不同加載速率下充填體力學特性研究

楊清波

不同加載速率下充填體力學特性研究

楊清波

(平江縣國土資源局，湖南 岳陽市 414000)

地下礦山中的充填體往往會受到不同加載速率的載荷作用，因此研究不同加載速率下充填體的力學特性對礦山的安全生產具有重要意義。以湖南某鉛鋅礦的膠結充填體為對象，進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗，研究了其相應的力學特性。結果表明：總體而言，加載速率越大，充填體的抗壓強度也越大;加載速率存在一個臨界值，當超過該臨界值時，隨著加載速率的增大，充填體的抗壓強度反而減小;灰砂比越大，充填體強度受加載速率的影響越大。

加載速率;充填體;鉛鋅礦;力學特性

0 引 言

隨著開采深度和開采難度的不斷加大，充填采礦法在我國地下礦山中的應用越來越廣泛。在充填采礦法的設計和實施過程中，要滿足生產安全和經濟可行的要求，確定合理的充填體類型和強度是其中的關鍵因素。

在礦山生產過程中，充填體會受到地應力、爆破作用以及滲流作用等不同載荷的影響，因此，眾多學者對不同受力條件下充填體的力學特性開展了研究。例如，楊偉等[1]以現場試驗的方式研究了爆破荷載下全尾砂膠結充填體的破壞規律；馮蕭等[2]通過室內實驗研究了不同應力路徑下塊石膠結充填體的破壞特性和能量耗散規律；熊睿[3]通過室內實驗研究了不同溫度條件下膠結充填體強度及變形特性；鄒南榮等[4]針對某深部銅礦的高階段充填方法和具體條件，開展了充填體強度設計，并計算了充填體的穩定性；亓中華等[5]根據臥虎山鐵礦采用的預控頂上向分段落礦嗣后充填采礦法的實際情況，通過反演和數值模擬計算了采場充填體的強度要求范圍。這些研究成果在礦山實際生產中得到了廣泛應用，但對加載速率的影響考慮不足[6]。因此，以湖南省某鉛鋅礦的膠結充填體為對象，研究其在不同加載速率作用下的力學特性，以便為更合理地選擇充填體材料和強度提供基礎資料。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

本次試驗對象為湖南某鉛鋅礦實際使用的高濃度全尾砂膠結充填體。經測試，該礦全尾砂平均密度為2.78 g/cm3，平均粒徑為94.6 μm，不均勻系數為9.545，孔隙率為46.01%，其礦物成分以CaO、 MgO、SiO2和Al2O3為主，含有少部分的不具回收價值的Cu、Zn和Pb等。

從礦山的實際情況來看，膠凝材料為P.C 32.5級普通硅酸鹽水泥，使用1:4和1:8兩種灰砂比的充填體，充填砂漿濃度為74%。因此，本次試驗也按照灰砂比1:4和1:8制作試樣。

根據相關規范[7]，按照70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的標準制作了試樣，部分試樣可如圖1所示。

圖1 制作的部分試樣

1.2 試驗過程

本次試驗以單軸壓縮實驗為主，試驗設備為INSTRON 1342型電液伺服控制材料試驗機，試樣加載過程如圖2所示。試驗按照下述步驟進行：

（1）制作標準試樣，拆模后在養護箱中養護28 d；

（2）對試驗機檢查標定，采用常規靜態方法（加載速率0.2 mm/min）進行試樣的壓縮實驗；

（3）按照0.5，1.0，1.5，2.0 mm/min的加載速率進行單軸壓縮實驗；

圖2 試樣加載過程

（4）整理實驗數據，分析不同加載速率下充填體的力學特性。

2 不同加載速率下充填體力學特性

2.1 靜態加載應力?應變曲線

圖3所示為靜態加載條件（0.2 mm/min）下充填體的全應力?應變曲線。由圖3可知：

圖3 靜態加載（0.2 mm/min）時的應力?應變曲線

（1）充填體的全應力?應變曲線與普通巖石的類似，總體上可分為壓密段、彈性段、屈服段和破裂后階段，但破裂后階段明顯比巖石的要長，說明其脆性不如巖石明顯；

（2）灰砂比為1:4的充填體的抗壓強度大于灰砂比1:8的充填體，前者約為4.3 MPa，后者約為1.95 MPa，這與通常情況下灰砂比越大，充填體強度越高的規律相符；

（3）灰砂比越小，其彈性模量越小，這與其抗壓強度的規律基本一致。

2.2 不同加載速率下的應力?應變曲線

圖4所示為不同加載速率下充填體的全應力?應變曲線，其中圖4（a）為灰砂比1:4的充填體，圖4（b）為灰砂比1:8的充填體。

由圖4可知：

（1）總體來說，加載速率越大，充填體的峰值強度也越大，這與巖石力學特性的應變率效應較為類似。其原因是：當加載率較低時，充填體內部裂隙有時間充分發育，因此，只需要較低的載荷就可讓其發生破壞；當加載率較大時，相應的加載時間便會減少，充填體的變形不夠充分，其內部裂隙的發育也受到抑制，宏觀上就會表現出強度增加的現象。

圖4 不同加載速率下充填體的應力?應變曲線

（2）灰砂比1:8的充填體強度的增加值不如灰砂比1:4的充填體明顯。其原因是：灰砂比越低，充填體內部裂隙擴展越容易，需要的時間也越短，加載速率對裂隙擴展的抑制不明顯，宏觀上表現為強度增加較慢的現象。

（3）另外一個值得注意的現象是，加載速率越大，全應力-應變曲線的破壞后階段部分越長，灰砂比1:4和1:8的充填體都是如此。這表明，隨著加載速率的增加，充填體的脆性呈下降趨勢。

2.3 不同加載速率下的抗壓強度變化規律

為了進一步分析充填體強度隨加載速率的變化規律，將圖4 中不同加載速率下充填體的應力?應變曲線對應的峰值強度提取出來，繪制成如圖5所示的充填體抗壓強度隨加載速率的變化曲線。

由圖5可知，充填體的抗壓強度隨著加載速率的增加而增大，但達到一個臨界值后，抗壓強度又會隨著加載速率的增加而減小。甘德清等[6]將該值成為“臨界加載速率”，并認為是充填體的一種特有現象。根據圖5的曲線，可知灰砂比1:4的充填體的“臨界加載速率”約為1.5 mm/min，而灰砂比1:8的充填體的“臨界加載速率”0~1.5 m/min之間。

圖5 充填體抗壓強度隨加載速率的變化曲線

式中，C表示充填體的單軸抗壓強度；表示加載速率。

3 結 論

（1）總體來看，加載速率對充填體的強度存在顯著影響：在“臨界加載速率”之前，充填體的強度隨著加載速率的增加而增大；在“臨界加載速率”之后，充填體的強度隨著加載速率的增大而 減小。

（2）不同灰砂比的充填體受加載速率的影響不同。灰砂比越小，受影響程度也越小，且其全應力?應變曲線的破壞后階段也越長。

（3）加載速率主要是通過與充填體內部裂隙擴展速率的關系來影響充填體的強度特性的，較大的加載速率會限制充填體內部裂隙的充分擴展。

[1] 楊 偉,李國平,李夕兵,等.爆破荷載下全尾砂膠結充填體破壞規律及防治措施[J].礦業研究與開發,2018,38(3):113-118.

[2] 馮 蕭,曹世榮,卓毓龍,等.不同應力路徑下塊石膠結充填體破壞試驗研究[J].礦業研究與開發,2016,36(7):43-46.

[3] 熊 睿.高溫對膠結充填體強度及變形特性的影響[J].采礦技術, 2015,15(6):18-21.

[4] 鄒南榮,尚振華,秦忠虎.深部銅礦高階段充填體強度設計及穩定性計算[J].采礦技術,2017,17(6):30-33+34.

[5] 亓中華,張紀偉,胡建華,等.臥虎山礦充填體強度參數的反演計算與數值模擬[J].礦業研究與開發,2018,38(11):26-30.

[6] 甘德清,韓 亮,劉志義,等.加載速率對充填體強度特性影響的試驗研究[J].金屬礦山,2016(12):150-153.

[7] JGJ/T70—2009.建筑砂漿基本性能試驗方法標準[S].

(2019-02-15)