高溫對膠結充填體強度及變形特性的影響

熊 睿

(江西銅業集團東同礦業有限責任公司， 江西撫州市 331812)

高溫對膠結充填體強度及變形特性的影響

熊 睿

(江西銅業集團東同礦業有限責任公司， 江西撫州市 331812)

為了研究高溫對充填體強度及變形特性的影響，在實時高溫和高溫冷卻后2種情況下分別對膠結充填體進行單軸壓縮實驗。實驗發現:高溫作用下，充填體的溫度應變、熱膨脹系數與溫度存在增長函數關系，高溫作用冷卻后，充填體溫度應變隨溫度升高而增加，在200℃達到峰值，隨后又降低；實時高溫作用下，充填體的抗壓強度從25℃時的4.2 MPa降低至300℃時的2.3 MPa，彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa；高溫作用冷卻后巖樣的抗壓強度從25℃時的4.2 MPa降低至300℃時的2.1 MPa，彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.10 GPa。

高溫；膠結充填體；力學性質；變形

0 引 言

隨著礦山開采深度的增大，井下溫度也會越來越大。充填采礦是未來采礦的發展方向，研究高溫對膠結充填體強度及變形特性的影響具有重要的工程意義。目前，關于溫度對充填體強度及變形特性的影響研究還很少，文獻[1～8]對溫度作用下巖石力學行為進行了研究。本文采用會寶嶺鐵礦全尾砂膠結充填試樣作為實驗樣品研究溫度的影響，其料漿濃度為75%，水泥用量為9.5%，養護時間為90 d。

1 試驗概況

1.1 充填體制備

本試驗采用直徑50mm、高100mm的圓柱形試模，在試模內進行充填漿料的澆注，養護72 h后進行試件脫模，每做完一組編上組號與日期，并送恒溫、恒濕養護室繼續養護。充填體平均單軸抗壓強度為4.2 MPa。

1.2 充填體單軸壓縮試驗步驟

試驗采用中國科學院武漢巖石力學研究所研制的RMT－150C巖石力學試驗系統，充填體經實時高溫作用的單軸壓縮試驗分成12組實驗，每組3塊試樣，共有36塊充填體，每組分別由室溫(冬天)以2℃/s的速率分別升高到25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，175℃，200℃，225℃，250℃，275℃，300℃，為了確保充填體內外受熱均勻，保持目標溫度20min再進行單軸壓縮實驗。實驗采用位移控制，加載速率設定為0.0015mm/s。

充填體經高溫作用冷卻后的單軸壓縮試驗共分為12組實驗，每3個為一組，共有36塊充填體。每組以2℃/s速率分別由常溫(冬天)升溫至25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，175℃，200℃，225℃，250℃，275℃，300℃，加熱后保持目標溫度20min，讓其自然冷卻至常溫狀態，再進行單軸壓縮實驗，實驗采用位移控制，加載速率設定為0.0015mm/s。

2 充填體變形隨溫度變化規律

2.1 實時高溫作用對充填體的溫度應變和熱膨脹系數影響

實時高溫作用下充填體的溫度應變、熱膨脹系數隨時間變化的關系分別如圖1和圖2所示，從圖中可以發現，隨著溫度的升高，充填體的變形也隨著改變，而且變形速度較快。25℃～300℃，充填體的溫度應變近似成正比例增長，熱膨脹系數成指數函數增長，25℃～200℃之間增長緩慢，200℃～300℃之間快速增長。通過對試驗數據進行曲線擬合，得到實時高溫作用下膠結充填體的溫度應變隨溫度變化的表達式:

Ε(t)＝8.23458×10－8＋8.0303×10－6t(相關系數R2＝0.97132)；

充填體的熱膨脹系數隨溫度變化的表達式:

Y(t)＝5.14426×10－7×exp(－t/－153.93105)＋4.28815×10－6(相關系數R2＝0.97447)。

圖1 實時高溫作用下充填體的溫度應變

2.2 高溫作用冷卻后對充填體的溫度應變和熱膨脹系數影響

實時高溫作用冷卻后充填體的溫度應變、熱膨脹系數隨時間變化的關系分別如圖3和圖4所示，從圖中可以發現，25℃～200℃之間，溫度應變和熱膨脹系數隨著溫度的升高而增加，在200℃時出現峰值，隨后降低。而且溫度應變和熱膨脹系數為負值，這是因為當升溫產生的應變小于降溫產生的應變的時候，就會出現負的應變，熱膨脹系數也會出現負值。通過對數據的多項擬合，得到膠結充填體溫度應變隨變化的表達式:

Ε(t)＝－0.14＋0.14×exp(－0.5×((t－200)/ 67.2)2)(相關系數R2＝0.86926)；

熱膨脹系數隨溫度變化的表達式:

Y(t)＝－0.0014/(1＋(t/115)3)(相關系數R2＝0.82466)。

3 充填體力學性能隨溫度變化規律

3.1 實時高溫作用對充填體的抗壓強度和彈性模量的影響

根據實時高溫作用下充填體單軸壓縮實驗所得的充填體抗壓強度平均值和彈性模量平均值如表1所示。

圖3 高溫作用冷卻后充填體的溫度應變

圖4 高溫作用冷卻后充填體的熱膨脹系數

表1 實時高溫作用下充填體的抗壓強度及彈性模量

根據表1中的數據，繪制實時高溫作用下充填體的抗壓強度及彈性模量隨溫度的變化曲線，如圖5和圖6所示。

由表1、圖5和圖6可見，經過實時高溫作用，充填體的抗壓強度及彈性模量隨溫度升高呈線型規律衰減。充填體的抗壓強度從25℃時的4.2 MPa降低至300℃時的2.3 MPa，降幅為45.24%。彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa，降幅為40%。對試驗數據進行曲線擬合，抗壓強度隨溫度變化表達式:

σc(t)＝4.51061－0.00724t(相關系數R2＝0.98709)；

彈性模量隨溫度變化的表達式:

E(t)＝0.26576－3.63636×10－4t (相關系數R2＝0.97735)。

圖5 實時高溫作用下充填體的抗壓強度

圖6 高溫作用冷卻后充填體的彈性模量

3.2 高溫作用冷卻后對充填體的抗壓強度和彈性模量的影響

根據實時高溫作用冷卻后充填體單軸壓縮實驗所得充填體的抗壓強度平均值和彈性模量平均值如表2所示。

根據表2的數據，繪制高溫作用冷卻后充填體的抗壓強度及彈性模量隨溫度的變化曲線，如圖7和圖8所示。

表2 實時高溫作用冷卻后充填體的抗壓強度及彈性模量

由表2、圖7和圖8可見，經過實時高溫作用冷卻后，充填體的抗壓強度及彈性模量隨溫度升高呈線型規律衰減。充填體的抗壓強度從25℃時的4.2 MPa降低至300℃時的2.1 MPa，降幅為50%。彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.1 GPa，降幅為60%。對試驗數據進行曲線擬合，抗壓強度隨溫度變化表達式:

σc(t)＝4.48485－0.00796t(相關系數R2＝0.99439)；

彈性模量隨溫度變化的表達式:

E(t)＝0.26306－5.77622×10－4t(相關系數R2＝0.98268)。

圖7 高溫作用冷卻后充填體的抗壓強度

4 結 論

實時高溫作用下，充填體溫度應變、熱膨脹系數隨溫度的升高而增加；高溫作用冷卻后充填體的溫度應變、熱膨脹系數隨溫度先增加后降低。隨著井下溫度的逐漸升高，可以推測充填體會隨著溫度的變化發生緩慢的變形。

圖8 高溫作用冷卻后充填體的彈性模量

實時高溫作用下及高溫冷卻后，充填體力學性質快速連續衰減，充填體的抗壓強度和彈性模量近似線型規律衰減。隨著井下溫度的緩慢升高，充填體的抗壓強度、彈性模量會逐漸降低。

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2015-06-04)