈性模量保持不變。

圖4 循環(huán)沖擊荷載下試件的應力-應變曲線

第1次沖擊,試件變形主要為彈性變形階段,曲線走勢與單次單軸沖擊充填體的曲線基本相同,變形過程一樣。循環(huán)沖擊后的充填體曲線形狀與第1次沖擊后的曲線有明顯的差異,說明充填體變形過程與第1次沖擊的變形過程不同。分析可知,循環(huán)沖擊作用下的充填體變形破壞過程主要經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、屈服階段、裂紋貫通和破壞階段。

2.2.2 充填體峰值應力和損傷變量的變化規(guī)律

對材料在荷載影響下的內(nèi)部損傷演化過程進行分析,可以利用超聲波速法來反映循環(huán)沖擊過程中試件內(nèi)部的損傷變化。聲波速度常用來判斷巖石內(nèi)部原始裂隙及其損傷發(fā)展情況,波速與損傷變量的關系為[15]:

式中,D為損傷變量;V0、Vn分別為材料初始狀態(tài)的波速、循環(huán)沖擊n次后的波速。

在循環(huán)沖擊過程中利用超聲測速儀對每次沖擊后的充填體試件進行聲波測試,利用式(1)計算得到損傷變量,定義未沖擊前的試件損傷變量為0。循環(huán)沖擊試驗結果見表3,將表3數(shù)據(jù)進行整理,可獲得動態(tài)峰值應力和損傷變量與沖擊次數(shù)的關系曲線,如圖5所示。

圖5 充填體SHPB 沖擊次數(shù)與動態(tài)峰值應力和損傷變量的關系

由圖5可知,隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體動態(tài)峰值應力逐漸減小,損傷變量整體呈增大趨勢。充填體的動態(tài)峰值應力由7.04 MPa 下降到2.96 MPa,各次沖擊后的損傷變量分別為0.29,0.52,0.49。分析可知,隨著沖擊次數(shù)的增加,試件內(nèi)部裂紋不斷發(fā)育擴展,波速降低,損傷逐漸增大。第4次沖擊后充填體主體結構破壞嚴重,無法使用超聲測速儀測定聲波速度,故無法用波速來定義損傷。

2.2.3 循環(huán)沖擊充填體試件破壞特征

圖6為循環(huán)沖擊充填體的破壞過程,第1次沖擊后,充填體整體結構未發(fā)生變化,表面未產(chǎn)生裂紋;第2次沖擊后,充填體主體結構穩(wěn)定,表面產(chǎn)生肉眼可見的裂紋且邊緣部分發(fā)生破碎;第3次沖擊后,試件邊緣破碎增加,表面裂紋增多;第4次沖擊后,試件主體結構失穩(wěn),失去承載能力。

圖6 充填體SHPB單軸循環(huán)沖擊試件破壞過程

3 結論

(1)單次沖擊作用下,當沖擊速度低于4 m/s時,充填體整體結構完整,因此,為使充填體不會在一次沖擊作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞,循環(huán)沖擊試驗選取沖擊速度范圍為3～4 m/s。

(2)循環(huán)沖擊過程中,充填體試件彈性模量基本不變。第2、第3、第4次沖擊充填體變形破壞過程基本保持一致,試件變形主要經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、屈服階段、裂紋貫通和破壞階段。

(3)循環(huán)沖擊過程中,隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體的強度隨之減小,損傷整體呈增大趨勢。