圍巖與早期強(qiáng)度階段充填體耦合作用的模擬試驗(yàn)研究

王 明 旭

(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.惠州市國(guó)土資源局，廣東 惠州，516003)

在礦山開(kāi)采中，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填能夠有效提高采場(chǎng)的安全穩(wěn)定性，目前較多礦山選用尾砂膠結(jié)充填法，其充填體強(qiáng)度一般為2～4 MPa。充填體的強(qiáng)度依據(jù)硬化時(shí)間分為前期、中期和后期，其中前期和中期時(shí)間較短，也就是本文所探討的早期強(qiáng)度范疇。剛泵送至井下采場(chǎng)的充填體呈流體狀，沒(méi)有自穩(wěn)能力，早期強(qiáng)度較低(加入早凝劑的除外)。為了進(jìn)行連續(xù)的礦山安全作業(yè)，尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度必須能夠快速增長(zhǎng)，如何提高充填體早期強(qiáng)度的研究成果較多。例如，王健等[1]通過(guò)多種激發(fā)劑的激發(fā)活化作用，使膠結(jié)體的早期強(qiáng)度在4 h內(nèi)達(dá)到0.3 MPa以上；林枝祥等[2]研究表明，三山島金礦的鹽鹵水可以提高尾砂膠結(jié)試塊和水泥凈漿試塊的早期強(qiáng)度；孫文標(biāo)等[3]認(rèn)為以凝石作膠凝材料的充填體強(qiáng)度高于以普通水泥作膠凝材料的充填體強(qiáng)度。由于不同礦山尾砂的力學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況的復(fù)雜性，尾砂膠結(jié)充填體的早期強(qiáng)度不足問(wèn)題未能完全解決，而充填之后形成的圍巖與充填體的相互作用機(jī)理仍然是一個(gè)研究難點(diǎn)。

石蠟作為膠結(jié)劑在相似材料模擬中應(yīng)用較多。例如，林海飛等[4]運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)配制以河砂為骨料、石蠟為膠結(jié)劑、液壓油為調(diào)節(jié)劑的相似材料；鄧曉謙[5]在進(jìn)行巷道變形特征及失穩(wěn)危險(xiǎn)判別研究時(shí)采用石蠟和砂的混合物作為圍巖相似材料；李樹(shù)忱、李術(shù)才等[6-7]用砂和滑石粉作為骨料、石蠟作為膠結(jié)劑，并配以適量調(diào)節(jié)劑混合而成一種新型固流耦合相似材料；李樹(shù)剛等[8-10]分析了以低熔度優(yōu)質(zhì)石蠟和油作為膠結(jié)劑對(duì)固氣耦合相似材料特性的影響；陳紅江等[11]采用固體石蠟和液體石蠟混合物作膠凝劑配制相似材料；張杰[12]研制出以石蠟為膠凝劑的流固相似模擬實(shí)驗(yàn)材料。這些研究成果驗(yàn)證了石蠟作為相似材料膠結(jié)劑的有效性，同時(shí)也為采用石蠟作為充填體模擬材料提供了研究方向。

本文選用全精煉的工業(yè)石蠟作為充填體模擬材料，同時(shí)也將其作為膠結(jié)劑，與礦山尾砂組成尾砂石蠟充填體模擬材料，運(yùn)用損傷力學(xué)理論，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試并借助超聲波檢測(cè)儀、聲發(fā)射信號(hào)分析儀、裂紋擴(kuò)展顯微成像設(shè)備等，對(duì)處于早期強(qiáng)度階段的充填體與圍巖的耦合作用機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 相似模擬試驗(yàn)

1.1 模擬材料

為了模擬早期強(qiáng)度階段充填體與圍巖的相互作用，運(yùn)用相似原理進(jìn)行相關(guān)材料的選擇及配比試驗(yàn)。礦山充填現(xiàn)場(chǎng)使用水泥、尾砂質(zhì)量比為1∶10的充填材料，在接頂區(qū)域充填體的相應(yīng)配比為1∶8。為便于比較研究，對(duì)水泥、尾砂配比為1∶10(濃度為68%)的早齡期(1～9 d)充填體試樣進(jìn)行軸向加載試驗(yàn)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同齡期充填體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.1Stress-straincurvesoffillingbodieswithdifferentages

從圖1可以看出，隨著齡期的增大，試樣強(qiáng)度總體上逐漸增大，但變化趨勢(shì)并不穩(wěn)定。試樣的抗壓強(qiáng)度按齡期的排序出現(xiàn)跳躍變化，表明此配比試樣的穩(wěn)定性不佳；同時(shí)，這些試樣在加載破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性變化特性，加載破壞后具有一定的殘余應(yīng)力。

本研究選用兩種充填體模擬材料：一種是全精煉的工業(yè)石蠟，另一種是以石蠟為膠結(jié)劑的尾砂石蠟拌合材料。通過(guò)軸向加載試驗(yàn)得到這兩種模擬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。結(jié)合圖1和圖2可知，兩種充填體模擬材料在加載破壞之前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化，與礦山所用充填體早齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化基本一致，即三者具有相似的力學(xué)特征。

(a)純石蠟

(b)尾砂石蠟

Fig.2Stress-straincurvesofsimilarmaterialsoffillingbody

考慮對(duì)礦山圍巖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣并切割、鉆孔、掏槽的難度較大，故試驗(yàn)中的圍巖根據(jù)相似原理采用P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥和礦粉進(jìn)行配比。對(duì)水泥、礦粉的質(zhì)量比為1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10的大量配比試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，最后確定配比圍巖采用水泥、礦粉質(zhì)量比為1∶5。現(xiàn)場(chǎng)礦巖和配比圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，礦巖在加載初期出現(xiàn)了幾次較小的應(yīng)變調(diào)整階段，而配比圍巖的應(yīng)變調(diào)整次數(shù)顯然高于礦巖，這是由于制樣的壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)方式和時(shí)間等因素不同而導(dǎo)致配比試樣存在一定范圍的不可控性，但兩者應(yīng)力-應(yīng)變曲線的整體變化趨勢(shì)相似。

(a)礦巖

(b)配比圍巖

Fig.3Stress-straincurvesoftheactualandsimilarsurroundingrocks

模擬試驗(yàn)應(yīng)滿足的相似判據(jù)如下：

(1)

式中：Cσ為應(yīng)力相似常數(shù)；Cι為幾何相似常數(shù)；Cγ為容重相似常數(shù)。本研究以現(xiàn)場(chǎng)充填體與圍巖接觸帶區(qū)域?yàn)閰⒄眨囼?yàn)中模擬試樣與原試樣幾何尺寸相同，即幾何相似常數(shù)為1，則相似判據(jù)中的應(yīng)力相似常數(shù)與容重相似常數(shù)之比應(yīng)為1，為此，模擬材料與礦山現(xiàn)場(chǎng)充填體和圍巖所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和容重比要近似相等。配比圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度為12.865 MPa、容重為26.49 kN/m3；礦山實(shí)際礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度為20.016～118.5 MPa(取樣礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度為20.016 MPa)、容重為41.2 kN/m3。配比圍巖的應(yīng)力與容重之比為0.4856，而礦巖的應(yīng)力與容重之比為0.4858，其相應(yīng)比值近似為1，滿足相似原理。純石蠟的單軸抗壓強(qiáng)度為0.724 MPa、容重為0.927 kN/m3；充填現(xiàn)場(chǎng)所用膠結(jié)充填體容重為2.018 kN/m3，其前期強(qiáng)度在0.8 MPa以內(nèi)(見(jiàn)圖1)，中后期的單軸抗壓強(qiáng)度為1.560～4.615 MPa，總體平均為1.560 MPa。石蠟?zāi)M體的應(yīng)力與容重之比為0.7810，而現(xiàn)場(chǎng)膠結(jié)充填體的應(yīng)力與容重之比為0.7730，其相應(yīng)比值近似為1，滿足相似原理。

1.2 試樣制備

試樣結(jié)構(gòu)如圖4所示，在100 mm×100 mm×100 mm的內(nèi)空盒子正中區(qū)域預(yù)留45 mm×45 mm×100 mm的空間，其中預(yù)留空間內(nèi)為充填體模擬材料，立方體其余空間內(nèi)為配比圍巖模擬材料。試樣制備時(shí)，首先將預(yù)留空間用聚乙烯泡沫塑料填充，然后澆筑配比圍巖，待圍巖養(yǎng)護(hù)7 d 后抽出泡沫塑料，再澆筑充填體模擬材料。整個(gè)試樣養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行相應(yīng)的加載試驗(yàn)。

圖4 試樣結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)置三種試驗(yàn)工況：工況一(1#試樣)，預(yù)留區(qū)域使用純石蠟充填；工況二(2#試樣)，預(yù)留區(qū)域使用尾砂石蠟拌合材料充填；工況三(3#試樣)，將預(yù)留區(qū)域平分為上下兩層，上層采用純石蠟充填，下層采用尾砂石蠟拌合材料充填。

試樣養(yǎng)護(hù)完成后，使用WAW-300型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向加載。為了更好地研究圍巖和充填體相互作用引起的試樣表壁裂紋擴(kuò)展情況，特別是微小裂紋的變化，加載前將復(fù)合體試樣在熔化的石蠟中浸泡，使其表壁形成一層完整性較好的石蠟薄層。在加載過(guò)程中，除觀察試樣表壁的裂紋擴(kuò)展外，也通過(guò)石蠟薄層的裂紋變化情況來(lái)表征試樣表壁的微小裂紋。加載破壞后，通過(guò)微觀成像設(shè)備和掃描儀等對(duì)復(fù)合體試樣表壁裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行描摹，具體做法是：將與試樣表壁面積相同的PET透明塑料薄片覆蓋試樣表壁，進(jìn)行裂紋線描畫(huà)，然后掃描成電子圖片，再通過(guò)圖像處理軟件形成裂紋分布圖。

同時(shí)，為了進(jìn)一步表征復(fù)合體試樣的內(nèi)部破壞情況，在加載過(guò)程中，采用武漢中巖科技股份有限公司生產(chǎn)的RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測(cè)儀進(jìn)行超聲波監(jiān)測(cè)，并借助DS2系列全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀監(jiān)測(cè)試樣的聲發(fā)射點(diǎn)分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂紋演化

三種試驗(yàn)工況下，試樣加載破壞后的表壁裂紋線如圖5所示。

從圖5(a) 可以看出，對(duì)于充填體為純石蠟的1#試樣，其表壁裂紋沿著配比圍巖和石蠟充填體接觸面延伸，而且存在一個(gè)內(nèi)部連通的裂紋擴(kuò)展面，從背立面經(jīng)過(guò)底面一直貫通到正立面，并且與上表面連接。由于試樣右邊部分發(fā)生了較大的裂紋擴(kuò)展，致使其左邊部分裂紋較少，尤其是在左立面上沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。這種裂紋擴(kuò)展情況表明，在加載過(guò)程中貫通裂紋的產(chǎn)生釋放了部分應(yīng)力，對(duì)試樣左邊的配比圍巖起到了保護(hù)作用。

從圖5(b)可以看出，充填體為尾砂石蠟的2#試樣左立面和背立面的表壁破壞較為嚴(yán)重。通過(guò)掃描儀將這兩個(gè)面掃描成二值圖(見(jiàn)圖5(b)的左下角和右上角)，這樣除了可以表觀展現(xiàn)裂紋擴(kuò)展情況，還可更全面地了解試樣臨空面脫落破壞的深淺以及裂紋線附近的破壞特點(diǎn)。試樣正立面的裂紋較少，主要是在試樣底部有一個(gè)近1.6 cm的短裂紋，而該面其它區(qū)域并沒(méi)有裂紋。通過(guò)對(duì)試樣表壁石蠟層進(jìn)行觀察可知，雖然試樣正立面可見(jiàn)裂紋較少，但其表壁石蠟層中的微裂紋較多，如圖6所示。圖7為2#試樣內(nèi)部裂紋線，可以看出在加載過(guò)程中，裂紋破壞從內(nèi)部到表壁主要在圍巖和充填體接觸面處發(fā)生。

從圖5(c) 可以看出，對(duì)于上半部分用石蠟填充、下半部分用尾砂石蠟填充的3#試樣，其表壁裂紋擴(kuò)展主要發(fā)生在正立面和右立面，其它面的裂紋線較少，而且這些裂紋主要集中在試樣的上半部分。從數(shù)量上看，復(fù)合體表壁上部區(qū)域的裂紋數(shù)達(dá)17條，下部區(qū)域只有6條，前者是后者的2.8倍。這是因?yàn)椋炤^尾砂石蠟的抗壓強(qiáng)度低，充填體與圍巖共同承載時(shí)，充填體承載能力越弱，其變形能力就較強(qiáng)，通過(guò)變形調(diào)節(jié)，致使上部荷載主要由圍巖承擔(dān)，最終導(dǎo)致圍巖破壞，相應(yīng)上半?yún)^(qū)域裂紋也更豐富和復(fù)雜。

(a)1#試樣 (b)2#試樣 (c)3#試樣

圖5試樣加載破壞后的表壁裂紋線

Fig.5Cracklinesonthesurfacesofthedamagedsamples

圖6 2#試樣正立面表壁石蠟層中的微裂紋

Fig.6MicrocracklinesintheparaffinlayeronthefrontsurfaceofSample2#

圖7 2#試樣的內(nèi)部裂紋線

2.2 聲速值變化

為了研究比較的方便，選取1#試樣進(jìn)行超聲波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。在1#試樣的表壁對(duì)稱面選擇4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖8)進(jìn)行加載過(guò)程中的超聲波測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

Fig.9Variationsofacousticvelocityatthemonitoringpointswiththeload

從圖9可以看出，在加載過(guò)程中，J1和J3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超聲波聲速值總體呈減小趨勢(shì)，變化較為穩(wěn)定，不過(guò)J1處的聲速變化幅度相對(duì)更大，其從未加載時(shí)的2.128 km/s變化到加載破壞時(shí)的1.282 km/s，減幅達(dá)39.8%，而J3處的聲速?gòu)奈醇虞d時(shí)的2.222 km/s變化到加載破壞時(shí)的2.083 km/s，減幅為6.3%。相較于監(jiān)測(cè)點(diǎn)J3這一側(cè)，試樣在J1監(jiān)測(cè)點(diǎn)這一側(cè)的破壞更嚴(yán)重(見(jiàn)圖5(a))，正好有效印證了其聲速值的大幅降低。對(duì)于穿過(guò)石蠟充填體的J2和J4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其聲速變化起伏較大。J4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲速值在加載破壞時(shí)降幅很大，從荷載為20 kN時(shí)的1.667 km/s下降到試樣破壞時(shí)的0.826 km/s，而J2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲速值變化趨勢(shì)則完全相反，從20 kN時(shí)的0.901 km/s升高到試樣破壞時(shí)的1.693 km/s。試樣破壞時(shí)上部區(qū)域裂紋破壞點(diǎn)較多，下部區(qū)域裂紋破壞點(diǎn)較少，這與J2和J4監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)的聲速值變化規(guī)律是相符的。聲波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，復(fù)合體試樣在加載過(guò)程中，圍巖內(nèi)的超聲波有較穩(wěn)定的變化規(guī)律，在破壞之前，聲速值在2.2 km/s左右，而當(dāng)超聲波穿過(guò)充填體時(shí)，由于石蠟?zāi)M的充填體與配比圍巖相互作用而不斷產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，致使聲速值變化起伏較大。

2.3 聲發(fā)射特征

仍以1#試樣為對(duì)象進(jìn)行加載過(guò)程中的聲發(fā)射特征分析，其聲發(fā)射點(diǎn)分布如圖10所示，可以看出，在加載過(guò)程中聲發(fā)射點(diǎn)主要分布在充填體與圍巖接觸帶區(qū)域。

圖10 1#試樣的聲發(fā)射點(diǎn)分布

在復(fù)合體試樣加載過(guò)程中，聲發(fā)射儀不斷監(jiān)測(cè)到振鈴計(jì)數(shù)的產(chǎn)生，推測(cè)試樣內(nèi)部損傷程度與振鈴計(jì)數(shù)存在一定聯(lián)系。為此引入損傷變量D，定義為

(2)

式中：S為各時(shí)間點(diǎn)的振鈴計(jì)數(shù)累積數(shù)；Sm為振鈴計(jì)數(shù)總數(shù)。

(3)

式中：F為荷載；Fm為試樣的最大抗壓荷載。

圖11 1#試樣加載過(guò)程中的D -ψ關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)對(duì)于全精煉的工業(yè)石蠟和以石蠟為膠結(jié)劑的尾砂石蠟拌合料這兩種充填體模擬材料，其在加載破壞之前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與礦山所用充填體早齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相似的線性變化規(guī)律，三者力學(xué)特征接近，故用石蠟和尾砂石蠟?zāi)M處于早期強(qiáng)度階段的膠結(jié)充填體是合理和可行的。

(2)復(fù)合體試樣的損傷破壞從內(nèi)部向臨空面延伸過(guò)程中，裂紋主要沿著圍巖與充填體接觸面擴(kuò)展。充填體承載能力較弱時(shí)，其變形能力較強(qiáng)，荷載主要由圍巖承擔(dān)，最終導(dǎo)致圍巖破壞，相應(yīng)區(qū)域的裂紋也更為豐富和復(fù)雜。

(3)加載過(guò)程中，復(fù)合體試樣內(nèi)的超聲波聲速值衰減幅度與圍巖和充填體的內(nèi)部損傷破壞情況是相吻合的，衰減幅度越大的區(qū)域，其破壞越嚴(yán)重。試樣加載過(guò)程中的聲發(fā)射點(diǎn)分布情況進(jìn)一步驗(yàn)證了損傷破壞主要在充填體與圍巖接觸帶區(qū)域發(fā)生，這與裂紋擴(kuò)展情況相對(duì)應(yīng)。