趙向民 孫天順 呂文生

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

側(cè)限高應(yīng)力條件下充填體壓縮變形規(guī)律分析

趙向民 孫天順 呂文生

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

為了研究充填體在側(cè)限高應(yīng)力下的變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果試驗(yàn)室內(nèi)選取灰砂比為1∶10，濃度為70%的充填體試塊進(jìn)行9級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，得到每級(jí)加載應(yīng)力下充填體的軸向變形規(guī)律。通過對(duì)充填體的壓縮特性分析，得到了不同加載應(yīng)力條件下充填體試塊的側(cè)限壓縮系數(shù)和壓縮模量；通過壓縮變形應(yīng)變-時(shí)間圖，對(duì)側(cè)限高應(yīng)力條件下充填體試塊的壓縮變形機(jī)理進(jìn)行分析，分析結(jié)果為新城金礦礦山充填設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

充填體 側(cè)限 壓縮特性 變形機(jī)理

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)品需求量加大，我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源日漸枯竭，礦山開采深度加大，深部開采受到高應(yīng)力和巖爆等問題的困擾[1]。礦山充填采礦法能夠滿足礦山綠色開采要求，增加了采場(chǎng)穩(wěn)定性，是一種安全、高效、綠色的開采技術(shù)[2-3]。目前對(duì)于充填體變形規(guī)律的試驗(yàn)研究，大部分限于低應(yīng)力加載并且無(wú)側(cè)向約束的情況。深部采場(chǎng)充填體在圍巖包裹下受到高應(yīng)力作用，其壓縮變形規(guī)律對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性有至關(guān)重要作用[4-6]。通過試驗(yàn)室側(cè)限壓縮變形試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行壓縮特性分析，并分析壓縮變形機(jī)理，研究結(jié)果對(duì)礦山充填設(shè)計(jì)和采場(chǎng)管理有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 側(cè)限壓縮變形試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

側(cè)限高應(yīng)力壓縮變形試驗(yàn)是用水泥和尾砂按照灰砂比為1∶10，濃度為70%，在圓柱形鋼筒(45號(hào)不銹鋼，尺寸為φ80 mm×180 mm，壁厚14 mm)中制成膠結(jié)充填體試塊，在溫度20 ℃、相對(duì)濕度95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d,試塊的養(yǎng)護(hù)與壓縮試驗(yàn)均在側(cè)限鋼筒中進(jìn)行[7]。鋼筒的側(cè)限作用主要表現(xiàn)在壓縮試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)充填試塊只發(fā)生縱向變形而無(wú)橫向變形，即發(fā)生一維壓縮變形。

試驗(yàn)采用RLW-3000微機(jī)控制巖石剪切蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，采用階梯式分級(jí)加載每級(jí)恒載的方式，分級(jí)加載的載荷值分別為0.5 、1 、2 、4 、6 、9、15、22 、32 MPa。

充填體試塊在側(cè)限高應(yīng)力條件下完成壓縮變形之后，對(duì)試塊進(jìn)行烘干處理[7]。105～110 ℃恒溫下烘干48 h后，取出試塊，在密封條件下放置3～4 h，試塊溫度降低到室溫之后用電子秤稱重，用千分尺測(cè)量試塊直徑和高度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)充填體試塊在側(cè)限條件下進(jìn)行逐級(jí)加載，試塊發(fā)生軸向一維壓縮，變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 側(cè)限高應(yīng)力充填體試塊壓縮變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

隨著加載應(yīng)力逐級(jí)變大，每一級(jí)載荷對(duì)應(yīng)的軸向變形值和應(yīng)變值也逐漸變大；加載到最后一級(jí)32 MPa時(shí)，終止位移達(dá)到31.672 mm，是充填體試塊起始高度的19.8%。

充填體試塊受壓并烘干后質(zhì)量、尺寸會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，結(jié)果如表2所示。

表2 充填體試塊質(zhì)量及尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

受壓后試塊質(zhì)量減少，主要是由于受壓過程中試塊完成固結(jié)與蠕變變形，試塊孔隙中的空氣和水排出；受壓前后，由于側(cè)限鋼筒的限制，試塊主要發(fā)生豎向變形，而直徑基本不變。

烘干后試塊質(zhì)量的減少主要由于充填體顆粒物中所含水分受熱蒸發(fā)，水蒸氣沿試塊孔隙排出，會(huì)對(duì)空隙產(chǎn)生膨脹擴(kuò)容作用，充填體顆粒受熱也會(huì)膨脹，這2種作用在宏觀上表現(xiàn)為側(cè)限條件下充填試塊高度的增加。

2 壓縮特性分析

充填體試塊的初始孔隙比[8]

(1)

式中，Gs為充填體顆粒的比重；w0為試樣的初始含水量；γ為初始重度；γw為水的重度，取9.81 kN/m3。

含水量計(jì)算公式為

由烘干試驗(yàn)可知，試塊中含水質(zhì)量mw=159 g,固體顆粒物質(zhì)量m0=1 246 g,因此w0=12.8%；初始重度γ=W/V,試樣的重力W=13.769 N,試樣的體積V=8.04×10-4m3；根據(jù)新城金礦分級(jí)尾砂和水泥的密度以及充填體試塊中2種材料的質(zhì)量計(jì)算試塊的比重為Gs=2.62，初始孔隙比e0=0.69。

2.1 孔隙比變化規(guī)律

側(cè)限壓縮試驗(yàn)試塊軸向位移與孔隙比關(guān)系[8]，

(2)

式中，ΔHi為軸向位移；H0為初始高度。

由公式(2)求得最終孔隙比ei=0.36,得出充填體試塊在側(cè)限高應(yīng)力下的e-lgt曲線圖見圖1。

圖1 充填體試塊在側(cè)限高應(yīng)力條件下的e-lgt曲線圖

對(duì)圖1中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合函數(shù)為

e=algt+b，

式中,t為壓縮時(shí)間,min；a、b為擬合系數(shù)，見表3。

表3 各級(jí)載荷作用下孔隙比隨時(shí)間變化擬合結(jié)果

每一級(jí)載荷加載過程中，隨加載時(shí)間的增加，充填體試塊的孔隙比不斷減?。浑S加載應(yīng)力的增加，孔隙比變化幅度逐漸變大，擬合系數(shù)a的絕對(duì)值隨載荷增加而變大。充填體內(nèi)部孔隙中的水和氣體會(huì)在軸向載荷作用下逐漸排出，充填體產(chǎn)生固結(jié)變形；在較高應(yīng)力條件下，隨著孔隙的壓縮，充填體顆粒之間接觸更加緊密，顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑移，高應(yīng)力使得顆粒間的擠壓速度加快，孔隙比下降速度增加。

2.2 壓縮系數(shù)和壓縮模量

利用上述公式(2)可以計(jì)算每級(jí)載荷Δp作用下軸向變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的孔隙比e。壓縮系數(shù)α=Δp/Δe，在完全側(cè)限條件下，試塊的壓縮模量Es=(1+e1)/α。由此計(jì)算各級(jí)載荷作用下充填體試塊側(cè)限條件下的壓縮系數(shù)α和壓縮模量Es。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 充填體的側(cè)限壓縮系數(shù)與壓縮模量

側(cè)限條件下，新城金礦灰砂比為1∶10的尾砂膠結(jié)充填體的壓縮系數(shù)為0.008 0～0.027 5 MPa-1，壓縮模量為61.4～210.9 MPa；根據(jù)新城金礦相關(guān)地質(zhì)資料，其開采深度已經(jīng)達(dá)到800～1 000 m，綜合應(yīng)力達(dá)到25 MPa[9-10]，充填體側(cè)限壓縮系數(shù)應(yīng)為0.008 0～0.008 9 MPa-1，壓縮模量為189.8～210.9 MPa。土體的壓縮系數(shù)一般為0.1～0.5 MPa-1，尾砂膠結(jié)充填體的壓縮性能比土體低。對(duì)壓縮系數(shù)和壓縮模量隨加載應(yīng)力變化進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 壓縮系數(shù)回歸分析圖

3 壓縮變形機(jī)理分析

根據(jù)側(cè)限高應(yīng)力下充填體壓縮變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到充填體在連續(xù)加載(每一級(jí)應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間恒載)的條件下應(yīng)變-時(shí)間曲線圖，如圖4所示。

圖4 充填體側(cè)限壓縮應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系示意

由圖4可知，充填體在側(cè)限條件下每一級(jí)載荷作用初期，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)較快，且變形速率逐漸減小，大部分變形會(huì)發(fā)生在每一級(jí)載荷加載初期，后期只發(fā)生較小變形。在加載應(yīng)力9 MPa之前，充填體后期變形趨于穩(wěn)定[11-12]，整個(gè)過程符合衰減蠕變；在9 MPa之后，充填體前期變形符合衰減蠕變，后期變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而線性增加，符合穩(wěn)定蠕變。對(duì)9 MPa之后充填體穩(wěn)定蠕變過程應(yīng)變隨時(shí)間變化函數(shù)進(jìn)行線性擬合，擬合直線斜率分別為15 MPa時(shí)，0.000 3；22 MPa時(shí)，0.000 4；32 MPa時(shí)，0.000 5。加載應(yīng)力越大，穩(wěn)定蠕變速率越快。

充填體在側(cè)限高應(yīng)力壓縮過程中，當(dāng)應(yīng)力較低時(shí)(<9 MPa)，孔隙壓力逐漸減小，固體顆粒相互靠近，發(fā)生固結(jié)變形,壓縮變形主要包括瞬時(shí)的和衰減的變形；當(dāng)應(yīng)力較高時(shí)(>9 MPa)，充填體內(nèi)部孔隙繼續(xù)收縮，有效應(yīng)力不斷增加，充填體顆粒相互擠壓，發(fā)生蠕變變形，主要包括瞬時(shí)的、衰減的和黏塑性變形，且應(yīng)力越大，蠕變變形速度越快，充填體的黏塑性越明顯。

4 結(jié) 論

(1)側(cè)限高應(yīng)力下充填體孔隙比e與壓縮時(shí)間t符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系e=algt+b,每一級(jí)載荷過程中，充填體試塊初期變形快速，后期變形趨于穩(wěn)定。通過計(jì)算，得到了各級(jí)加載應(yīng)力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量數(shù)值，壓縮系數(shù)和壓縮模量與加載應(yīng)力都滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2)新城金礦充填體側(cè)限壓縮變形過程中，在較低應(yīng)力下(<9 MPa)，主要發(fā)生固結(jié)變形，包括瞬時(shí)的和衰減的變形；較高應(yīng)力下(>9 MPa)，主要為蠕變變形，包括瞬時(shí)的、衰減的和黏塑性變形，且應(yīng)力越大，蠕變變形速度越快，充填體的黏塑性越明顯。

(3)采場(chǎng)充填結(jié)束后，應(yīng)加強(qiáng)管理，防止因充填體壓縮變形較大而使采場(chǎng)失穩(wěn)，充填體壓縮變形穩(wěn)定后，能夠?qū)Σ蓤?chǎng)起到穩(wěn)定的支撐作用。新城金礦現(xiàn)有開采條件下，充填體側(cè)限壓縮系數(shù)為0.008 0～0.008 9 MPa-1，壓縮模量為189.8～210.9 MPa，其壓縮性能比土體低。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Compression Deformation Analysis of Backfill Under High Stress and Lateral Restraint

Zhao Xiangmin Sun Tianshun Lu Wensheng

(SchoolofCivilandEnvironmentEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

In order to study the deformation law of backfill under high stress and lateral restraint，according to the site survey results，nine-load creep experiments on the backfill with the gray-sand ratio of 1∶10 and a concentration of 70% are carried out.Axial deformation law of backfill is obtained under each level of load stress.Compression characteristic analysis of backfill is made to get the variation of compression factor and compression modulus under different loading stresses.Through the compression strain-time diagram，the compression deformation mechanism of backfill under high stress and lateral restraint is drawn.The results provide a scientific basis for the filling design and production safety in Xincheng Gold Mine.

Backfill，Lateral restraint，Compression characteristic，Deformation mechanism

2014-12-18

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB08B01)。

趙向民(1966—)，男，博士研究生。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-02-032-04