全尾砂膠結充填體分層特性試驗研究

程愛平 董福松 戴順意 舒鵬飛 付子祥

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

0 引言

在分段或階段嗣后充填采空區中，由于全尾砂膠結充填體顆粒粒徑的分布不均勻，在充填后出現顆粒的分層沉降以及離析現象，該現象在混合骨料充填進入采場后較為常見［1-4］。因此全尾砂膠結充填體的分層特性研究對于礦山充填生產實踐具有重要的指導作用。

國內外學者對全尾砂膠結充填體的研究集中在充填體的強度與變形特性。吳再海等［5］利用單軸壓力機，通過室內試驗分析了低溫環境下不同NaCl含量的充填體力學特性隨時間的演化特征；Wang L等［6］研究了在不同養護時間對膠結充填體強度的影響；周科平等［7］采用離心試驗產生的滲透壓力，通過開展單軸壓縮試驗，研究了滲透力對充填體力學特性的影響以及隨滲透壓力變化的變形特性規律；譚玉葉等［8］利用SFPB對多組膠結充填體試樣進行了單次沖擊以及多次循環沖擊下的單軸壓縮試驗，探討了充填體在不產生較大宏觀破壞下的多次循環沖擊的應力應變、動載強度及變形破壞特征。

以上學者主要考慮加載條件對膠結充填體的強度與變形的影響，但仍缺乏對于膠結充填體內部特性的研究。程愛平等［9-10］進行了單軸壓縮下膠結充填體的聲發射試驗，研究了膠結充填體應變率與聲發射特征的響應規律，結合統計損傷理論，從宏細觀角度對膠結充填體空隙非線性變形特征及軟化特性更好地進行了表征；王永定等［11］通過獲得不同細度的渣粉，進行粒度和微觀分析后研究其細度對膠結充填體強度的影響；付自國等［12］基于超細料漿微觀結構，研究了充填料漿配合比設計與充填體強度間的關系。上述學者的研究主要考慮了充填體試樣細觀特征，但對充填工藝的研究不足。

在充填工藝方面，由于顆粒粒徑不同，在充填進入采場后，學者們對充填體充填進入采場后產生的分層現象也有一定的研究。張云海等［13］在沖擊加載試驗中利用了分離式Hopkinson桿系統，得到了凍災作用下的分層充填體的動態力學特性及其變化破壞規律；曹帥等［14-15］以某礦山尾砂為原料制作了不同濃度、不同填充次數的膠結充填體，研究了單軸壓縮下其力學特性與破壞模式，探討了其力學特性與充填次數之間的關系；陳國瑞等［16］采用不同配比的尾砂膠結充填體進行分層充填，探討了不同灰砂比的分層充填體破壞時端部效應機理；汪杰等［17］針對水平分層充填體，研究了其力學特性與損傷演化規律；宋衛東等［18］采用不同填充次數的分層膠結充填體，探討了充填體的能耗機制、損傷特性與分層結構之間的關系。上述學者的研究主要集中在膠結充填體的多次充填而導致的分層，而對于一次充填產生的分層研究較少。

基于此，本研究以程潮鐵礦所取尾砂及相關資料為試驗基礎，采用一次充填分別制作灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的全尾砂膠結充填體試樣，進行單軸壓縮膠結充填體超聲波波速監測試驗，獲取膠結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，結合顆粒粒級特征，揭示全尾砂膠結充填體分層機理。

1 膠結充填體分層特性試驗

1.1 尾砂獲取

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

1.2 試樣制作及養護

根據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制樣尾砂；采用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠結材料，試驗用水為取自試驗室內自來水。試驗模具的選取根據ISRM標準，采用標準正方體L（長）×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的全尾砂膠結充填體，靜置24 h脫模后放入YH-40B型標準恒溫養護箱養護28 d，養護濕度控制在96%以上，溫度控制在20±5℃左右。

1.3 試驗加載設備

本次單軸壓縮試驗加載設備采用WAW-300微機電液伺服萬能試驗機，建立超聲波波速測試系統（見圖3），采用超聲波金屬監測儀對試驗全過程試樣的超聲波波速變化進行監測；電液伺服萬能試驗機能進行破壞力學試驗全過程，并在試驗過程中同步記錄應力、荷載、位移和時間，并繪制出相對應的應力—應變、位移—時間、荷載—時間曲線，實時監測及其曲線的繪制為進一步對試驗數據分析提供了便利。試驗中采用0.05 kN/s的速度進行加載，并在試樣端部涂抹凡士林作為耦合劑以減少試樣與試驗機接觸位置產生的端部相應。

在單軸加載試驗開始前及試驗全過程中，按照圖4所示上層—中層—下層測點布置方式對相應荷載水平條件下的超聲波波速進行監測并記錄；在試驗開始前加測貫穿上層—中層—下層3層的超聲波波速并記錄。

1.4 試驗結果

對全尾砂膠結充填體的基本物理參數進行測量，在對全尾砂膠結充填體進行室內單軸壓縮試驗后，得出其基本物理力學參數結果（含各測點初始超聲波波速）如表1所示。

2 膠結充填體超聲波波速分層特性

2.1 初始波速變化特征

根據表1中初始超聲波波速測試結果，繪制全尾砂膠結充填體初始超聲波波速散點圖見圖5。

根據圖5中全尾砂膠結充填體初始超聲波波速散點圖分析可以得出以下結論：

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

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

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

（4）針對不同灰砂比的全尾砂膠結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 不同分層測點波速變化特征

在單軸壓縮試驗全過程中采用超聲波金屬探測儀對試樣的上、中、下3個測點的超聲波波速進行了間斷性監測，根據監測所得試驗結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—時間曲線，如圖6所示。根據圖6所示結果分析可得如下結論。

同一灰砂比下不同分層測點波速變化規律：

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

（2）全尾砂膠結充填體試樣破壞前（即峰前階段）：充填體試樣在達到應力峰值前，隨著荷載的增加，充填體試樣內部裂紋、裂隙衍生，導致充填體內部密實程度降低，超聲波波速呈現為負增長；在單軸壓縮試驗過程中，全尾砂膠結充填體試樣的超聲波波速變化受荷載影響較大，經歷孔隙壓密—彈性變形—塑性變形等階段，其超聲波波速變化規律整體上為下降趨勢，但由于在此過程中孔隙、裂隙的壓密與衍生，致使當時所測得的超聲波波速變大或變小。

（3）全尾砂膠結充填體試樣破壞后（即峰后階段）：充填體試樣達到應力峰值后隨著荷載的減小，由于試樣出現結構性破壞，超聲波波速的變化仍呈現出明顯的下降趨勢；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，是由于在試樣破壞后，試樣未發生整體性破壞，而由于荷載的增加導致試樣內部接觸變得緊密，隨荷載的增大，試樣發生整體性破壞，超聲波波速下降。

不同灰砂比下不同分層測點波速變化規律：

（1）根據上述分析可知，全尾砂膠結充填體超聲波波速變化規律明顯表現為：v（上）＞v（中）＞v（下）。

（2）相同分層測點上充填體試樣的超聲波波速變化有明顯的規律，對于同一分層不同灰砂比的膠結充填體試樣而言，超聲波波速隨灰砂比的減小呈下降趨勢，整體上表現為v（1∶4）＞v（1∶6）＞v（1∶8）＞v（1∶10）。

（3）上層、中層、下層3個分層中，灰砂比為1∶4的全尾砂膠結充填體在單軸壓縮試驗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，而上層波速試驗前期相差較大是由于1∶10試樣在壓縮過程中內部的孔隙裂隙發育程度較低。

3 討論

3.1 顆粒粒級與分層波速

全尾砂膠結充填體是由選礦尾砂、水以及凝結劑等膠結而形成的一種多相復合材料。在充填體中尾砂顆粒粒徑的大小對充填體的力學性能起著重要作用。根據上述對全尾砂膠結充填體單軸壓縮試驗中上層—中層—下層3個測點的超聲波波速進行了間斷性監測所得監測數據的分析結果，結合圖2中對所選取的全尾砂顆粒粒徑的組成分析可知：

（1）全尾砂膠結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，該層由于細觀小顆粒的堆積更為緊密，顆粒排列均勻，在宏觀上表現為超聲波波速較快。

（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，從細觀角度上其顆粒堆積較為稀疏，在宏觀上表現為超聲波波速較小。

（4）中層顆粒粒徑較上層較粗，較下層較細，位于上層與下層中間位置，該層從細觀角度分析，其內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，全尾砂膠結充填體內部顆粒在荷載作用下因受壓而導致充填體內部衍生出大量的孔隙、裂隙，從而致使充填體的整體性降低，內部密實程度變差，直到試樣產生最終破壞，試樣的超聲波波速在整個過程中，隨著充填體試樣內部微觀結構的衍生和演化而呈現出規律性地變化。

3.2 抗壓強度與分層波速

全尾砂膠結充填體的單軸抗壓強度是一個重要的力學指標，能夠快速、準確、有效地確定充填體的單軸抗壓強度，對于采場的穩定性及其安全具有重要的意義［19-20］。根據文獻［21］關于膠結充填體強度預測中引入的強度預測指標（式中，vP為初始超聲波波速，ρ為試樣密度）對本試驗所測初始波速進行計算，并根據作者構建的膠結充填體強度預測模型（如式（1））對結果進行擬合，并根據對上層、中層、下層以及貫穿初始超聲波波速的相關性進行分析。

式中，a、b均為無量綱待定系數；c為與膠結充填體性能相關的初始強度；σc為單軸抗壓強度。

根據式（1）得到：

式中，F為破壞荷載。

將本次試驗結果代入式（2），根據初始所測貫通、上層、中層、下層的超聲波波速，進行擬合并得出結果如圖7所示。結果表明：由上層初始超聲波波速擬合得到的相關性系數最高，為0.81，其余位置擬合得到的相關性系數均小于0.80，尤以根據中層初始超聲波波速擬合得到的相關性系數最小，其中根據貫穿與下層所測初始超聲波波速擬合得到的相關性系數相差不大，分別為0.71、0.69；根據本文中對全尾砂膠結充填體分層特性的探討，說明在全尾砂膠結充填體中，分層現象對充填體的強度影響較大，且密實程度越好、顆粒排列越均勻，越能更好地對其強度進行表征。

4 結 論

本研究以程潮鐵礦所采尾砂及相關基礎資料為試驗基礎，分別制作灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的全尾砂膠結充填體試樣，進行單軸壓縮膠結充填體超聲波監測試驗，獲取膠結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，從顆粒粒級特征分布角度分析了全尾砂膠結充填體的分層特性的形成原因。該研究得到如下結論：

（1）通過對不同灰砂比、不同分層測點進行對比分析，得出超聲波波速變化規律為：①v（上）＞v（中）＞v（下），②v（1∶4）＞v（1∶6）＞v（1∶8）＞v（1∶10）。

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

（3）全尾砂膠結充填體分層現象對充填體的強度影響較大，顆粒密實程度越好、顆粒排列越均勻，越能更好地對其強度進行表征，研究成果可為充填體強度預測提供參考。