不同加载速率下充填体力学特性研究

杨清波

不同加载速率下充填体力学特性研究

杨清波

(平江县国土资源局，湖南 岳阳市 414000)

地下矿山中的充填体往往会受到不同加载速率的载荷作用，因此研究不同加载速率下充填体的力学特性对矿山的安全生产具有重要意义。以湖南某铅锌矿的胶结充填体为对象，进行了不同加载速率下的单轴压缩试验，研究了其相应的力学特性。结果表明：总体而言，加载速率越大，充填体的抗压强度也越大;加载速率存在一个临界值，当超过该临界值时，随着加载速率的增大，充填体的抗压强度反而减小;灰砂比越大，充填体强度受加载速率的影响越大。

加载速率;充填体;铅锌矿;力学特性

0 引 言

随着开采深度和开采难度的不断加大，充填采矿法在我国地下矿山中的应用越来越广泛。在充填采矿法的设计和实施过程中，要满足生产安全和经济可行的要求，确定合理的充填体类型和强度是其中的关键因素。

在矿山生产过程中，充填体会受到地应力、爆破作用以及渗流作用等不同载荷的影响，因此，众多学者对不同受力条件下充填体的力学特性开展了研究。例如，杨伟等[1]以现场试验的方式研究了爆破荷载下全尾砂胶结充填体的破坏规律；冯萧等[2]通过室内实验研究了不同应力路径下块石胶结充填体的破坏特性和能量耗散规律；熊睿[3]通过室内实验研究了不同温度条件下胶结充填体强度及变形特性；邹南荣等[4]针对某深部铜矿的高阶段充填方法和具体条件，开展了充填体强度设计，并计算了充填体的稳定性；亓中华等[5]根据卧虎山铁矿采用的预控顶上向分段落矿嗣后充填采矿法的实际情况，通过反演和数值模拟计算了采场充填体的强度要求范围。这些研究成果在矿山实际生产中得到了广泛应用，但对加载速率的影响考虑不足[6]。因此，以湖南省某铅锌矿的胶结充填体为对象，研究其在不同加载速率作用下的力学特性，以便为更合理地选择充填体材料和强度提供基础资料。

1 试验概况

1.1 试样制备

本次试验对象为湖南某铅锌矿实际使用的高浓度全尾砂胶结充填体。经测试，该矿全尾砂平均密度为2.78 g/cm3，平均粒径为94.6 μm，不均匀系数为9.545，孔隙率为46.01%，其矿物成分以CaO、 MgO、SiO2和Al2O3为主，含有少部分的不具回收价值的Cu、Zn和Pb等。

从矿山的实际情况来看，胶凝材料为P.C 32.5级普通硅酸盐水泥，使用1:4和1:8两种灰砂比的充填体，充填砂浆浓度为74%。因此，本次试验也按照灰砂比1:4和1:8制作试样。

根据相关规范[7]，按照70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的标准制作了试样，部分试样可如图1所示。

图1 制作的部分试样

1.2 试验过程

本次试验以单轴压缩实验为主，试验设备为INSTRON 1342型电液伺服控制材料试验机，试样加载过程如图2所示。试验按照下述步骤进行：

（1）制作标准试样，拆模后在养护箱中养护28 d；

（2）对试验机检查标定，采用常规静态方法（加载速率0.2 mm/min）进行试样的压缩实验；

（3）按照0.5，1.0，1.5，2.0 mm/min的加载速率进行单轴压缩实验；

图2 试样加载过程

（4）整理实验数据，分析不同加载速率下充填体的力学特性。

2 不同加载速率下充填体力学特性

2.1 静态加载应力−应变曲线

图3所示为静态加载条件（0.2 mm/min）下充填体的全应力−应变曲线。由图3可知：

图3 静态加载（0.2 mm/min）时的应力−应变曲线

（1）充填体的全应力−应变曲线与普通岩石的类似，总体上可分为压密段、弹性段、屈服段和破裂后阶段，但破裂后阶段明显比岩石的要长，说明其脆性不如岩石明显；

（2）灰砂比为1:4的充填体的抗压强度大于灰砂比1:8的充填体，前者约为4.3 MPa，后者约为1.95 MPa，这与通常情况下灰砂比越大，充填体强度越高的规律相符；

（3）灰砂比越小，其弹性模量越小，这与其抗压强度的规律基本一致。

2.2 不同加载速率下的应力−应变曲线

图4所示为不同加载速率下充填体的全应力−应变曲线，其中图4（a）为灰砂比1:4的充填体，图4（b）为灰砂比1:8的充填体。

由图4可知：

（1）总体来说，加载速率越大，充填体的峰值强度也越大，这与岩石力学特性的应变率效应较为类似。其原因是：当加载率较低时，充填体内部裂隙有时间充分发育，因此，只需要较低的载荷就可让其发生破坏；当加载率较大时，相应的加载时间便会减少，充填体的变形不够充分，其内部裂隙的发育也受到抑制，宏观上就会表现出强度增加的现象。

图4 不同加载速率下充填体的应力−应变曲线

（2）灰砂比1:8的充填体强度的增加值不如灰砂比1:4的充填体明显。其原因是：灰砂比越低，充填体内部裂隙扩展越容易，需要的时间也越短，加载速率对裂隙扩展的抑制不明显，宏观上表现为强度增加较慢的现象。

（3）另外一个值得注意的现象是，加载速率越大，全应力-应变曲线的破坏后阶段部分越长，灰砂比1:4和1:8的充填体都是如此。这表明，随着加载速率的增加，充填体的脆性呈下降趋势。

2.3 不同加载速率下的抗压强度变化规律

为了进一步分析充填体强度随加载速率的变化规律，将图4 中不同加载速率下充填体的应力−应变曲线对应的峰值强度提取出来，绘制成如图5所示的充填体抗压强度随加载速率的变化曲线。

由图5可知，充填体的抗压强度随着加载速率的增加而增大，但达到一个临界值后，抗压强度又会随着加载速率的增加而减小。甘德清等[6]将该值成为“临界加载速率”，并认为是充填体的一种特有现象。根据图5的曲线，可知灰砂比1:4的充填体的“临界加载速率”约为1.5 mm/min，而灰砂比1:8的充填体的“临界加载速率”0~1.5 m/min之间。

图5 充填体抗压强度随加载速率的变化曲线

式中，C表示充填体的单轴抗压强度；表示加载速率。

3 结 论

（1）总体来看，加载速率对充填体的强度存在显著影响：在“临界加载速率”之前，充填体的强度随着加载速率的增加而增大；在“临界加载速率”之后，充填体的强度随着加载速率的增大而 减小。

（2）不同灰砂比的充填体受加载速率的影响不同。灰砂比越小，受影响程度也越小，且其全应力−应变曲线的破坏后阶段也越长。

（3）加载速率主要是通过与充填体内部裂隙扩展速率的关系来影响充填体的强度特性的，较大的加载速率会限制充填体内部裂隙的充分扩展。

[1] 杨 伟,李国平,李夕兵,等.爆破荷载下全尾砂胶结充填体破坏规律及防治措施[J].矿业研究与开发,2018,38(3):113-118.

[2] 冯 萧,曹世荣,卓毓龙,等.不同应力路径下块石胶结充填体破坏试验研究[J].矿业研究与开发,2016,36(7):43-46.

[3] 熊 睿.高温对胶结充填体强度及变形特性的影响[J].采矿技术, 2015,15(6):18-21.

[4] 邹南荣,尚振华,秦忠虎.深部铜矿高阶段充填体强度设计及稳定性计算[J].采矿技术,2017,17(6):30-33+34.

[5] 亓中华,张纪伟,胡建华,等.卧虎山矿充填体强度参数的反演计算与数值模拟[J].矿业研究与开发,2018,38(11):26-30.

[6] 甘德清,韩 亮,刘志义,等.加载速率对充填体强度特性影响的试验研究[J].金属矿山,2016(12):150-153.

[7] JGJ/T70—2009.建筑砂浆基本性能试验方法标准[S].

(2019-02-15)