高溫對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響

熊 睿

(江西銅業(yè)集團(tuán)東同礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西撫州市 331812)

高溫對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響

熊 睿

(江西銅業(yè)集團(tuán)東同礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西撫州市 331812)

為了研究高溫對(duì)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響，在實(shí)時(shí)高溫和高溫冷卻后2種情況下分別對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):高溫作用下，充填體的溫度應(yīng)變、熱膨脹系數(shù)與溫度存在增長(zhǎng)函數(shù)關(guān)系，高溫作用冷卻后，充填體溫度應(yīng)變隨溫度升高而增加，在200℃達(dá)到峰值，隨后又降低；實(shí)時(shí)高溫作用下，充填體的抗壓強(qiáng)度從25℃時(shí)的4.2 MPa降低至300℃時(shí)的2.3 MPa，彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa；高溫作用冷卻后巖樣的抗壓強(qiáng)度從25℃時(shí)的4.2 MPa降低至300℃時(shí)的2.1 MPa，彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.10 GPa。

高溫；膠結(jié)充填體；力學(xué)性質(zhì)；變形

0 引 言

隨著礦山開采深度的增大，井下溫度也會(huì)越來(lái)越大。充填采礦是未來(lái)采礦的發(fā)展方向，研究高溫對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響具有重要的工程意義。目前，關(guān)于溫度對(duì)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響研究還很少，文獻(xiàn)[1～8]對(duì)溫度作用下巖石力學(xué)行為進(jìn)行了研究。本文采用會(huì)寶嶺鐵礦全尾砂膠結(jié)充填試樣作為實(shí)驗(yàn)樣品研究溫度的影響，其料漿濃度為75%，水泥用量為9.5%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為90 d。

1 試驗(yàn)概況

1.1 充填體制備

本試驗(yàn)采用直徑50mm、高100mm的圓柱形試模，在試模內(nèi)進(jìn)行充填漿料的澆注，養(yǎng)護(hù)72 h后進(jìn)行試件脫模，每做完一組編上組號(hào)與日期，并送恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。充填體平均單軸抗壓強(qiáng)度為4.2 MPa。

1.2 充填體單軸壓縮試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖石力學(xué)研究所研制的RMT－150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，充填體經(jīng)實(shí)時(shí)高溫作用的單軸壓縮試驗(yàn)分成12組實(shí)驗(yàn)，每組3塊試樣，共有36塊充填體，每組分別由室溫(冬天)以2℃/s的速率分別升高到25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，175℃，200℃，225℃，250℃，275℃，300℃，為了確保充填體內(nèi)外受熱均勻，保持目標(biāo)溫度20min再進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用位移控制，加載速率設(shè)定為0.0015mm/s。

充填體經(jīng)高溫作用冷卻后的單軸壓縮試驗(yàn)共分為12組實(shí)驗(yàn)，每3個(gè)為一組，共有36塊充填體。每組以2℃/s速率分別由常溫(冬天)升溫至25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，175℃，200℃，225℃，250℃，275℃，300℃，加熱后保持目標(biāo)溫度20min，讓其自然冷卻至常溫狀態(tài)，再進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用位移控制，加載速率設(shè)定為0.0015mm/s。

2 充填體變形隨溫度變化規(guī)律

2.1 實(shí)時(shí)高溫作用對(duì)充填體的溫度應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)影響

實(shí)時(shí)高溫作用下充填體的溫度應(yīng)變、熱膨脹系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系分別如圖1和圖2所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，充填體的變形也隨著改變，而且變形速度較快。25℃～300℃，充填體的溫度應(yīng)變近似成正比例增長(zhǎng)，熱膨脹系數(shù)成指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，25℃～200℃之間增長(zhǎng)緩慢，200℃～300℃之間快速增長(zhǎng)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到實(shí)時(shí)高溫作用下膠結(jié)充填體的溫度應(yīng)變隨溫度變化的表達(dá)式:

Ε(t)＝8.23458×10－8＋8.0303×10－6t(相關(guān)系數(shù)R2＝0.97132)；

充填體的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的表達(dá)式:

Y(t)＝5.14426×10－7×exp(－t/－153.93105)＋4.28815×10－6(相關(guān)系數(shù)R2＝0.97447)。

圖1 實(shí)時(shí)高溫作用下充填體的溫度應(yīng)變

2.2 高溫作用冷卻后對(duì)充填體的溫度應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)影響

實(shí)時(shí)高溫作用冷卻后充填體的溫度應(yīng)變、熱膨脹系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系分別如圖3和圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，25℃～200℃之間，溫度應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而增加，在200℃時(shí)出現(xiàn)峰值，隨后降低。而且溫度應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，這是因?yàn)楫?dāng)升溫產(chǎn)生的應(yīng)變小于降溫產(chǎn)生的應(yīng)變的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變，熱膨脹系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。通過對(duì)數(shù)據(jù)的多項(xiàng)擬合，得到膠結(jié)充填體溫度應(yīng)變隨變化的表達(dá)式:

Ε(t)＝－0.14＋0.14×exp(－0.5×((t－200)/ 67.2)2)(相關(guān)系數(shù)R2＝0.86926)；

熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的表達(dá)式:

Y(t)＝－0.0014/(1＋(t/115)3)(相關(guān)系數(shù)R2＝0.82466)。

3 充填體力學(xué)性能隨溫度變化規(guī)律

3.1 實(shí)時(shí)高溫作用對(duì)充填體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

根據(jù)實(shí)時(shí)高溫作用下充填體單軸壓縮實(shí)驗(yàn)所得的充填體抗壓強(qiáng)度平均值和彈性模量平均值如表1所示。

圖3 高溫作用冷卻后充填體的溫度應(yīng)變

圖4 高溫作用冷卻后充填體的熱膨脹系數(shù)

表1 實(shí)時(shí)高溫作用下充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制實(shí)時(shí)高溫作用下充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨溫度的變化曲線，如圖5和圖6所示。

由表1、圖5和圖6可見，經(jīng)過實(shí)時(shí)高溫作用，充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨溫度升高呈線型規(guī)律衰減。充填體的抗壓強(qiáng)度從25℃時(shí)的4.2 MPa降低至300℃時(shí)的2.3 MPa，降幅為45.24%。彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa，降幅為40%。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，抗壓強(qiáng)度隨溫度變化表達(dá)式:

σc(t)＝4.51061－0.00724t(相關(guān)系數(shù)R2＝0.98709)；

彈性模量隨溫度變化的表達(dá)式:

E(t)＝0.26576－3.63636×10－4t (相關(guān)系數(shù)R2＝0.97735)。

圖5 實(shí)時(shí)高溫作用下充填體的抗壓強(qiáng)度

圖6 高溫作用冷卻后充填體的彈性模量

3.2 高溫作用冷卻后對(duì)充填體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

根據(jù)實(shí)時(shí)高溫作用冷卻后充填體單軸壓縮實(shí)驗(yàn)所得充填體的抗壓強(qiáng)度平均值和彈性模量平均值如表2所示。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，繪制高溫作用冷卻后充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨溫度的變化曲線，如圖7和圖8所示。

表2 實(shí)時(shí)高溫作用冷卻后充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量

由表2、圖7和圖8可見，經(jīng)過實(shí)時(shí)高溫作用冷卻后，充填體的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨溫度升高呈線型規(guī)律衰減。充填體的抗壓強(qiáng)度從25℃時(shí)的4.2 MPa降低至300℃時(shí)的2.1 MPa，降幅為50%。彈性模量從25℃的0.25 GPa降到300℃的0.1 GPa，降幅為60%。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，抗壓強(qiáng)度隨溫度變化表達(dá)式:

σc(t)＝4.48485－0.00796t(相關(guān)系數(shù)R2＝0.99439)；

彈性模量隨溫度變化的表達(dá)式:

E(t)＝0.26306－5.77622×10－4t(相關(guān)系數(shù)R2＝0.98268)。

圖7 高溫作用冷卻后充填體的抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 論

實(shí)時(shí)高溫作用下，充填體溫度應(yīng)變、熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增加；高溫作用冷卻后充填體的溫度應(yīng)變、熱膨脹系數(shù)隨溫度先增加后降低。隨著井下溫度的逐漸升高，可以推測(cè)充填體會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生緩慢的變形。

圖8 高溫作用冷卻后充填體的彈性模量

實(shí)時(shí)高溫作用下及高溫冷卻后，充填體力學(xué)性質(zhì)快速連續(xù)衰減，充填體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量近似線型規(guī)律衰減。隨著井下溫度的緩慢升高，充填體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量會(huì)逐漸降低。

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2015-06-04)