膠結充填體在動荷載作用下的響應特征

王建國，馬 軍，羅世云，陶子豪，左 庭，張智宇

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093;2.建筑健康監測與災害預防國家地方聯合工程實驗室，合肥230601;3.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，昆明 650051)

云南省玉溪礦業集團大紅山銅礦目前按先采礦柱后采礦房的兩步驟高階段空場嗣后充填法采礦，但是礦柱采場邊界條件較為復雜，其兩側均為尾砂膠結充填體，回采界限受充填體的控制。進行二步驟回采時，爆破擾動容易對充填體產生破壞，導致充填體的片落和垮塌，從而影響采場和充填體穩定性。因此，研究爆破動荷載作用下膠結充填體的動態力學特征，將為爆破參數優化、充填方案選擇以及數值計算模型的建立提供理論依據和參考。

Yang等[1]研究了3種灰砂比對全尾砂膠結充填體動態力學性能的影響；朱鵬瑞等[2]借助SHPB試驗技術，得到分級尾砂膠結充填體在不同加載應變率條件下的應力應變曲線，分析了其破壞機理；楊偉等[3-5]通過靜態單軸壓縮試驗和SHPB單軸沖擊試驗，對高濃度全尾砂膠結充填體(HTB)的動靜荷載下的力學性質進行比較，并針對高濃度全尾砂膠結充填體建立了數據庫；Zhang等[6]則研究了層狀充填體在10～80 s-1應變速率下的動態力學特性和失穩行為；譚玉葉等[7]采用SHPB裝置對6組30個膠結充填體試件進行了單軸單次沖擊及多次循環沖擊試驗，探索了充填體在低速沖擊下多次循環沖擊的應力應變、動載強度及變形破壞特征。

可見，目前對膠結充填材料在單軸沖擊狀態下動態力學性能研究的方法及思路已經較為成熟。為了全面掌握大紅山銅礦實際使用的膠結充填材料對爆破荷載的響應特征，分析了常規單軸沖擊試驗中加載應變率對膠結充填體動力學特性的影響。

1 試驗設置

本試驗系統中桿件直徑均為80 mm、采用高強度碳鋼材料，入射桿長度3 m，透射桿長度2 m，子彈為標準圓柱體，長1 m。試件按大紅山銅礦井下實際充填配比參數制備，以質量濃度為72%，水泥含量為180 kg/m3的膠結充填材料(后文用CTB180代替)為例[8]，選用普通硅酸鹽水泥和礦山尾砂為骨料，試件直徑為80 mm，相關參數如表1所示。考慮到本次試驗的膠結充填材料強度較低，設計較低的沖擊氣壓以控制低應變率。

表1 CTB180試件配比及基本力學參數Table 1 Composition and basic mechanical parameters of CTB180 specimen

2 試驗數據處理方法

對試驗測得的電壓信號標定轉換得到入射波、反射波和透射波的應變波形，然后利用三波法[9-10]計算式(1)～式(3)獲得相關指標值。

(1)

(2)

(3)

根據應力波理論[11]及能量守恒定律[12]推出沖擊過程中各能量的計算方法：

(4)

(5)

(6)

ES=EI-ER-ET

(7)

式中：εI(t1)、εR(t1)、εT(t1)為入射、反射和透射波的應變時程曲線；EI、ER、ET、ES分別為巖樣入射能、反射能、透射能、耗散能；ρ0為桿件的材料密度。

3 試驗結果分析

3.1 試驗數據統計

將入射桿、透射桿應變片所測數據用式(1)～式(3)計算得到CTB180在不同沖擊氣壓作用下的動態強度、平均應變率、能量比等數據(見表2)。

表2 CTB180試件的沖擊試驗數據統計Table 2 Statistics of impact test data of CTB180 specimens

3.2 應變波形分析

圖1 4種應變率下CTB180試件的應變波形Fig.1 CTB180 specimens strain waveforms under four strain rates

3.3 應力應變關系分析

圖2 4種應變率下CTB180試件的應力應變Fig.2 CTB180 specimens stress strain under four strain rates

4 能量關系和破碎塊度分析

4.1 能量傳遞規律

圖3 不同應變率下CTB180試件的能量傳遞規律Fig.3 CTB180 energy transfer law under different strain rates

4.2 破碎塊度分析

圖4 不同應變率下CTB180試件的破壞情況Fig.4 CTB180 broken specimens under different strain rates

5 結論

1)CTB180試件是一種低密度、結構不致密的介質，對入射沖擊波的透射能力微弱，在較低的沖擊應變率作用下即發生破裂。