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循环加卸载下尾砂胶结充填体力学参数变化特征的试验研究与分析

范文

邹尤森杨天雨张希

摘要：随着开采深度的不断提升，充填采矿法以其矿石损失贫化率低，井下作业环境好等优势已经获得许多矿山企业的青睐，通过尾砂胶结充填体循环加卸载试验，探讨了弹性应变，塑性应变，弹性模量以及加载变形模量这些力学参数随着循环加卸载的进行的演化特征以及充填体内部损伤的成因，分析了充填体试件的强度与配合比之间的关系，讨论了循环加卸载对充填体试件强度加强的原因，为矿山尾砂胶结充填体在井下复杂环境下的承载受力分析，強度设计，损伤预判以及井下安全施工提供理论依据。

Abstract： With the continuous improvement of mining depth， the filling mining method has been favored by many mining enterprises for its low ore loss and dilution rate， good underground working environment and other advantages. Based on the cyclic loading and unloading test of cemented tailing backfill， the evolution characteristics of mechanical parameters such as elastic strain， plastic strain， elastic modulus and loading deformation modulus with the cyclic loading and unloading and the causes of internal damage of backfill are discussed;The relationship between the strength and mix ratio of the filling body is analyzed;This paper discusses the reason why the strength of filling body specimen is strengthened by cyclic loading and unloading;It provides theoretical basis for bearing capacity analysis， strength design， damage prediction and underground safety construction of cemented tailing backfill in complex underground environment.

关键词：尾砂胶结充填体;力学参数;强度;损伤

Key words： tailings cemented filling body;mechanical parameters;strength;damage

中图分类号：TD853? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）11-0276-05

0? 引言

在环境保护日益重要的今天，充填采矿法以其独特的优势被广泛应用，但随着开采深度的不断提升，地应力也愈来愈大;随着开采规模的增加，反复的爆破冲击，铲运机的来回运转，都会使充填体处在一个反复加卸载的环境中，经过长期的加载卸载的作用后，充填体就会失稳破坏，给矿山安全生产带来严重威胁。因此，对充填体在循环加卸载作用下力学参数变化特征的研究就变得至关重要。

在岩石领域，李江腾[1]研究了红砂岩在单轴循环加卸载条件下的疲劳变形及能量演化规律;张鑫[2]研究了单轴循环荷载下岩石加卸载响应比及声发射b值等特征参量的变化规律;张帆[3]研究了循环加卸载条件下花岗岩高温水冷后的渗透性;杨小彬[4]研究了循环加卸载作用下岩石界面滑移位移场演化特征;在混凝土领域，梁春华[5]分析了加卸载过程中混凝土耗散能及塑性应变随加卸载次数之间的关系;王普[6]从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性。

在充填体领域，冯萧等人[7-8]对胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验，得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化。邓代强[9]力学性能与水灰比灰砂比以及养护时间之间的关系。郭利杰[10]研究了废-尾充填体强度与fuller级配参数之间的关系。

1? 尾砂胶结充填体循环加卸载试验

1.1 试验材料

本次试验的尾砂采用大红山铜矿立式砂仓分级尾砂，密度2.897g/cm3，堆积密实度0.506，级配指数0.501，因为是分级尾砂，已经在立式砂仓中经过重力沉降处理，所以，粒径较大，加权平均粒径为0.149mm;水泥采用普通硅酸盐水泥，强度级别32.5MPa。

1.2 试验实施

为更好的探究充填体在不同循环加卸载条件下力学参数的变化特征，本次试验，首先进行单调加载试验，测得不同浓度，不同水泥添加量尾砂胶结充填体试件的单轴抗压强度，并确定其屈服点，然后，进行循环加卸载试验，第一级加载至其单轴抗压强度的50%，保证第一次加载水平在屈服点以下，卸载至其单轴抗压强度的20%，因为现实中充填体不可能完全不受力，因此卸载至其抗压强度的20%而不是完全卸载，并等幅循环加卸载三次，此后，每级增加10%应力强度，直至破坏，具体试验加卸载方式见图1。

2? 试验结果与分析

2.1 单轴循环加卸载下的应力-应变

经过循环加卸载试验，得出充填体试件应力-应变曲线，塑性应变曲线以及弹性应变曲线，由图3可以看出，在同一应力水平循环加卸载时，塑性应变逐渐减小，且减小趋势越来越缓，这是因为，当应力在这个水平第一次加载时，内部的微孔洞微裂隙会闭合，并伴有损伤的发生，所以塑性应变较大，当在这个应力水平继续循环加卸載时，并没有新的损伤产生，只是会有少部分的疲劳破坏，在同一应力水平上循环次数越多，每次新增的塑性应变就越少，反应在图中就是AB段的斜率远远大于BC段的斜率[11]。但当应力水平提高一个等级时，那么就会在原来基础上新增许多损伤，充填体内部会产生许多新的裂隙，这些损伤都是不可逆的，反应在图中就是塑性应变急剧上升，随着应力水平的不断提高，塑性应变也不断增大[12]。

弹性应变与塑性应变不同，如图4所示，当应力水平保持在同一水平时，在前几个循环，弹性应变基本保持持平，这是因为前几个循环，加载强度没有达到屈服点，从而试件内部属于弹性加卸载，损伤较小;而当应力水平达到一个新高度时，弹性应变急剧增长，因此总体上呈现出“阶梯型”增长的趋势。

对比弹性应变周次曲线和塑性应变周次曲线，我们可以发现，在同一个循环中，弹性应变要远远大于塑性应变，由此可见，该种尾砂胶结充填体试件有着较好的自我恢复能力。

2.2 单轴循环加卸载下的变形模量和弹性模量

弹性模量是衡量材料力学性能的重要参数。弹性模量越大，表示着材料产生弹性变形所需要的外力就越大，反之，弹性模量越小，就代表着材料产生弹性变形所需要的外力就越小。从试验可以看出充填体的应力应变在卸载时不会沿着加载曲线原路返回，而是与加载曲线围城一个环形，这说明充填体是弹塑性体;因此，弹性模量就是加载曲线直线段斜率[12]，即：

式中：E（i）为每次循环的弹性模量;？滓max（i）、？滓min（i）为每次循环的最大、最小应力;？着max（i）、？着min（i）——每次循环的最大、最小应变;i为循环次数。

而变形模量E0所考虑的并不是单单的弹性变形，它考虑的是弹性变形以及塑性变形之和，也称为总变形，所以变形模量为正应力？滓与总应变？着之比，反应在全应力应变曲线中即为加载曲线的割线模量，即：

式中：E0（i）为每个循环的加载变形模量;？着e（i）为每个循环的弹性应变;？着p（i）为每个循环的塑性应变。

本文选取水泥添加量270kg/m3、浓度74%的尾砂胶结充填体试件为例，弹性模量计算结果见表1。

由图5可以看出，充填体试件的弹性模量随着循环加卸载的进行总体上呈现减小的趋势，即卸载曲线的斜率随着循环加卸载的进行而变得平缓。

变形模量计算结果见表2。

由图6可以看出，第一个循环到第二个循环之间，充填体试件的变形模量极具增大，这是因为第一次加载加载到峰值强度的50%，从0%加载到50%，可以使充填体试件得到充分压密，内部裂隙闭合，抵抗变形的能力增加，而第二个循环到第三个循环是在同等应力水平下循环加卸载，由于前一个循环已经将充填体试件内部进行压密，所以在不提升应力水平的情况下，抵抗变形的能力增幅极小，几乎不变;但是，当应力水平提升一个等级时，这时，应力水平已经超过充填体试件的屈服点，当应力水平增加时，就会给充填体内部造成不可逆的损伤，抵抗变形的能力就会大幅减弱，变形模量急剧减小;此时，再重复在同一应力水平循环加卸载时，变形模量就几乎保持不变。当加载到最后一个循环时，此时试件受压至破坏，强度完全丧失，抵抗变形的能力直线下降，变形模量降至最低，因此可以将变形模量的急剧减小作为预判充填体濒临失稳破坏的依据。

2.3 弹性模量与变形模量的关系

弹性模量代表着抵抗弹性变形的能力，变形模量的意义是抵抗变形的能力，二者随着循环周次的演化关系如图7～图8。

从图7可以看出，当循环加卸载在第一个应力水平进行时，弹性模量与变形模量的演化趋势相反，这是因为，第一加载达到的强度在屈服点以下，试件主要是受到弹性破坏，因此抵抗弹性变形的能力减弱，故弹性模量呈现下降趋势，而试件在加载初期屈服点之前是处于被压密的过程，试件内部微孔洞微裂隙闭合，导致试件抵抗总变形的能力增强，即变形模量增加。而当应力水平超过屈服点时，如图8，弹性模量和变形模量随循环周次的演化规律基本相同。

从图9可以看出，只有在第一个应力水平时弹性模量与变形模量的演化趋势相反，之后二者发展趋势基本相同，60%，70%，80%应力水平时，二者发展趋势基本平缓，变化不大，而从80%到100%应力水平时，弹性模量和变形模量急剧下降，说明从80%应力水平开始，试件力学性能大幅降低，开始发生失稳破坏，二者总体的演化趋势均是突然上升/或下降→平缓期→极具下降期，可将充填体弹性模量和变形模量同时骤降作为充填体失稳破坏的前兆。

2.4 单轴循环加卸载条件下尾砂胶结充填体的强度

单调加载和循环加卸载条件下，水泥添加量270kg/m3，重量浓度72～76%的强度计算结果见表3。

由图10可以看出，质量浓度增加，充填体试件的峰值强度也随之增大，这是因为料浆的浓度增加，由于水泥添加量不变，浓度增加即为单位体积内尾砂量增加，颗粒之间的孔隙减小，空隙中的水也减少，降低了水泥颗粒随多余水分泌出的量，使料浆的粘稠度增大，充填体强度增加[13]。

试验结果表明，水泥量减少，充填体峰值强度也随之减小（如图11所示），这是由于水泥量的增加，导致充填浆体里面的水泥的水化反应更加剧烈，会产生更多的水化晶体包裹在各个颗粒表面，填充更多的颗粒间隙，使各颗粒之间连接的更加牢固，使充填体试件强度增加。

从图10和图11可以看出充填体在不同的加载方式下，其强度也不同，这是因为，分级尾砂胶结充填体试件在初始条件下内部是存在着许多为孔隙，为裂隙，初期的循环加卸载会使这些微孔洞微裂隙闭合，使充填体试件更加致密，因此，初期的循环加卸载提高了尾砂胶结充填体的力学性质。

3? 结论

①分级尾砂胶结充填体的弹性模量随着循环加卸载的进行逐渐降低，抵抗弹性变形的能力越来越弱，储存的弹性变性能越来越多，弹性应变能是导致试件破坏的根本原因。②分级尾砂胶结充填体初期的加卸载可以提高充填体整体的力学性能，当临近破坏时，由于充填体内部发生大规模失稳损伤破坏，变形量急剧增大，加载变形模量骤减。③分级尾砂胶结充填体强度试验表明：尾砂胶结充填体试件重量浓度越大其峰值强度就越大，反之重量浓度越小其峰值强度就越小;充填体的峰值强度也随着水泥添加量增大而增大，当单位体积水泥添加量减少时;其峰值强度也随之减小;且单调加载下的峰值强度要小于循环加卸载下的峰值强度。

参考文献：

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[2]张鑫，周宗红，张俊杨，王明华，李益.大理岩单轴循环加卸载失稳声发射先兆研究[J/OL].化工矿物与加工：1-9[2020-02-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1492.TQ.20200117.1135.002.html.

[3]张帆，操旺进，胡大伟，盛谦.高温水冷后循环加卸载条件下花岗岩的渗透性[J/OL].沈阳工业大学学报：1-10[2020-02-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20191104.1046.006.html.

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