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超细全尾砂充填体动态力学特性研究
2020-02-20
充填体作为人工矿柱,为矿房回采创造了条件,但经常受到爆破等冲击荷载作用。充填体的动态力 学特性直接关系到充填采矿法的安全高效实施。通过单轴压缩试验和分离式霍布金森压杆(Split Hobkinson Pressure Bar,SHPB)试验技术,进行了不同充填配比参数的超细全尾砂充填体压缩试验,得到其静载和动载下的应力 —应变曲线和能量变化曲线,并分析了其破坏模式。研究表明:充填体质量浓度越高,灰砂比越大,峰值应力和峰 值应变随之增大,呈现正相关性,其中灰砂比和质量浓度对应力的影响相对一致,但应变受质量浓度影响更大;当 冲击荷载由0.3 MPa增大至0.6 MPa时,充填体的破坏形式由保持完整...
Series No. 523 January 2020 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 523 期 2020 年第 1 期 超细全尾砂充填体动态力学特性研究 刘恩彦1,2 刘福春1 熊有为11 1. 长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙410000;2. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083) ( 摘 要 充填体作为人工矿柱,为矿房回采创造了条件,但经常受到爆破等冲击荷载作用。充填体的动态力 学特性直接关系到充填采矿法的安全高效实施。通过单轴压缩试验和分离式霍布金森压杆(Split Hobkinson Pres- sure Bar,SHPB)试验技术,进行了不同充填配比参数的超细全尾砂充填体压缩试验,得到其静载和动载下的应力 — 应变曲线和能量变化曲线,并分析了其破坏模式。研究表明:充填体质量浓度越高,灰砂比越大,峰值应力和峰 值应变随之增大,呈现正相关性,其中灰砂比和质量浓度对应力的影响相对一致,但应变受质量浓度影响更大;当 冲击荷载由 0.3 MPa 增大至 0.6 MPa 时,充填体的破坏形式由保持完整形态变为产生裂纹,直至被压碎,转变为完全 失稳破坏状态;充填体能量吸收随着冲击荷载的增加而逐渐递增,但质量浓度和灰砂比增大时,充填体比能量和能 量吸收率反而下降,其中灰砂比是影响充填体吸能效率的主要因素,质量浓度次之。 关键词 充填开采 超细全尾砂 冲击荷载 动态力学特性 分离式霍布金森压杆 中图分类号 TD853 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2020)-01-1081-08 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202001010 Study on the Dynamic Mechanical Properties of Ultrafine Tailing Backfill 1 ,2 1 12 Liu Enyan Liu Fuchun Xiong Youwei ( 1. CINF Engineering Co.,Ltd.,Changsha 410000,China; 2 . School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) Abstract Backfill materials create conditions for mining as an artificial pillar but it is often subjected to impact loads such as blasting.The safe and efficient implementation of the backfilling mining method is affected by the dynamic mechanical properties of the backfill.Through compression experiment of ultra-fine full tailings backfill which was carried out by uniaxial compression test and SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)test,the stress-strain curves and energy curves under static and dynamic loads were obtained and the failure mode could be analyzed.The study results show that:the higher the mass concen⁃ tration and cement-sand ratio of backfill was,the larger peak stress and strain would be;the dynamic mechanical properties of backfill are positively correlated;the effect of cement-sand ratio and mass concentration on stress was relatively consistent,but the strain was more affected by mass concentration;when the impact load increases from 0.3 MPa to 0.6 MPa,the failure form of the backfill changes from maintaining a complete shape to producing cracks,until it was crushed,and the backfill changes to a state of complete instability failure;the amount of filling energy absorption increases gradually with the rise of impact load;when the mass concentration and cement-sand ratio increase,the specific energy and energy absorption of the backfill de⁃ crease,the cement-sand ratio was the main factor affecting energy absorption efficiency of the backfill,followed by the mass concentration. Keywords Filling mining,Ultrafine tailing,Impact compressive loading,Dynamic mechanical properties,Split hopkin⁃ son pressure bar 充填开采既可以解决尾砂地表堆存的难题,又可 以有效处理地下采空区,避免地表沉降,实现“一废治 岩爆等多种作用,其力学性能是确保充填采矿作业安 全高效实施的重要保障。因此,充填体的力学性能得 [1-3] [4] 两害”的目标,是地下金属矿山的首选采矿方法 。充 填体在井下可作为人工矿柱,发挥支撑顶板冒落、防止 到了研究者们的高度重视。Cui 等 研究了充填体结 构在配比、充填、围岩和养护条件变化下的干缩过程, 收稿日期 · 81 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 并结合充填体热力、水力、机械和化学过程的耦合以 及固结机理,建立了充填体干缩预测模型;Walske [5] 等 通过调整充填料浆的搅拌时间,测定容重和泌水 率等物性参数及其微观结构,量化分析了搅拌时间 对充填体强度的影响规律,并确定了最优的搅拌时 [6] 3D 间;刘光生等 结合米切尔法和 FLAC 数值模拟方 法,研究不了同介质接触作用对充填体侧向推力的 [7] 作用机理,并提出了米切尔法修正模型;张超等 基 于废石和风砂开展堆积密度试验,量化分析了堆积 密度、灰砂比、质量浓度等因素对充填体强度的影响 规律,并获得了最优的混合骨料堆积密实度。充填 材料特性和围岩与充填体的相互作用等都影响了充 填体的力学性能,但采矿爆破或凿岩台车、铲运机等 设备作业过程中形成的冲击荷载也是不容忽视的影 [ 8] [9] 响因素。对此,张钦礼等 、杨伟等 分析了充填体 受冲击荷载作用后充填体试件抗压强度的变化规 律,发现其受灰砂比和应变率影响很大,同时充填体 波阻抗较小,对弹性应力波传播有较强的阻尼作用; 本研究通过 XRD 射线衍射仪测定了全尾砂的化 学元素和主要矿物成分,结果如图 2 和表 2 所示。全 尾砂石英(SiO)的含量达到 30.04%,黄铁矿(FeS)占 2 2 7.41%,高岭石占 37.26%,仅从化学成分看,对充填体 强度没有不利影响。 [10] 张云海等 分析了中等应变率动载条件下分层充填 体的动态力学特性及变形破坏规律,发现其抗压强 度及强度增长因子与应变率成正相关性,同时基于 Stenerding-Lehnigk 准则推导了改进方程,并以此作 [11] 为分层充填体的稳定性判据;朱鹏瑞等 通过分离 式霍布金森压杆试验技术研究了应变率和充填体动 态强度增强因子的相关性,并根据其应力—应变曲 线分析了其破坏机理。 现阶段,国内外学者普遍专注于充填体的静载 力学特性研究,较少涉及充填体的动态力学特性,主 要着眼于灰砂比和应变率对充填体的影响以及冲击 荷载下充填体能量的变化规律,但尾砂粒径级配也 是影响充填体性能尤其是动态力学特性的一个重要 因素,不可忽视。为此,本研究针对超细粒径全尾砂 充填体,研究其在冲击荷载下的力学特性及其变化 规律,为超细全尾砂充填体的工程应用提供依据。 1 . 2 充填体试件制备 充填体试件制备时,根据充填配比要求将全尾 砂、水泥和水依次加入搅拌桶并充分搅拌至均匀,再 灌入 ϕ50 mm×50 mm 钢管模具(模具涂油便于拆 模),待充填料浆初凝后可脱模,充填体试件置入养 护箱养护,制备流程如图 3 所示。养护箱温度 18 ℃, 湿度95%。 1 试验材料及试件制备 1 . 1 试验材料 试验采用的充填骨料为安徽某矿山全尾砂,胶 凝材料为 32.5 号普通硅酸盐水泥,充填用水为普通 自来水。全尾砂的粒径分布、密度、成分组成等对充 2 充填体力学性能试验 [12] 填体质量存在不容忽视的影响 。通过室内物理试 验测定全尾砂的密度、渗透性等参数,并采用 Malvern 激光粒度仪测定其粒径分布,测定结果如图 1 和表 1 2 . 1 试验方法 1)单轴压缩试验。充填体单轴压缩试验 用 INSRON1246 液压伺服材料试验机,其最大载荷 00 kN,其轴向变形最大测量范围 500 mm,测量精度 优于示值 1%,加载速度设为 0.05 mm/s,试验通过计 [16] ( 采 [13] [14] 所示。结合 Grice 和吴爱祥等 总结的全尾砂分类 标准,试验所用的全尾砂属于细粒级全尾砂。 3 · 82 · 刘恩彦等:超细全尾砂充填体动态力学特性研究 2020年第1期 养护龄期均为 28 d。为便于充填体静载和动载试验 结果的对比分析,充填体试件尺寸为 ϕ50 mm×50 mm。单轴压缩试验分 3组,测试结果见表 3。本研究 SHPB 试验的冲击气压为 0.2~0.6 MPa,共进行了 3 组 试验,部分试验结果见表 4。 算机采集静载作用下试件从加载至破坏过程中的应 力应变数据,试验设备见图4。 (2)分离式霍普金森杆单轴冲击试验。基于弹 性一维应力波理论的分离式霍普金森(SHPB)压杆试 验技术已经被广泛应用于岩石、混凝土等材料动态 [15-16] 力学性能的测试 ,该型试验设备如图 5 所示。 SHPB 试验系统由发射装置、冲头、入射杆和透射杆 等组成,试件置于两个弹性杆(入射杆和透射杆)之 间,控制冲击气压调节充填体试件的应变率,通过加 载的应变片采集试验数据。 3 充填体动态力学性能分析 3 . 1 充填体动态力学特性 图 6 为充填体试件在动载作用下的应力—应变 曲线。曲线上呈现出数个应力波峰,而静载下试件 应力—应变曲线仅为单波峰且最大峰值应力较低, 同时波峰出现点也较为靠后,两者相差较大。在较 低冲击荷载(0.3 MPa)作用下,动载应力—应变曲线 达到第一峰值(4.32 MPa)后开始小幅度下降,随后又 逐步上升至最终的应力峰值(6.12 MPa),充填体试件 2 . 2 试验方案及结果 在试验之前通过调研获得该矿山现阶段二步骤 采场充填体配比参数为:灰砂比 1∶7、质量浓度 72%。 以此为基础确定本研究试验方案,充填体试件灰砂 比为 1∶4、1∶7 和 1∶10,质量浓度为 70%、72% 和 74%, · 83 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 [ 17-18] 呈现“硬化”特性。而在较高的冲击荷载(0.4 MPa)作 用下,曲线的变化规律截然相反,应力快速达到最大 峰值(9.85 MPa)后迅速下降,随后又小幅度上升达第 二峰值(3.68 MPa),其应力值远小于第一峰值,充填 体试件呈现“软化”特性。 试件的力学性质区别。该类参数计算公式为 : ì K = σ /σ s ï íP = ε /ε, (1) s s ï îH = E /E s s 式中,σ 为动态峰值应力;σ为静载峰值应力;ε 为动 态峰值应变;ε 为静载峰值应变;Es 为动态峰值弹性 s s 模量;E为静载峰值弹性模量。 图 7(a)为充填体动态强度增长因子变化曲线。 由图中可以发现充填体动态强度相对静载强度明显 升高,但强度增长幅度受冲击荷载影响,当冲击荷载 较低时,其增长幅度较小,当冲击荷载增大时,强度增 长速度也变快,同时该曲线存在峰值点,表明充填体 存在强度极限。动静应变比曲线呈现出同样的特性 ( 图 7(b))。动载下试件的最大应变均小于静载时试 件的应变,如图 7(b)所示,试件应变与冲击荷载呈现 线性相关性。由动静弹模比曲线(图7(c))分析发现, 动载下试件的弹性模量快速增长,由3.7增长至19.1。 本研究通过动态强度增长因子K、动静应变比 Ps 和动静弹模比 Hs 研究冲击荷载和静载条件下充填体 充填体质量浓度和灰砂比对其动态峰值应力和应 变的影响如图8所示。从图中可以发现充填体质量浓 度越高、灰砂比越大,峰值应力和峰值应变都显著增 长,但该两个影响因素是协同作用于充填体的强度特 性,并非相互独立和线性的,如图中可以划分出较为明 显的 3个区域。分析图 8(a)可知:峰值应力低值区域 3. 2 充填体破坏形式 冲击荷载下,充填体的破坏形式变化极大,如图9 所示。当冲击荷载小于0.37 MPa时,充填体试件仍保 持较为完整的形态,试件内部仅发生了一定的弹性变 形,仍能够保持原有的稳定性;当冲击荷载为0.37~0.4 MPa时,试件产生了少量的裂纹,有的裂纹贯穿整个试 件,残余强度有所降低,此时试件内部在冲击载荷作用 下产生了一定程度的塑性变形,导致试件整体稳定性 降低;当冲击荷载大于0.4 MPa时,试件被压碎,无残余 强度,处于完全失稳破坏状态。 (6.64~7.68 MPa)集中在左下角,占比为 9.5%,该区域 主要影响因素为灰砂比,质量浓度次之;高值区域 ( 12.91~15 MPa)集中在右上角,占比为 16.8%;其余皆 为中值区域(7.68~12.91 MPa),占比为 73.7%,灰砂比 和质量浓度对这两部分区域的影响相对一致。峰值 应变分布区域与之差别较大(图 8(b)),其低值区域 3. 3 充填体能量变化规律 3. 3. 1 充填体能量变化规律 ( 5. 4‰~6.8‰)同样集中在左下角,占比仅为 5.4%,该 区域的主要影响因素同样为灰砂比,质量浓度次之;高 值区域(13.5‰~16.2‰)集中在上部,占比很高达到 充填体试件在冲击过程中伴随着能量的变化,灰 砂比对比能量吸收(Specific Energy Absorption,SEA)的 影响表现为单峰曲线,质量浓度对SEA的影响体现为 线性负相关,两者相互耦合影响了充填体的能量吸收 效果。质量浓度越高、灰砂比越大,充填体比能量吸收 5 8.5%,该区域受质量浓度影响最大,灰砂比较小;其余 部分为中值区域(6.8‰~13.5‰),占比为 36.1%,这一 区域中,灰砂比和质量浓度对应变的影响趋于一致。 [ 19-20] 越低。充填体能量参数计算公式为 · 84 · 刘恩彦等:超细全尾砂充填体动态力学特性研究 2020年第1期 式中,SEA为比能量吸收;Ws 为吸收能;Vs 为充填体试 件体积;SUP 为能量吸收率;Wi 为入射能;Wr 为反射 能;Wt 为透射能。 充填体试件受冲击荷载作用后的能量演变规律 如图 10 所示。由该图分析可知:入射能和反射能变 化规律相似,两者在数值上也较为相近,表明反射能 紧密跟随入射能的变化而变化,而透射能及其上升 幅度均相对较小;入射能和反射能的曲线呈现线性 相关特性,但透射能曲线呈多峰曲线,波动比较多, 较为离散;充填体能量吸收基本随着冲击荷载的增 加而逐渐递增,呈现线性增长特性,表明该材料的吸 能作用较好。 ì SEA = W /V s s s /W ï í SUP = W , (2) i ï îW = W - W - Wt s i r 3 . 3. 2 冲击荷载对充填体吸能效率的影响 充填体试件比能量吸收情况如图 11所示。分析 该图可知:冲击荷载越大,充填体比能量吸收值越 大,呈线性增长;不同冲击荷载下,充填体比能量吸 · 85 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 收特性截然不同,当冲击荷载大于 0.33 MPa 时,灰砂 比越高,充填体比能量吸收越多,当冲击荷载小于 0 .33 MPa 时,同等冲击荷载作用下,充填体比能量吸 收与灰砂比不呈现相关性。充填体试件能量吸收率 呈单峰曲线变化,如图 12所示。由该图可知:充填体 最大能量吸收率为 4.2%~5.6%。 过程对充填体微观结构的组成及分布影响极大。本 研究通过电镜扫描技术对充填体微观结构进行分 析,来研究灰砂比和质量浓度对超细全尾砂充填体 性能的影响规律。电镜扫描结果如图 14 所示,图中 针状物为钙钒石(AFt),网络絮状物为 C—S—H 凝 胶,黑色区域为充填体孔隙。 3 . 3. 3 充填配比参数对充填体吸能效率的影响 充填体比能量吸收曲面特性如图 13(a)所示。 分析该图发现:灰砂比对 SEA 的影响表现为单峰曲 线,而质量浓度对 SEA 的影响体现为线性负相关,两 者相互耦合影响充填体能量吸收效果,质量浓度越 高,灰砂比越大,充填体比能量吸收越低,同时 SEA 曲面整体上近似一斜面,局部区域稍有卷曲,如质量 浓度为 73%~74% 和灰砂比为 0.1~0.12 的区域。通过 图 13(b)分析发现:质量浓度越高,灰砂比越大,充填 体能量吸收率总体呈现下降趋势,但局部区域有波 动变化,表现为 SUP 曲面呈现下凹型,如灰砂比为 灰砂比在微观层次上表征水化产物和充填骨料 的黏结效果,分析图 14(a)和图 14(b)可知,当充填体 质量浓度为72%,灰砂比由1∶4转变为1∶7时,水泥含 量降低,致使生成的水化产物(钙钒石和凝胶体)减 少,水化产物和充填骨料之间的黏结面积降低,同时 水化产物无法有效填满充填骨料之间的孔隙,充填 体孔隙率增大,两相作用导致充填体宏观强度降低。 充填体强度与孔隙率存在反比关系,分析图 14 0 .14~0.18 的区域,其形态差异主要在于灰砂比对 ( b)和图 14(c)可知,当充填体质量浓度由 72% 增大 至 74%,同时灰砂比都为 1∶7 时,充填用水量降低,表 明水泥的水化反应程度更充分,充填浆体固化过程 中的泌水率更低,同时生成的水化产物更多并紧密 结合在一起,最终形成的充填体孔隙体积大大减少, 由此提高了充填体的强度。 SUP 的影响体现为下凹曲线。充填体比能量吸收和 能量吸收率的变化规律表明,灰砂比为影响充填体 吸能效率的主导因素,质量浓度次之。 3 . 4 充填体微观机理 材料的微观结构决定宏观性能,充填体的微观 结构是由水化产物、骨料和界面过渡区三相共同构 成,灰砂比和质量浓度决定水化反应速度和程度,该 4 结 论 (1)冲击荷载作用下,充填体的应力—应变曲线 · 86 · 刘恩彦等:超细全尾砂充填体动态力学特性研究 2020年第1期 Wen Ruicheng.Study on advantages and application of filling mining 为多波峰曲线,峰值应力较静载充填体应力显著增 大。不同冲击荷载下,充填体应力最大值出现的波 峰位置也不相同,呈现充填体“硬化”或“软化”特性。 method[J].World Nonferrous Metals,2019(5):50,52. [ 2] 衣福强 .充填采矿法的应用与优化研究[J].世界有色金属,2019 (9):55,57. (2)充填体质量浓度越高,灰砂比越大,峰值应 Yi Fuqiang.Application and optimization of filling mining method[J]. World Nonferrous Metals,2019(9):55,57. 力显著增大,呈现正相关性,其主体部分为中值区域 [3] 代 桢.上向分层充填法在实际生产中的应用与研究[J].世界有色 ( 7.68~12.91 MPa),灰砂比和质量浓度对主体区域的 影响相对一致。峰值应变随质量浓度增高和灰砂比 增 大 而 增 大 ,其 主 体 部 分 为 高 值 区 域(13.5‰~ 金属,2018(18):288-289. Dai Zhen.Application and research of upward slicing filling method in actual production[J]. World Nonferrous Metals,2018(18): 288- 1 6.2‰),但该区域受质量浓度影响最大,受灰砂比影 2 89. 响较小。 [4] Cui L,Fall M. Modeling of self-desiccation in a cemented backfill structure[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2018,42:558-583. (3)充填体的破坏形式受到冲击荷载大小影响 较大,当冲击荷载小于 0.37 MPa 时,充填体试件仍保 持较为完整的形态,试件内部仅发生了一定的弹性 变形,仍能够保持原有的稳定性;当冲击荷载为 0.37~ [ 5] Walske M L,Mc W H,Doherty J,et al.Influence of curing tempera⁃ ture and stress conditions on mechanical properties of cementing paste backfil[l J].Canadian Geotechnical Journal,2015,53:148-161. [6] 刘光生,杨小聪,郭利杰.基于采充时序的空场嗣后充填体强度要 求优化研究[J].有色金属工程,2019,9(10):85-94. 0 .4 MPa时,试件产生了少量的裂纹,有的裂纹贯穿整 个试件,残余强度有所降低,此时试件内部在冲击载 荷作用下产生了一定程度的塑性变形,导致整体稳 定性降低;当冲击荷载大于 0.4 MPa 时,试件被压碎, 无残余强度,处于完全失稳破坏状态。 Liu Guangsheng,Yang Xiaocong,Guo Lijie. Optimization research on backfill strength requirement of open stoping with subsequent backfill mining based on excavating and filling sequences[J].Nonfer⁃ rous Metals Engineering,2019,9(10):85-94. (4)充填体能量吸收随着冲击荷载的增加而逐 [7] 张 超,胡亚飞,王延春,等.骨料堆积密实度对充填体强度影响的 渐递增,呈现线性增长特性,表明该材料的吸能作用 较好。质量浓度越高,灰砂比越大,充填体比能量和 能量吸收率总体呈现下降趋势,但局部区域有波动 变化,两者相互耦合共同作用于充填体能量吸收,其 中灰砂比为影响充填体吸能效率的主导因素,质量 浓度次之。 规律研究[J].矿业研究与开发,2019,39(8):96-100. Zhang Chao,Hu Yafei,Wang Yanchun,et al.Study on law of influ⁃ ence of aggregate packing density on the strength of filling body[J]. Mining Research and Development,2019,39(8):96-100. [ 8] 张钦礼,杨 伟,杨 珊,等.动载下高密度全尾砂胶结充填体稳定 性试验研究[J].中国安全科学学报,2015,25(3):78-82. Zhang Qinli,Yang Wei,Yang Shan,et al.Test research on stability of high density total tailing cemented backfilling under dynamic load⁃ ing[J].China Safety Science Journal,2015,25(3):78-82. (5)本研究主要分析了在冲击荷载作用下超细 全尾砂充填体的力学性能,为更充分了解充填体的 动态力学特性,需对充填体在冲击荷载作用下的声 发射现象和内部裂隙演变规律进行进一步研究。 [9] 杨 伟,陶 明,李夕兵,等.高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体 力学性能影响[J].东北大学学报:自然科学版,2017,38(11):1659- 1 663. Yang Wei,Tao Ming,Li Xibing,et al.Mechanical properties of the to⁃ tal tailing cemented backfilling impacted by cement-sand ratio un⁃ der high strain rate[J].Journal of Northeastern Universitya:Natural Science,2017,38(11):1659-1663. 参 考 文 献 [ 1] 文瑞成 .充填采矿法的优势及应用研究[J].世界有色金属,2019 (5):50,52. [10] Zhang Y H,Wang X M,Wei C,et al.Dynamic mechanical properties · 87 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 and instability behavior of layered backfill under intermediate strain [16] 罗 涛.尾砂胶结充填体单轴压缩损伤及次声特性研究[D].赣州: 江西理工大学,2016. rate[s J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2017,27 ( 7):1608-1617. Luo Tao.The Study of the Damage and Infrasonic Characteristics in Uniaxial Compressive of Uniaxial Compressive of the Cemented Tail⁃ ing Backfil[l D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technol⁃ ogy,2016. [ 11] 朱鹏瑞,宋卫东,徐琳慧,等.冲击荷载作用下胶结充填体的力学特 性研究[J].振动与冲击,2018,37(12):131-137,166. Zhu Pengrui,Song Weidong,Xu Linhui,et al.A study on mechanical properties of cemented backfills under impact compressive loading [17] David L H,Eytan K,Boaz K,et al.Experimental and numerical inves⁃ tigation on the dynamic increase factor of tensile strength in concrete [J].International Journal of Impact Engineering,2018,114:93-104. 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