秦帥，余一松，樊忠華，單強(qiáng)

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

充填體與預(yù)留原巖礦柱相互作用機(jī)理研究

秦帥，余一松，樊忠華，單強(qiáng)

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

通過實(shí)驗(yàn)室物理模擬的方法，用自制試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)充填體充入采場(chǎng)后的力學(xué)作用狀態(tài)進(jìn)行了模擬，礦柱兩側(cè)分別采用1∶2和1∶10兩種不同灰砂比的充填體進(jìn)行充填施壓，以模擬不同材料剛性對(duì)充填體支撐作用的影響。經(jīng)過對(duì)大量模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的充填體對(duì)礦柱的支撐作用效果不同，同時(shí)提出充填體的支撐作用具有被動(dòng)性。

充填體;原巖礦柱;支撐作用;應(yīng)力傳遞

0 引言

隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度的提高，對(duì)礦山環(huán)保要求越來越高，許多地區(qū)不允許地表出現(xiàn)變形和破壞，所以新建礦山和老礦山都在改用充填法開采，尤其是三下礦體開采基本全采用了充填法［1］。但近些年來，一些采用充填法開采的礦山仍然出現(xiàn)了地表移動(dòng)的問題，這個(gè)事實(shí)說明，采用充填法開采的礦山其地表變形也是不可避免的，只是變形程度較微小，變形時(shí)間延遲而已，地表巖移的滯后性問題已成為人們關(guān)注和研究的重點(diǎn)課題。

作者自制模型，對(duì)充填體與圍巖的相互作用機(jī)理進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，通過分析得出了一些結(jié)論，可為充填法礦山的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 充填體支撐礦柱的作用過程試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)模型制作。采用4根螺栓(長度為360 mm)和兩塊鋼板(100mm×100mm)制作約束充填體和礦柱的模型，其中2塊鋼板的四角穿有4個(gè)小孔，每根螺栓中央的部位穿有一Φ5mm的小孔，小孔中插入50mm的螺釘，螺釘向內(nèi)旋轉(zhuǎn)頂住鋼夾板以達(dá)到另一個(gè)方向控制礦柱的作用，使礦柱在二維控制方向下進(jìn)行加載。在4根螺栓的一端沿長度方向，各粘貼1片應(yīng)變片，以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中螺栓上的力的變化，以及施加不同橫向約束作用時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力大小，尺寸具體見圖1，自制試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。

圖1 鋼夾板尺寸及螺栓示意(單位:mm)

圖2 自制的試驗(yàn)裝置

(2)礦柱和充填體試塊的制作。試驗(yàn)制作了1∶2和1∶10的兩種不同類型的充填體，試驗(yàn)塊的組分見表1。礦柱采用混凝土來模擬強(qiáng)度(50MPa以上)，試驗(yàn)塊各組分見表2。

表1 充填體試塊(10cm×10cm×10cm)的配比

表2 混凝土試塊(10cm×10cm×10cm)的配比

1.2 試驗(yàn)方案

通過試驗(yàn)裝置兩側(cè)的夾板向內(nèi)側(cè)移動(dòng)模擬實(shí)際采場(chǎng)中圍巖或礦柱變形移動(dòng)以擠壓充填體，采用螺栓上的螺釘對(duì)夾板進(jìn)行控制，中間礦柱在壓力機(jī)上加載至破壞，分別進(jìn)行了5組試驗(yàn)，另外，分別對(duì)礦柱兩側(cè)有、無充填體限制進(jìn)行了試驗(yàn)。

在每塊待試驗(yàn)的充填體試塊上，粘貼5片應(yīng)變片，測(cè)試礦柱受縱向承載力破壞時(shí)，充填體上沿橫向的應(yīng)力傳遞。在4根固定螺栓上各粘貼1片應(yīng)變片，用于測(cè)定夾板在螺釘向內(nèi)旋轉(zhuǎn)過程中體現(xiàn)在螺栓上的預(yù)應(yīng)力大小。所有應(yīng)變片由導(dǎo)線引出接入DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)和數(shù)據(jù)測(cè)試，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v剖面(單位:mm)

1.3 試驗(yàn)過程

(1)礦柱(混凝土)、充填體的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定。在壓力機(jī)測(cè)定混凝土、兩種不同配置充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，混凝土(礦柱)28d平均抗壓強(qiáng)度為42.3MPa;灰砂比為1∶2和1∶10的充填體7d的平均抗壓強(qiáng)度分別為4.2MPa和0.36MPa。

(2)粘貼應(yīng)變片。按圖3所示的位置，貼上應(yīng)變片。另外，為了測(cè)定試驗(yàn)過程中施壓橫向位移約束條件下螺栓上的拉應(yīng)力，在4根螺栓的一側(cè)各貼上1片應(yīng)變片。

(3)連接導(dǎo)線和調(diào)試DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。將導(dǎo)線連接到DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，連接完后用萬用表檢測(cè)應(yīng)變片連接通路情況，避免應(yīng)變短路等其他情況。每次加載試驗(yàn)開始，調(diào)試至各節(jié)點(diǎn)初始微應(yīng)變?yōu)榱悖缓筮M(jìn)行加載并記錄試驗(yàn)機(jī)表盤數(shù)據(jù)和指針回彈現(xiàn)象。

(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。包括充填體上各點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，螺栓試驗(yàn)各組應(yīng)變數(shù)據(jù)，并記錄各組試驗(yàn)礦柱加載變形至破壞時(shí)荷載，同時(shí)記錄其他試驗(yàn)現(xiàn)象，如:有充填體支撐的礦柱是否具有殘余強(qiáng)度，以及充填體破壞過程中的裂紋擴(kuò)展情況。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 礦柱峰值強(qiáng)度的對(duì)比

(1)礦柱的峰值強(qiáng)度不同。在充填體的支撐作用下，礦柱達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度隨著橫向約束增大以及充填體強(qiáng)度提高均有不同程度的提高。在灰砂比為1∶2的充填體支撐作用下，礦柱提高強(qiáng)度較大，當(dāng)位移約束為2mm時(shí)，礦柱的峰值強(qiáng)度達(dá)到了65.4 MPa，與單軸(有夾板)作用43.9MPa相比提高了近50%。在充填體灰砂比為1∶10的情況下，當(dāng)位移約束達(dá)到2mm時(shí)，峰值強(qiáng)度提高達(dá)到12%左右?？傮w而言，充填體對(duì)礦柱是有支撐作用的，其他條件相同情況下，強(qiáng)度較高的充填體產(chǎn)生的支撐作用較大。

(2)殘余強(qiáng)度不同。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，有充填體支撐的試驗(yàn)組，礦柱達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，壓力機(jī)表盤指針有明顯的滯留現(xiàn)象;無充填體支撐的礦柱，壓力機(jī)表盤指針即刻彈回，無指針滯留現(xiàn)象。這說明有充填體支撐的礦柱與無充填體支撐的礦柱相比，礦柱達(dá)到破壞時(shí)有明顯的殘余強(qiáng)度，此時(shí)充填體對(duì)達(dá)到破壞的礦柱有明顯支撐作用。

2.2 充填體支撐礦柱作用具有被動(dòng)性

本試驗(yàn)除了2組不同單軸試驗(yàn)外，對(duì)2種不同的充填體采取了5種不同類型的約束，分別是0，0.5，1，2，4mm。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，隨著充填體向礦柱端擠壓程度的變大，礦柱的承載能力漸趨提高，當(dāng)位移約束達(dá)到4mm時(shí)，充填體發(fā)生了明顯的破壞，礦柱達(dá)到峰值的強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，與位移約束為2mm時(shí)的強(qiáng)度相比增幅較小。當(dāng)位移約束為0mm時(shí)，礦柱峰值強(qiáng)度基本保持不變。但是充填體在被鋼夾板擠壓的過程中，礦柱的承載能力逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定(見表3及圖4)。也就是說，充填體只有先受到適當(dāng)?shù)臄D壓后，才能發(fā)揮充填體支撐礦柱的作用，說明充填體支撐采場(chǎng)礦柱或圍巖的作用具有被動(dòng)性。

表3 礦柱承載力與充填體橫向位移約束的關(guān)系

圖4 礦柱承載力與充填體橫向的約束關(guān)系

2.3 充填體應(yīng)力傳遞情況

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在施加橫向位移約束以及后續(xù)礦柱縱向加載過程當(dāng)中，充填體的變形破壞、應(yīng)力傳遞過程呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，總是在充填體的兩側(cè)先發(fā)生變形破壞，然后向充填體的中心部位傳遞。但充填體中心部位變形較外側(cè)小的多，充填體中的裂紋總是由兩側(cè)向中心部位擴(kuò)展傳遞，如圖5、圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4和圖7及圖8。對(duì)比灰砂比為1∶2及1∶10兩種充填體試驗(yàn)組的應(yīng)變值不難發(fā)現(xiàn)，灰砂比為1∶2的充填體中心部位應(yīng)變比灰砂比為1∶10的充填體中心部位要大些，亦即灰砂比為1∶2的充填體更易產(chǎn)生力學(xué)傳遞作用?；疑氨葹?∶10的充填體應(yīng)力吸收作用更明顯。

圖5 1∶10充填體裂紋擴(kuò)展情況

圖6 1∶2充填體裂紋擴(kuò)展情況

表4 充填體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變(με)與橫向約束的關(guān)系

圖71 ∶2充填體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與橫向位移約束的關(guān)系

圖81 ∶10充填體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與橫向位移約束的關(guān)系

2.4 螺栓上的應(yīng)力情況

灰砂比為1∶2的充填體試驗(yàn)組螺栓上測(cè)到的應(yīng)變普遍大于灰砂比為1∶10的充填體測(cè)到的應(yīng)變，說明剛性強(qiáng)的充填體其力學(xué)傳遞作用更強(qiáng)，對(duì)礦柱圍巖變形擠壓更敏感，剛性弱的充填體則應(yīng)力吸收作用較強(qiáng)，產(chǎn)生了一定力學(xué)阻斷作用。

螺栓上的應(yīng)變片一定程度上反應(yīng)了充填體接受礦柱變形擠壓后的應(yīng)力傳導(dǎo)作用。和試驗(yàn)現(xiàn)象比較吻合的是，剛性較強(qiáng)的充填體更易發(fā)生力學(xué)傳遞作用，充填體的中心部位也更易遭受應(yīng)力作用，也就是說充填體更易產(chǎn)生破壞，具體見表5和圖9。

表5 螺栓應(yīng)力與橫向位移約束的數(shù)據(jù)測(cè)試

圖9 螺栓上應(yīng)力變化與位移約束的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)充填體充入采場(chǎng)后，充填體的力學(xué)作用狀態(tài)具有時(shí)效性，隨著時(shí)間的延長，發(fā)生了力學(xué)轉(zhuǎn)化，剛開始呈現(xiàn)散體流體狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)靜止側(cè)壓力作用，是一個(gè)相對(duì)小量，干式充填體的主動(dòng)作用較膠結(jié)充填體更優(yōu)，而且伴隨充填體的固結(jié)粘聚力的提高逐漸減小，相對(duì)應(yīng)的充填體的被動(dòng)作用逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，充填體表現(xiàn)出主動(dòng)的機(jī)會(huì)并不是太多，而且充填體的主動(dòng)作用力也是一個(gè)相當(dāng)小的靜止側(cè)壓力。采用上向開采方法時(shí)，充填體表面的采掘設(shè)備的來回碾壓有助于增強(qiáng)充填體的主動(dòng)作用。

(2)試驗(yàn)表明，充填體對(duì)礦柱具有支撐和支護(hù)作用，支撐作用大小和充填體的剛性有關(guān);有充填體支撐的圍巖礦柱，即使達(dá)到破壞后也有很高的殘余強(qiáng)度。

(3)充填體支撐作用具有被動(dòng)性，是隨著圍巖擠壓充填體而逐漸產(chǎn)生支撐作用的，支撐作用大小與充填體產(chǎn)生變形有關(guān)，充填體產(chǎn)生變形越大，支撐作用也較大，但當(dāng)充填體遭受到破壞后，支撐作用趨于穩(wěn)定或下降。

(4)剛性充填體應(yīng)力傳遞能力更強(qiáng)，對(duì)圍巖或礦柱的變形更敏感，相反，柔性的充填體應(yīng)力吸收能力更強(qiáng)，具有一定的阻斷應(yīng)力傳遞的作用。

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2011－04－14)

秦帥(1987－)，男，山東東營人，碩士研究生，主要從事無底柱分段崩落法放礦規(guī)律及充填作用機(jī)理的研究，Email:qinshuai_2008@163.com。