多次沖擊下?lián)脚驖櫷聊z結(jié)充填體力學(xué)特性試驗研究①

張友鋒， 付玉華， 余 姚

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.贛南科技學(xué)院，江西 贛州 341000；3.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州341000； 4.江西理工大學(xué) 理學(xué)院，江西 贛州 341000）

井下多年開采會逐漸形成大量采空區(qū)、地面塌陷 坑，導(dǎo)致礦柱無法采出，增大礦石損失、降低礦山經(jīng)濟(jì)效益。 充填采礦法因具有礦石回收率高、防止地表塌陷、控制地壓等優(yōu)點，在礦山得到了廣泛應(yīng)用［1］。

為了控制地壓，充填體必須起到支撐頂板的作用，因此需要有較好的接頂率。 充填料漿因泌水率、沉縮性而無法達(dá)到良好的接頂效果，常采取人工接頂、強(qiáng)制崩落接頂、加壓泵送充填料接頂?shù)却胧@些措施雖然能提高接頂率，卻增加了成本和工程量。 膨潤土因具有吸水性、膨脹性、觸變性等特點被應(yīng)用于解決金屬礦山充填接頂不足問題［2-5］。 采場進(jìn)行二步驟礦柱回采時，充填體不僅受到靜態(tài)荷載，而且頻繁爆破震動使其產(chǎn)生累積損傷破壞，降低了采場安全性。 已有研究對沖擊作用下充填體力學(xué)性能進(jìn)行了探索［6-9］，但涉及范圍仍不夠全面。 本文利用SHPB 桿分析了同一沖擊速度循環(huán)沖擊對摻膨潤土膠結(jié)充填體的應(yīng)力應(yīng)變、動態(tài)強(qiáng)度、吸收能、破壞特征的影響，以探索摻膨潤土充填體在多次爆破沖擊下的力學(xué)行為，為工程實際提供借鑒。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料及試樣制作

試驗材料主要為全尾砂、PC32.5 型普通硅酸鹽水泥及鈉基膨潤土。

全尾砂粒級分布如圖1 所示。 計算得到尾砂不均勻系數(shù)為7.82、曲率系數(shù)為1.13，證明尾砂級配和密實度好。 全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。 根據(jù)礦物活性評價指標(biāo)計算出該尾砂活性率為0.03，同時S、Zn 元素含量很低，表明該尾砂是理想的充填惰性材料。

圖1 尾砂粒級組成

表1 全尾砂化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM 推薦的方法［10］，選擇動態(tài)沖擊試樣尺寸為Φ50 mm × 50 mm。 試樣制作流程按照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)范以及工程巖體試驗標(biāo)準(zhǔn)（GB／T50266—99）進(jìn)行。 電子秤稱取尾砂、水泥，量筒稱量自來水，將一定比例材料倒入JJ-5 水泥膠砂自動攪拌機(jī)中攪拌，將攪拌好的料漿倒入模具。 澆筑過程中需不斷振搗保證均勻，使料漿面略高于模具，以便脫模時試件表面平整。 24 h 后脫模，之后將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中，溫度20.2 ℃、濕度96%條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為了減少試驗誤差，試樣加載前需用砂紙對其端面進(jìn)行打磨處理，以此來保證端面平整。

1.2 試驗方法

為了對爆破沖擊下?lián)脚驖櫷脸涮铙w進(jìn)行分析，在SHPB 試驗系統(tǒng)進(jìn)行動載沖擊試驗，經(jīng)過探索實驗，得到未摻入膨潤土膠結(jié)充填體臨界沖擊速度為4 m／s，但為了保證多次沖擊，選取入射能的60%，即3.5 m／s；參考礦山現(xiàn)采用的充填配比和前期探索試驗數(shù)據(jù)，最終確定充填料漿配比為：灰砂比1 ∶4，質(zhì)量濃度75%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d，膨潤土摻量分別為0、5%、10%和15%，共制備全尾砂膠結(jié)充填體試樣4 組12 個。

2 SHPB 沖擊加載試驗

2.1 試驗設(shè)備及原理

采用直徑50 mm 的分離式SHPB 裝置加載試驗系統(tǒng)，試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2。 試驗裝置主要包括子彈頭、入射桿、透射桿及吸收桿，通過固定氣壓大小、子彈頭位置來保證同一種沖擊速度對充填體試樣進(jìn)行沖擊壓縮。

圖2 SHPB 裝置示意圖

根據(jù)一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力平衡假設(shè)，試樣應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)力隨時間變化關(guān)系為：

式中A為入射桿橫截面積，cm2；AS為試件橫截面積，cm2；E為壓桿彈性模量，GPa；lS為試件厚度，cm；CO為彈性應(yīng)力波波速，m／s；εT（t）為反射應(yīng)變；εT（t）為透射應(yīng)變；σS（t）為試件動態(tài)應(yīng)力，MPa；εS′（t）為試樣應(yīng)變率，s-1；εS（t）為試樣應(yīng)變。

2.2 沖擊加載下試樣原始波形

進(jìn)行沖擊試驗前，需對SHPB 沖擊加載試驗系統(tǒng)進(jìn)行校正檢查。 操作過程中不添加試樣，調(diào)整桿座將各桿件軸心對正，待桿件端面緊密接觸后，選取一定速度進(jìn)行沖擊（速度不宜過大，以免對設(shè)備造成損壞），進(jìn)行多次空沖試驗后，觀察波形是否達(dá)到試驗標(biāo)準(zhǔn)，最后得到空沖加載下的原始波形如圖3 所示。 由圖3 可以看出，沖擊加載后的入射波絕大部分發(fā)生透射，并且波幅值相近，誤差在試驗允許范圍內(nèi)，SHPB 沖擊加載系統(tǒng)運行正常，可進(jìn)行充填體沖擊試驗。

圖3 SHPB 空沖試驗波形圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 充填體動態(tài)沖擊應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖4 為循環(huán)沖擊下不同膨潤土摻量的膠結(jié)充填體動態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。 養(yǎng)護(hù)齡期28 d 的膠結(jié)充填體經(jīng)過多次沖擊后應(yīng)力應(yīng)變曲線經(jīng)歷了微裂隙閉合、彈性變形、非彈性、裂紋貫通及破壞階段。 對比分析可以看出，充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線與膨潤土摻量有顯著相關(guān)性，未摻膨潤土充填體多次沖擊后曲線比首次沖擊顯著下跌，其中首次沖擊后充填體局部產(chǎn)生裂隙，第2 次沖擊應(yīng)力下降但裂隙被壓密，第3 次沖擊應(yīng)力略微上升，第4 次沖擊發(fā)生破壞，第2～3 次沖擊應(yīng)力相對接近；摻入膨潤土后，充填體應(yīng)力曲線逐級下降，充填體具有更穩(wěn)定的動態(tài)承載能力。 摻入膨潤土5%和10%的充填體第2 次、第3 次沖擊曲線出現(xiàn)了動態(tài)強(qiáng)度軟化現(xiàn)象，且多次沖擊比首次沖擊更先達(dá)到峰值應(yīng)變；膨潤土摻量15%時，首次沖擊峰值應(yīng)變出現(xiàn)在0.002 附近，而多次沖擊峰值應(yīng)變約0.003，可見摻入膨潤土可以提高充填體的動態(tài)承載能力。

圖4 充填體試樣動載沖擊應(yīng)力?應(yīng)變曲線

3.2 多次沖擊充填體動態(tài)強(qiáng)度特征

充填體承受沖擊次數(shù)的大小表征著抵抗爆破振動的能力水平。 充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量的關(guān)系如圖5 所示。 由圖5 可以看出，充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量呈先降低后增大的趨勢，膨潤土摻量10%時抗沖擊次數(shù)最低。

圖5 充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量關(guān)系

表2 為沖擊加載下?lián)脚驖櫷脸涮铙w試樣的試驗結(jié)果（其中編號0-1 表示膨潤土摻量0、沖擊次數(shù)1，其余類推）。 動態(tài)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)因子（DIF）常被用來表示材料抗沖擊性能，分析動態(tài)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)因子能夠進(jìn)一步量化動靜加載條件下充填體強(qiáng)度的變化關(guān)系。DIF 曲線見圖6。 結(jié)合表2 和圖6 可知，充填體DIF 隨沖擊次數(shù)增加大部分呈降低趨勢，但進(jìn)一步觀察數(shù)值可以看出，首次沖擊時，摻入膨潤土各DIF 均在2 左右，明顯大于未摻入膨潤土?xí)r的DIF；而多次沖擊時，摻入膨潤土各充填體DIF 均大于未摻入膨潤土的DIF。 摻入膨潤土的充填體不僅在首次沖擊時具有良好的抗沖擊能力，而且多次沖擊后仍具有良好的抗沖擊能力。

表2 充填體試樣動載和靜載試驗數(shù)據(jù)

圖6 動態(tài)強(qiáng)度因子（DIF）

將不同膨潤土摻量膠結(jié)充填體在各沖擊次數(shù)下的動態(tài)峰值抗壓強(qiáng)度作圖，如圖7 所示。 由圖7 可知，受到?jīng)_擊加載后，膨潤土摻量10%和15%充填體動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨沖擊次數(shù)增大呈下降趨勢，且摻量15%時下降趨勢更慢。 這是由于摻入膨潤土后，膨潤土產(chǎn)生的細(xì)小氣孔充斥于充填體內(nèi)部，顆粒間形成板狀、塊狀顆粒，充填體抗壓能力增大。 側(cè)面反映出了摻入膨潤土在滿足充填接頂?shù)那闆r下可以提升充填體的抗沖擊性能。

圖7 動態(tài)抗壓強(qiáng)度

3.3 沖擊加載下充填體能量變化特征

充填體在受到動態(tài)荷載沖擊的過程中伴隨著能量的改變，入射能WI、反射能WR、透射能WT及試樣吸收能WS間的關(guān)系為［11］：

式中WI為試樣入射能，J；WR為試樣反射能，J；WT為試樣透射能，J；WS為試樣吸收能，J。 參考巖石動力學(xué)中表征試樣單位體積內(nèi)吸收能的方法，引入比能量吸收量SEA對充填體單位體積內(nèi)吸收能進(jìn)行表征，其計算方法為［12］：

式中VS為試樣體積，cm3。

根據(jù)上述各類能量計算公式，對尾砂膠結(jié)充填體動態(tài)沖擊過程中的能量值進(jìn)行測試計算。 為定量表明膨潤土摻量對充填體吸收能、單位體積吸收能間的關(guān)系，將充填體試樣的吸收能、單位體積吸收能與膨潤土摻量作圖，見圖8。 由圖8 可知，各摻量充填體吸收能、單位體積應(yīng)變能（比能量吸收）與應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。 充填體能量值對沖擊次數(shù)敏感性較高，摻入膨潤土后，沖擊次數(shù)小于2 次時，充填體吸能能力增大，說明摻入膨潤土雖然可以提高其動態(tài)力學(xué)性能，但只能在一定沖擊次數(shù)內(nèi)。 因此多次爆破時要減少炸藥量并及時對充填體進(jìn)行監(jiān)測。

圖8 充填體能量值與摻量關(guān)系

3.4 充填體破壞特征

不同膨潤土摻量膠結(jié)充填體的力學(xué)特征存在差異，受到多次動載沖擊后會表現(xiàn)出不同的破壞模式。為了揭示其變形破壞特征，表3 記錄了充填體多次沖擊后的破壞過程。 由表3 可以看出，膨潤土摻量與充填體變形破壞顯著相關(guān)，摻量0、15%的試樣受到4 次沖擊后發(fā)生破壞，其中前2 次沖擊后試樣端部發(fā)生破壞，第3 次出現(xiàn)細(xì)微裂紋，第4 次直接出現(xiàn)寬大裂縫而破壞；摻量5%、10%的試樣承受2 次或3 次沖擊后發(fā)生破壞，可見膨潤土摻量小于15%時會降低充填體抵抗沖擊的能力。 進(jìn)一步觀察可看出，試樣最終破壞類型均表現(xiàn)為軸向張拉破壞。 這是由于養(yǎng)護(hù)28 d 的膠結(jié)充填體內(nèi)部經(jīng)過水泥水化反應(yīng)后，已經(jīng)生成大量C—S—H 凝膠，顆粒間黏結(jié)力變強(qiáng)，具有更好的抗沖擊變形能力，受到多次沖擊后仍具有良好的完整性。從最終破壞塊數(shù)上看，未摻入膨潤土的膠結(jié)充填體最終破壞數(shù)為3 塊，而摻入膨潤土充填體最終破壞數(shù)均為2 塊，直觀反映出摻入膨潤土后增強(qiáng)了充填體完整性。 膨潤土的加入使內(nèi)部孔隙被充滿，受力更加均衡，當(dāng)出現(xiàn)裂隙時，內(nèi)部積累的能量大部分沿著充填體主裂隙釋放。 從破壞形式分析可見，充填體出現(xiàn)微小裂隙到失穩(wěn)中間無緩沖過程，在生產(chǎn)中，要加強(qiáng)對充填體的監(jiān)測，防止出現(xiàn)突然垮落。

表3 不同膨潤土摻量充填體破壞特征

4 結(jié) 論

1） 多次沖擊后，膠結(jié)充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線均存在明顯的微裂隙閉合、彈性變形、非彈性、裂紋貫通與破壞階段；未摻入膨潤土充填體應(yīng)力顯著下跌，摻入膨潤土后則逐級下降。 膨潤土摻量5%和10%的充填體多次沖擊比首次沖擊更先達(dá)到峰值應(yīng)變，且出現(xiàn)動態(tài)強(qiáng)度軟化；膨潤土摻量15%時，充填體首次沖擊峰值應(yīng)變出現(xiàn)在0.002 附近，而多次沖擊峰值應(yīng)變約0.003。

2） 隨著膨潤土摻量增大，充填體抗沖擊次數(shù)呈先降后增趨勢，摻量10%時最低。 充填體動態(tài)強(qiáng)度因子（DIF）、動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨沖擊次數(shù)增加而降低；沖擊后，摻膨潤土充填體DIF 均大于未摻膨潤土充填體DIF 值。 說明摻入膨潤土雖然能降低充填體抗沖擊次數(shù)，但動態(tài)抗壓強(qiáng)度仍處在一個較高的水平。

3） 充填體能量值對沖擊次數(shù)敏感性較高，充填體吸收能、單位體積應(yīng)變能整體隨沖擊次數(shù)增加而下降，其中部分沖擊次數(shù)會出現(xiàn)先降后增現(xiàn)象，說明摻入膨潤土雖然可以提高充填體動態(tài)力學(xué)性能，但多次沖擊時需減少炸藥量并及時進(jìn)行監(jiān)測。

4） 試樣最終破壞類型均表現(xiàn)為軸向張拉破壞。膨潤土摻量與充填體變形破壞具有顯著相關(guān)性，未摻入膨潤土的膠結(jié)充填體最終破壞塊數(shù)為3，而摻入膨潤土充填體最終破壞塊數(shù)為2，說明摻入膨潤土增強(qiáng)了充填體的整體性；充填體從出現(xiàn)微小裂隙至失穩(wěn)無緩沖過程，需加強(qiáng)監(jiān)測，防止出現(xiàn)充填體突然垮落。