特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能.pdf

第5 9 卷第2 期 2 0 07 年5 月 有色金属 N o n f e l q o u M e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．2 M a v2 0 0 7 特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能 邓代强，姚中亮，唐绍辉 长沙矿山研究院，长沙4 1 0 0 12 摘 要对安庆铜矿特大型采场不同配比的充填体进行无侧限单轴抗压强度试验，分析单轴抗压强度、平均杨氏模量、泊松 比力学性质的变化及其规律，为特大型矿柱的开采提供前期的数据准备。结果表明。随水泥含量增多，充填体强度基本呈线性增 大；平均抗压强度提高百分率随灰砂比的提高而变小；充填体的平均峰荷应变随水泥含量增加而逐渐增大；在从低配比 i 1 0 向 高配比 I 8 转变的过程中，平均杨氏模量有一个较大的波动充填体的泊松比随灰砂配比的变化不大。 关键词采矿工程；充填体；单轴强度；泊松比；剐性试验机；分级尾砂 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 6 6 0 4 随着经济建设的快速发展，我国对矿产品的需 求量急剧增加，致使埋藏浅的矿产资源越采越少，很 多矿山已经进入深部开拓和开采。深部矿岩大多处 于高应力、大变形状态，巷道开挖和矿床回采时地压 现象比较显著，围岩韵变形位移大，释放的变形能也 很多，要求深部巷道和采场的支护材料要有较好的 抗拉、抗压及吸收弹性变形能的能力，所以充填体抗 压强度的测定和应用具有极为重要的现实意义【1J 。 根据安庆铜矿深部特大型矿柱开采技术条件研究的 需要，在现场充填体单轴抗压强度试验的基础上，对 现场取样的充填体在室内进行了加工，通过力学试 验得出不同力学参数的试验研究结果。试验过程按 照规定u - 3 ] 进行，对充填体的静态单轴抗压强度、 弹性模量、泊松比等进行试验测试，为充填体无侧限 抗压力学参数的研究提供试验依据。 1实验方法 1 ．1 充填体试样制备 安庆铜矿水泥尾砂胶结充填采用该矿选矿厂的 分级尾砂[ 4 - 5 ] ，分级尾砂含硫量为1 ．3 3 ％，密度、实 容重、松散容重、孔隙率、自然安息角如表1 所示。 选厂排出的分级尾砂粒级组成见图1 ，加权平均粒 经D 0 ．1 0 1 7 r a m 、中值粒经d 0 ．0 9 4 r a m 。 胶结材料采用附近水泥厂生产的3 2 5 普通硅 酸盐水泥，充填料浆重量浓度为7 0 ％～7 3 ％。矿房 回采后，水泥和分级尾砂在地表充填站加水搅拌均 收稿日期2 0 0 6 0 2 ～1 6 作者简介邓代强 1 9 7 4 一 ，男，新疆石河子市人，助理工程师，硕 士，主要从事岩体力学和岩土工程等方面的研究。 匀后形成高浓度料浆[ 5 | ，然后通过充填钻孔及井下 管网自流输送至高为1 2 0 m 的采空区，脱水后凝结 硬化形成充填体。所用试样均取自上述充填矿房的 大体积低标号水泥胶结充填体内部深处。 表1 尾砂物理性能 T a b l e1 P h y s i c a lp r o p e r t yo fr a i l i n g s 图l 尾砂粒度组成分布 F i g ．1 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fr a i l i n g s 1 ．2 试样的采集和加工 充填体力学参数室内试验的试样采用现场施工 地质钻孑L 和现场开挖的形式，均取自高大采场大体 积充填体内部纵深处。由于现场钻探和现场开挖得 到的充填体芯直径大多为孛7 5 m m 左右或是不规则 状，要加工成为O p 5 0 m m l l O m m 的标准试件∞一‘7 | ， 因此，使用自动钻石机在直径为0 0 7 5 m m 的岩芯和不 规则状的试样中钻取试件，钻出的试件在室内试验 室的自动岩样切割机上进行切割、打磨后成品试件 为圆柱体，直径为 5 0 m m ，高度为1 l O m m ，高径比约 水、嘲如冬皿 万方数据 第2 期 邓代强等特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能6 7 为2 ．2 1 ，即尺寸为4 5 0 m m 1 1 0 m m 左右，试件承与相邻面不垂直度不超过1 。。试样加工过程如图 压面不平度为每1 0 0 m m 不超过0 ．0 5 m m 。承压面2 所示o u a 一在十7 5 m m 的试样上钻芯； b 一在挖出的试样上钻芯； c 一加工前后的试样 图2 试样制备过程 F i g ．2 P r o c e s so fs a m p l ep r e p a r a t i o n 1 ．3 试验设备 单轴静态抗压试验在I N S T R O N 一1 3 4 2 型电液 伺服控制试验机和M T S 一8 1 5 型伺服液压全数字 刚性压力试验机上完成。I N S T R O N 一1 3 4 2 型电液 伺服控制试验机为动静态试验机，仪器性能的综合 技术指标作动器冲程，5 0 r a m ；拉压最大静荷， 2 5 0 k N ；动荷，1 2 ．5 k N 。M T S 一8 1 5 型伺服液压全 数字刚性压力试验机及试验系统是从美国引进的性 能非常先进的岩石一混凝土材料力学性能测试设 备，系统主机压载为2 6 6 9 k N ，梁柱加载架刚度为 1 0 ．5 1 0 9 N ／m 。 两套试验系统都配置了基于W i n d o w s 平台的 可视化控制操作软件，可跟踪记录时间、荷载、应力、 位移、应变值的大小、荷载一位移、应力一应变曲线 等。全部试验过程由计算机控制，并由计算机保存 全部试验的图形和数据结果。 1 ．4 试验步骤 所有抗压试件用A B 胶水将即将贴片处抹平 后，放在避风无阳光照射处放置2 4 h ，等胶水于了， 将横向、纵向应变片用5 0 2 胶水贴于试件侧面贴片 处，然后焊接传感导线。 压缩试验由4 个步骤完成。 1 从试件存放处 取出试件，测量尺寸并检查外观。试件尺寸应该精 确到1 m m ，并一次计算出试件受力面积。 2 事先 测完波速后，将圆柱体试件两圆面作为受力面，放上 试验机压板后要调整位置，直到试件轴心与压板轴 心对准。 3 在I N S T R O N 试验机上进行单轴抗压 强度、弹模、泊松比试验时，其静态加载速率为 0 ．8 m m ／m i n ，动态加载速率为3 m m ／0 ．7 5 s 。在 M T S 试验机上进行单轴抗压强度、弹模、泊松比试 验时，其静态加载速率为2 1 0 - 6 ／S ～5 1 0 _ 5 ／S 。 4 全部试验过程由计算机控制，并由计算机保存和 输出全部试验的数据结果。 2 静态抗压性能试验结果及分析 试验采用等位移加载控制方式，分别在M T S 一 8 1 5 型I N S T R O N 一1 3 4 2 型刚性试验机上完成。 M T S 上加载位移速率为0 ．0 0 3 m m ／m i n ，I N S T R O N 一1 3 4 2 上加载位移速率为6 m m ／m i n ，试验对l 4 ～ 1 1 5 各配比的充填体作了测试，按照灰砂配比分为 A ～E 五组，共6 7 个试件，部分A 组试件在M T S 上 测试，其余试件在I N S T R O N 上测试。试验加载过 程如图3 所示，部分试验结果见表2 。 表2 部分充填体试件单轴抗压参数 静态 T a b l e2P a r tu n i a x i a lc o m p r e s s i o np a r a m e t e r so fb a c M i l l i n gb o d ys a m p l e s 万方数据 有色金属第5 9 卷 图3 试样加载过程 F i g ．3L o a d i n gp r o c e s so fs a m p l e s 由表2 可以看出，随水泥含量增多，充填体强度 和强度提高率逐渐增大，这种强度增加的趋势基本 遵循线性规律，从图4 可以看出这种趋势。几种不 同水泥含量的充填体的抗压强度提高率与灰砂配比 的关系可以直观地由图5 来描述，平均抗压强度提 高百分率随灰砂比的提高而增大，提高的速率逐渐 变小，最后达到略有上升的趋势。 叠 基 鏊 鬟 黍 岁 ／ 1 6 ／ ／ l 8 ／ M ／ m ／． ％ 水泥含量 图4充填体平均抗压强度与水泥含量的关系 F i g ．4 E f f e c to Ic e m e n tc o n t e n to nm e a nc o m p r e s s i o n 誉 ＼ 谢 健 赠 越 鼎 趟 辖 霜 * s t r e n g t ho fb a c k f i l lb o d y h l O 气 ＼l 8 ～6 当 图5平均强度提高率与水泥含量的关系 F i g ．5 E f f e c to fc e m e n tc o n t e n to ni n c r e a s eo fm e a n c o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fb a c k f i l lb o d y 同时也可以发现随着充填体灰砂配比的提高， 单轴抗压试验中的峰荷位移也随之增加，也即峰荷 应变随着灰砂比的提高而增大，这表现出了充填体 逐渐由脆性变的富有柔韧性，这种关系如图6 和图 7 所示。图6 中的曲线曲率增加，斜率减小，说明峰 荷应变增加的速度越来越趋于平缓，表2 中除了1 1 5 充填体的峰荷应变小于1 1 0 _ ’，其它配比的峰 荷应变均接近或大于1 1 0 _ 。，并且还在不断增大， 与岩石等硬性材料对比，显示出了充填体具有峰荷 应变较大的特性，在支护过程中充填体要达到塑性 变形则需要较长的过程。这对于稳定采场空区结 构，保证相邻工作空间的安全可靠是有利的。 l 4 L 蜕1 ’6 ’ 1 1 5 ， ％ 水泥含量 图6充填体平均峰荷位移与水泥含量的关系 F i g ．6 R e l a t i o no fm e a nd i s p l a c e m e n tf o rp e a kl o a d t Oc e m e n tc o n t e n to fb a c k f i l lb o d y 堡 髻 柱 堑 赛 露 * ～l 4 l j l o 些≯一 l 1 5 ／ ％ 水泥舍量 图7充填体平均峰荷应变与水泥含量的关系 F i g ．7 R e l a t i o no fm e a ns t r a i nf o rp e a kl o a dt O c e m e n tc o n t e n to fb a c k f i l lb o d y 从图8 可以看出，充填体的平均峰荷应变随水 泥含量增加而逐渐增大，在从低配比 1 1 0 向较高 配比 1 8 转变的过程中，平均杨氏模量有一个较大 的波动，这主要与充填体的力学性质的过度和变化 有关，曲线随后趋于缓和，表现出总体上升的趋势。 山 望 嘲 辎 戗 耀 醚 漂 露 1 ；L ／卜4 y 1 8 l j 妙 1 1 5 7 图8充填体平均杨氏模量与水泥含量的关系 F i g ．8 R e l a t i o no fm e a nY o u n g sm o d u l o u st O c e m e n tc o n t e n to fb a c k f i l lb o d y 从图9 各配比充填体平均泊松比与灰砂配比关 系曲线可以看出，充填体的泊松比随灰砂配比的变 化不大，只是略微有所波动，所以水泥含量并不能够 改变充填体泊松比的性质。 5 2 9 6 3 9 ∽ ％ 瞄。幔 EⅢ，簿辽瞎鹫趟堰露* 万方数据 第2 期邓代强等特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能6 9 丑 警 Ⅱ 霸 * I 1 5 1 8 1 4 ． i 1 0 i 6 水泥含量 图9充填体平均泊松比与水泥含量的关系 F i g ．9 R e l a t i o no fm e a nP o i s s o nr a d ot oc e m e n t c o n t e n to fb a c k f i I { b o d y 3结语 充填体试样单轴压缩的破坏形式复杂多变，但 最终的破坏多数是与轴向近乎平行的劈裂破坏，或 称充填体试样单轴抗压强度的降低是由于试样内部 的拉伸破坏造成的。充填体的弹性模量较低，与岩 石相差两个数量级。岩石的破坏一般表现为脆性， 而充填体在受压破坏时表现出很强的塑性，其破坏 参考文献 过程为缓慢渐进的，而不是突发的，这对于充填矿山 的安全是有利的。与动载作用相比较，静态作用下 充填体的单轴抗压强度和弹性模量减小，泊松比基 本相同。 从破坏后的断裂面可见，由于充填体内部砂浆 基体和界面的强度较低，控制充填体材料断裂的是 胶凝界面和砂浆本身的强度，集料中粗细尾砂基本 是从基体拉出，这种破坏特性对充填体的断裂影响 不大。作为一种低标号素混凝土，充填体在充填采 矿中得到了广泛的应用，其力学性质及其破坏过程 的研究对于采矿、地下空间、水电筑坝以及道路水泥 土工程都是非常有益的。充填体的力学模型都是基 于其材料的宏观结构进行研究其力学性能，把充填 材料理想化为质地均一的结构体来进行研究，用实 验室尺度下微观模型力学试验的结果作为材料的力 学参数，以此来对工程实际中更广泛的现场结构力 学特性进行分析。 [ 1 ] 徐志英．岩石力学[ M ] ．北京中国水力水电出版社，1 9 9 3 3 0 5 6 ． [ 2 ] 肖树芳．杨淑碧．岩体力学[ M ] ．北京地质出版社，1 9 8 7 3 9 6 7 ． [ 3 ] 中国建材研究院水泥所，水泥性能及其检验[ M ] ．北京中国建材工业出版社，1 9 9 4 2 3 5 2 5 9 ． [ 4 ] 长沙矿山研究院，北京有色冶金设计研究总院．安庆铜矿矿柱1 2 0 m 高阶段大直径深孔强化开采与充填体稳定性试验研 究[ R ] ．长沙长沙矿山研究院，1 9 9 7 1 9 ． [ 5 ] 邓代强．安庆铜矿特大型采场充填体力学性能、损伤及稳定性研究[ D ] ．长沙长沙矿山研究院，2 0 0 5 1 2 2 3 ． [ 6 ] 邓代强，姚中亮，唐绍辉，等．充填体单轴压缩韧性性能试验研究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 5 ，2 5 5 2 6 3 0 ． B a c k f i l lB o d yM e c h a n i c a lP r o p e r t i e su n d e rU n i a x i a l C o m p r e s s i o ni nS u p p e rL a r g e - s c a l eS t o p e D E N GD a i q i a n g ，Y A OZ h o n g - l i a n g ，T A N GS h a 伊h u i C h a n g s h aI n s t i t u t e 衫M i n i n gR e s e a r c h ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee x p e r i m e n t so nt h eu n c o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fh a c k f i l lb o d yw i t hv a r i o u sr a t i oo tc e m e n tt Ot a i l i n g si nt h es u p p e rl a r g e s c a l es t o p eo fA n q i n gC o p p e rM i n ea r ec o n d u c t e d ．T h ev a r i a t i o na n dt h e c h a n g er u l eo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a c k f i l ib o d y ，s u c ha su n i a x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，m e a nY o u n g s m o d u t o u sa n dP o i s s o nr a t i oe t c ．a r ea n a l y z e d ．T h i si n v e s t i g a t i o ni sf i r s t p h a s ed a t ap r e p a r a t i o n sf o rt h em i n i n g d e s i g no fs u p p e rl a r g e s c a l ep i l l a r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf o l l o w i n gi n c r e a s eo fc e [ m e n tc o n t e n tt h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o n s t r e n g t ho fb a c l d i Hb o d yb e h a v e dl i n e a r i t ya g g r a n d i z e m e n t ，a n dt h ep e r c e n to fm e a D _ s t r e n g t hd e c r e a s eg r a d u a l l y ，b a c k f i l l b o d yh a st h es p e c i a l i t yo fs t a i na tp e a kl o a di sb i g g i s ht h a ns o m eo t h e rc o n c r e t ea n dr o c km a t e r i a l s ，i t sm e a ns t a i na t Ⅸ瘟 l o a di n c r e a s ef o l l o w i n gi n c r e a s eo fc e m e n tc o n t e n t ，f r o ml o wr a t i ot oh i g hr a t i oo fc e m e n ta n dr a i l i n g st h em e a nY o u n g s m o d u l o u sh a v ef lb i gf l u c t u a t ei nn u m e r i c a lv a l u e ，b u tt h eP o i s s o nr a t i od o e sn o ts o ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；b a c k f i l lb o d y ；u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ；P o i s s o nr a t i o ；r i g i dt e s t i n g m a c h i n e ；c l a s s i f i e dt a i l i n g s 万方数据