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Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 不同灰砂比充填体侧限固结压缩试验研究 卢宇明】，袁志】，张烦晖2 1.桂林航天工业学院能源与建筑环境学院，广西 桂林541000； 2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林541000 摘 要充填体在采场内由于被围岩包围，其力学性能与实验室单轴压缩条件下不同。为了研究采场充 填体的力学性能及规律，提出了不同灰砂比充填体在侧限约束条件下的分级单轴压缩固结试验，分级压力 为 1 kN0. 2 MPa、2 kN0. 4 MPa、4 kN0. 8 MPa、8 kN 1 6 MPa、16 kN 3. 2 MPa、32 kN 6.4 MPa .64 kN12.8 MPa .128 kN25. 6 MPa试验结果表明随着固结压力的增大，充填体压缩量 呈线性增加，灰砂比对充填体压缩量影响不明显；固结应力与压缩率呈二次函数曲线关系；固结前后充填 体的单轴抗压强度增加明显28 d龄期强度值增加幅度达24以上。最后，采用SEM对充填体固结强化 机理进行了分析。 关键词尾砂；充填体；侧限压缩；电镜扫描 中图分类号TD853 文献标识码A 文章编号10044051202008014304 Experimentalstudyonconfinedconsolidationondifferentlime sandratioofbackfilbody LU Yuming1 , YUAN Zhl , ZHANG Binghui2 1. Scho o l o f Energy a nd Building Enviro nment, Guilin University o f Aero spa ce Techno lo gy, Guilin 541000, China； 2 Col ege o f Civil Engineering a nd ArchitectureGuilin University o f Techno lo gyGuilin 541000China Abstract The ba ckfill bo dy is surro unded by surro unding ro ck in the sto pe, a nd its mecha nica l pro perties a rediferentfro mtho seunderla bo ra to ryunia xia lco mpres sio n Ino rderto s tudythe mecha nica lpro perties a ndla wso ftheba ckfilbo dy,thegra dingunia xia lco mpressio nco nso lida tio ntesto fdiferentlimesa ndra tio ba ckfilbo dyunderco nfinedco nstra ints wa spro po sed The cla ssifica tio n pres sure a re 1 kN 0 2 MPa, 2 kN 0 4 MPa, kN 0.8MPa,8 kN 16 MPa, 16 kN 3 2 MPa,32 kN 6.4MPa,64 kN 12.8MPa, a nd128kN 25 6 MPa The test results sho w tha t the fina l co mpressio n o f the ba ckfil bo dy increa sed linea rly with theincrea s e o fthe co nso lida tio n pres sure,a nd the efect o fthelime sa nd ra tio o n the co mpressio nvo lumeo fthefilingbo dyisno to bvio us Theco nso lida tio nstressa ndtheco mpressio nra tio a re in a q ua dra tic functio n curve rela tio nship. The unia xia l co mpressive strength o f the pa cked bo dy befo re a nd a fter co nso lida tio n increa sed significa ntly, a nd the increa se in strength a t 28 da ys is mo re tha n 24. The co nso lida tio n strengthening mecha nism o f the ba ckfill bo dy is a na lyzed by SEM. Keywords ta ilings； ba ckfill bo dy； co nfined co mpressio n； sca nning electro n micro sco pySEM 收稿日期收稿日期2019-07-18 责任编辑责任编辑刘硕 基金项目基金项目广西建筑新能源与节能重点实验室基金项目资助编号桂科能19-J2121 第一作者简介第一作者简介卢宇明1985 男，广西桂林人，工学硕士，讲师，主，主要从事岩土工程、矿山充填力学方面的研究工作,E-ma illuyumingl985 126.co m 通讯作者简介通讯作者简介袁志1984 ,男，江西丰城人，工学硕士，工程师，主要从事岩土工程、地下建筑结构等方面的研究工作,E-ma il65273563 q q . co m。 引用格式引用格式卢宇明，袁志，张炳晖不同灰砂比充填体侧限固结压缩试验研究J*.中国矿业，2020,298143-146. do i10. 12075/j. is n. 1004- 4051 2020 08 010 144中国矿业 第29卷 0引言引言 随着浅部矿产资源的大量开采，深部开采已经 成为必 。。地压问题一直是困扰深 的重 要限制因素，而充填采矿法是解决深 地压问 题的有效 ⑴4*。 。 阶 充填体的 研究主 要在实 ，而充填体在 中的受力环境 比较复杂，充填 浆进入 后, 到上覆 岩层的压力，在压力作用下，充填体发生 ，而充 填 周受到围岩限制， ，由于岩石的刚度远大于充 填体的刚度，在上覆压力的作用下，充填体发生固结 「5「 「6*。 。 往研究充填体的 是采用单轴压 的 限固结压 充填 的 化规律现阶段研究相对较少。。充填 入 【 后，充，充填 随着时间的推移不断 「7*。 。 时， ， 充填体在受到围岩压力作用下产生固结变形，最终 充填体与围岩达到受力平衡，充填 支撑空区稳 定性起到 关键的作用。。综上所述，研究胶结 充填体在侧限压 的 律及强度 研究充填 矿对地 、沉降及采场稳定性方 面有着 重要的 。 。 1试验方案试验方案 沉降 是矿山充填设计中的重要环节，沉降 量的大小 到充填 期服 的安 使用，而压缩性 是沉降计算中必需的 指标。 定压缩性 的 主要有 固结 试 固结试验法。 。 充填试样的固结试 验，观测试样固结后压缩量和固结过程中充填试样 结 面的变化，为充填矿 期服 的充 填 沉降作参考 。。实 制作灰砂 1 16、 、18、 、110,浓度为70的尾砂水泥胶结试块， ， 实 实 养护，养护时间28 d；达到预定龄 期后 限约束单轴压缩固结实验，加载力逐级 递加，分别为 1 kN0. 2 MPa , 2 kN0. 4 MPa、、 4 kN0.8 MPa ,8 kN1. 6 MPa ,16 kN3.2 MPa、、 32 kN 6. 4 MPa 、、64 kN 12. 8 MPa 、、128 kN 25.6 MPa，，固结结束后脱模计算压缩率、测试试 块的单轴抗压 。 。 2 结果分析结果分析 2.1 固结应力下压缩量变化规律 图1为灰砂比为16、 、18、 、110的充填体在不 同固结压力 压缩变化规律。。由图1可知，在 灰砂比一致的 ，随着固结压力的 ，压缩量 ，当固结压力小于16 kN时，充填体压 幅度较小； ；当固结压力大于16 kN时，充 填体压 。。在固结压缩过程中，在最初 期的6 s 压 经达到最终压 的80以 ，随着加载时间的 ，压 。。图2 为灰砂比为16、18、110的充填体在不同固结压 力 的最终压缩量。。由图2可知，随着固结压 力的 ，充填体最终压 性 ，在相同固 结压力 ， ， 灰砂 充填 的最 压 化 ，说明灰砂 充填体压 著。 。 -20 80 180 280 380 480 580 时间/s *8 kN 赶 32 kN 十 128 kN 占 16 kN 64 kN a 灰砂比16 128 kN128 kN 时间/s 昏 32 kN * 64 kN c灰砂比l10 时间/ 廿 32 kN * 64 kN b灰砂比18 图图1不同固结应力下压缩量随加载时间的变化规律不同固结应力下压缩量随加载时间的变化规律 Fig. 1 The variation of compression amount with loading time under different consolidation stresses 2. 2不同应力条件下充填体压缩率变化规律 充填 的压 率 矿 地 ， ， 过大， ， 地 。。充填体压缩率计 ⑴。 Se CH0-Hl/H0 1 式中Se为压缩率；；H为充填体试样的原始高度； ； H, 固结应力压 试样最终高度。 。 图3 充填 试 在 固结 力 压 率 的变化规律。。由图3可知，随着灰砂比的提高，压缩 率 降 。。随着固结应力的 ，压缩率也随 ，固结应力与压缩率呈二次函 关系，其 回归方程一般 2。。 Se E E c 2 式中E为固结应力为回归系数。 。 第8期卢宇明，等不同灰砂比充填体侧限固结压缩试验研究 145 不同固结应力下最终压缩量的变化规律不同固结应力下最终压缩量的变化规律 Thevar/at/onoff/nalcompres/onunder different consolidation stresses 2.3固结压缩后的 律 析固结压缩后的充填体的强度增长规 律，对养护龄期28 d的无固结压 固结压缩条件 的充填体试 单轴压缩试验，测定 压强 度，其测定结果如图4所示。在灰砂比相同的情况 ，固结前后充填体的单轴抗压 ，灰砂 比16固结前后充填体单轴抗压 24.2，灰砂比18增加了 24. 6，灰砂比11 增 加了 32.6 o由于固结压缩过程中，充填试块中的 微裂隙被压缩，使得充填体的刚 ，宏，宏 充填试块的单轴抗压 固结前大幅提高。 。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 皿 o 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 、 鶉岀 ml8 -o -16 1 16 y0.005 9/0.505 3-0.117 6 用0.995 6 拓0.001/0.492 8-0.279 8 人2o 993 6 X70.002 7/0.511 20.191 4 人20.997 6 5 10 15 20 25 30 固结应力/MPa 3 3 图 Fi 不同固结应力下试样的压缩率变化规律不同固结应力下试样的压缩率变化规律 Changes law of compressibility of specimen under different consolidation stress a 固结前尾砂颗粒间隙 EdJVM岀挹 灰砂比 图图4固结前后充填体单轴抗压强度比较固结前后充填体单轴抗压强度比较 Fig. 4 Comparison of uniaxial compressive strength ofthebackfilbeforeandaftercon6olidation 2.4充填体固结强化机理 固结后 的 充 填 试 在 单 轴 压 试 后 取样,并进行扫描电镜试验SEM ，，图5为电镜扫描 b固结后尾砂颗粒间隙c固结前水合产物结构 2 pim Mag 5.00 KX EHT1 5.00 kV Signal ASE2 D ate1 6 D ec 201 7 1---1 WD 1 0.7 mm Time 1 82526 1 0 pm Mag 1 .00 KX EHT1 5.00 kV Signal ASE2 D ate 1 6 D ec 201 7 1---1 WD 1 1 .9 mm Time 1 835] d固结后水合产物结构e固结前水化产物晶体结构 1 5.00 kV Signal ASE2 D ate 1 6 D ec 201 7 1 3 .3 mm Time 1 803 57 .2|jLm, Mag 5.00 KX f固结后水化产物晶体结构 图图5固结后充填体微观结构固结后充填体微观结构 Fig. 5 Backfill body microstructure after consolidation 146中国矿业 第29卷 结果。由图5a 和图5b可知，在充填体固结之后, 充填体样品中尾矿颗粒之间的空隙明显减少，并且 在固结期间压实了大量微孔；由图5c和由图5d 可知,在充填体固结之后，固结的充填体样品中的水 合产物被挤压并且结构变得更紧凑；由图5e和图 5f可知，在充填体固结之后，固结充填体样品中水 化产物的晶体结构没有变化，但是晶体之间的间隔 被挤压，并且水合产物的晶体在固结的充填体样品 变得更紧凑，同时保持原始结构。因此，在充填体固 结之后，充填体样品的整体致密性的增加促进了宏 观强度的增加。 3结论 1 为了模拟和研究充填体在采场内受上覆岩 体压缩机周围围岩限制条件下的力学性能及变化规 律，提出了充填体固结压缩试验方法并制作了相应 的试验模具。 2 随着固结压力的增加，充填体压缩量呈增大 趋势，在固结压缩过程中，在最初期的6 s内其压缩 量已经达到最终压缩量的80以上；固结应力与压 缩率呈二次函数曲线关系，其回归方程一般表达式 为 SE aE boE c。 3 固结前后充填体的单轴抗压强度增加明显， 灰砂比16的充填体强度增加了 24.2，灰砂比18 的充填体强度增加了 24.6，灰砂比1 10的充填 体强度增加了 32. 6。 4 采用SEM对充填体固结强化机理进行了分 析，固结压缩使得晶体之间的间隔被挤压，同时保持 始结 ， 充填 的 性的 促 宏观强度的增加。 ■ 参考文献 1吴爱祥，王，王J，王，王洪江.膏体充填技术现状及趋势金厲矿 山，20161-9. WU Aixia ng， WANG Yo ng， WANG Ho ngjia ngSta tusa nd pro spects o f the pa ste ba ckfill techno lo gy [J*. Meta l Mine， ， 201671-9 2 *王贤来，姚维信，王虎，等矿山废石全尾砂充填研究现状与发 展趋势*中国矿业，2011,2097679. WANG Xia nla i, YAO Weixin, WANG Hu, et a l. The direc tio ns o f RhD o nba ckfilwithwa s tero cka ndto ta lta ilingsin undergro und mine [J*. China Mining Ma ga zine, 2011,209 76-79 3 *张海波，宋卫东评述国内外充填采矿技术发展现状 *中国 矿业 2009 181259-62 ZHANG Ha iboSONG Weido ngDiscussio n o nthecurrent sta teo fba ckfilminingfro mthedo mestica ndfo reigndevel- o pment[J*. China Mining Ma ga zine,2009,1812 59-62. 4 *郭金峰我国地下矿山采矿方法的进展及发展趋势 *金属 矿 200026-9 GUO Jinfeng. Adva nce in China - undergro und mining meth o ds a nd its develo pment trend[J*. Meta l Mine,20002 6-9. 5*王述清，杨鹏，郭良银，等.新城金矿尾砂胶结充填体固结性能 研究 *有色金属矿山部分，2014,6612-15. WANG Shuq ing,YANG Peng,GUO Lia ngyinet a l. Study o n co nso lida tio nperfo rma nceo fcementedta ilingsba ckfilbo dy in Xincheng go ld mine [J*. No nferro us Meta ls, 2014,66 3 12-15 6 *于跟波，杨鹏，陈赞成缓倾斜薄矿体矿柱回采采场围岩稳定 性研究*煤炭学报,201338S2294-298. YU GenboYANG PengCHEN Za ncheng Study o n sur- ro undingro cksta bilityo fpila rextra ctio ninthingentlyin- dined o re bo dy [J*. Jo urna l o f China Co a l So ciety, 2013, 38 S2294-298 7 *于跟波深部幵采尾砂胶结充填体强度特性及变形规律D*. 北京北京科技大学2014.