早強(qiáng)充填體與礦柱相互作用的聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究*

王明旭，程愛(ài)平，劉曉云

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

數(shù)字出版日期： 2017-04-21

0　引言

井下礦柱與充填體的相互作用主要存在三向或雙向荷載下。對(duì)于單一礦巖的單雙軸加載試驗(yàn)，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過(guò)一些室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過(guò)雙軸加載花崗巖巷道[1]、單軸加載花崗巖試樣[2]、流紋巖[3]、矽卡巖[4]、含預(yù)制裂隙石膏試樣[5]、含三維裂隙試件[6]、含圓孔巖石[7]、含有洞室的砂巖巖板[8]、錦屏一級(jí)水電工程深部大理巖[9]。同時(shí)也通過(guò)數(shù)值模擬方式，如使用Flac3D模擬雙裂隙巖石試件[10]、用顆粒流模擬煤巖[11]，還進(jìn)行了單軸白云巖[12]、煤樣[13]、煤體[14]、雙軸巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)[15]。對(duì)于礦巖與充填體的相互作用，暫時(shí)還沒(méi)有學(xué)者建立礦巖與充填體的配比復(fù)合體試樣進(jìn)行相關(guān)的加載試驗(yàn)。筆者前期進(jìn)行礦巖和充填體復(fù)合試樣軸向加載情況下的聲發(fā)射試驗(yàn)，弄清了單軸加載情況下的充填體與礦巖的相互作用機(jī)理。為了進(jìn)一步模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)行了礦巖與充填體雙軸加載條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)研究。

圖1　井下礦柱與充填體Fig.1　Underground pillar and filling body

在充填體充填至井下采場(chǎng)空區(qū)時(shí)，充填體與礦柱的相互作用主要存在兩側(cè)和頂板的雙向載荷，而正立面使用砌筑阻擋，即整體類(lèi)似處于臨空面狀態(tài)(見(jiàn)圖1)?；诖?，設(shè)計(jì)雙軸加載裝置，考慮雙軸加載的充填體與礦柱相互作用的試驗(yàn)研究。

1　相似模擬試驗(yàn)

1.1　試樣制備及加載

為了更好研究充填體與礦柱在雙向載荷作用下的力學(xué)特性，定制長(zhǎng)方體凹槽鋼板盒，長(zhǎng)(L)為20 cm，寬(S)為10 cm，高(H)為10 cm。試樣(10 cm×10 cm×10 cm)的尺寸為三分結(jié)構(gòu)，兩邊礦巖(占寬各為3.5 cm)，中間尾砂石蠟?zāi)M充填體(占寬為3 cm)。將全精煉的石蠟顆粒熔化后與礦山尾砂進(jìn)行拌合，石蠟作為膠結(jié)劑，制作試樣(見(jiàn)圖2(a))。

圖2　試樣加載過(guò)程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)Fig.2　Acoustic emission monitoring during sample loading

將復(fù)合體試樣養(yǎng)護(hù)28 d后，在WAW-300微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向加載。先進(jìn)行位移加載，位移控制速度為0.01 mm/s，待荷載達(dá)到0.5 kN后，轉(zhuǎn)為試驗(yàn)力控制，控制速度為0.001 kN/s。

不考慮復(fù)合體試樣的中間主應(yīng)力，復(fù)合體試樣對(duì)邊使用微型千斤頂(安裝油壓泵控制加載大小)加載，另一對(duì)邊位移約束。最小主應(yīng)力實(shí)現(xiàn)分級(jí)加載。千斤頂直徑(D)為3.6 cm，其相似的荷載要換算成施加在整個(gè)表壁(L×B=10 cm×10 cm)上的荷載。

表1　σ3分級(jí)加載

1.2　結(jié)果分析

1.2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

通過(guò)微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，得到石蠟的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)及石蠟復(fù)合體加載破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)。

圖3　純石蠟的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3　Stress-strain curve of pure paraffin

從圖3、圖4可以看出，對(duì)于純石蠟，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)45°的增長(zhǎng)規(guī)律，隨著尾砂的加入，單位應(yīng)變內(nèi)應(yīng)力增大。尾砂加石蠟復(fù)合體試樣在軸向加載作用下，隨著荷載加大，應(yīng)變值變化緩慢。在試樣發(fā)生破壞前，存在加載過(guò)程中的協(xié)調(diào)變形階段，主要是石蠟與尾砂中的孔隙被壓密并在壓密過(guò)程中形成2種物質(zhì)的協(xié)調(diào)變形。

圖4　尾砂石蠟復(fù)合體加載破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4　Stress-strain curves of tailing-paraffin-wax composite

對(duì)于配比礦巖，在加載過(guò)程中，存在多次協(xié)調(diào)變形階段(見(jiàn)圖5)。從圖5可以看出，配比礦巖在加載前期，隨著應(yīng)變值的不斷增大，應(yīng)力值上升較慢，待應(yīng)變達(dá)到0.02時(shí)開(kāi)始快速上升。上升到一定階段后，接連出現(xiàn)2次較近的應(yīng)力緩慢提升期，這是試樣內(nèi)部受載壓密導(dǎo)致。

圖5　配比礦巖應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.5　Stress and strain of proportion of ore rock

1.2.2裂紋擴(kuò)展

待試樣加載破壞時(shí)，通過(guò)已經(jīng)剪切好的5個(gè)PET塑料薄片覆蓋試樣表壁，進(jìn)行裂紋線(xiàn)描畫(huà)，之后拍照成像，以畫(huà)圖軟件描摹成圖，見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，裂紋主要發(fā)生在左立面和背立面，相應(yīng)的分形維數(shù)值達(dá)到0.759和0.871，其他各面的分維值見(jiàn)表2。通過(guò)掃描儀，將表壁破壞嚴(yán)重的正立面和背立面掃描成二值圖(見(jiàn)圖6)。

充填體與礦柱復(fù)合體試樣加載破壞后，模擬礦柱配比試樣已經(jīng)破壞成塊狀(見(jiàn)圖7)，而尾砂石蠟充填體保持較好的完整性。充填體與礦柱接觸帶附近的礦巖破壞相對(duì)于接觸面來(lái)說(shuō)凸凹不平。

圖6　各面裂紋線(xiàn)Fig.6　Each surface crack line

巖性配比礦巖區(qū)域正立面左立面背立面右立面底面分形維數(shù)D0．5850．7590．8710．6520．585

圖7　試樣雙軸加載破壞Fig.7　Biaxial loading samples failure

通過(guò)超聲波儀測(cè)量，配比礦巖的超聲值為2.103 km/s，配比的尾砂石蠟充填體的超聲波值為1.631 km/s。加載破壞后，通過(guò)超聲波儀測(cè)量，超聲波值已經(jīng)無(wú)法測(cè)得，說(shuō)明內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了較大的裂紋擴(kuò)展和損傷破壞。

1.2.3聲發(fā)射測(cè)試

通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，在加載過(guò)程中，AE點(diǎn)主要發(fā)生在尾砂石蠟充填體內(nèi)部和充填體與礦巖接觸帶區(qū)域，礦柱中發(fā)生AE點(diǎn)相對(duì)較少。隨著荷載的增加，AE點(diǎn)逐漸增多(見(jiàn)表3)。當(dāng)軸向荷載為10 kN時(shí)，AE點(diǎn)還相對(duì)較少，這些點(diǎn)主要發(fā)生在膠結(jié)充填體內(nèi)部區(qū)域(見(jiàn)圖8)。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，達(dá)到15 kN時(shí)，AE點(diǎn)數(shù)目開(kāi)始加快，當(dāng)達(dá)到20 kN時(shí)，橢圓形區(qū)域AE點(diǎn)密度快速增長(zhǎng)，接著試樣發(fā)生破壞。

圖8　加載過(guò)程中的內(nèi)部破壞Fig.8　Internal disruption during loading

荷載/MPaσ1/σ30．00/0．000．70/0．060．80/0．121．00/0．25聲發(fā)射荷載/MPaσ1/σ31．25/0．381．45/0．511．65/0．762．00/0．76聲發(fā)射

圖9　加載過(guò)程中的振鈴計(jì)數(shù)變化Fig.9　The ringing count change in the process of loading

圖9是從加載開(kāi)始直到最后破壞及泄壓的整個(gè)過(guò)程中，試樣的AE振鈴計(jì)數(shù)變化情況。從加載過(guò)程中發(fā)生的AE振鈴計(jì)數(shù)來(lái)看，加載前期，各傳感器采集到的最大振鈴數(shù)不超過(guò)500，從時(shí)間步67 110出現(xiàn)775開(kāi)始，繼續(xù)在時(shí)間步67 127處出現(xiàn)764，特別是在時(shí)間步67 185處出現(xiàn)4 014，相應(yīng)的能量由0.54～1 373.29之間變?yōu)?3 281.33(mV*mS)。隨著雙軸加載的推進(jìn)，試樣的AE振鈴計(jì)數(shù)維持在500以?xún)?nèi)，直到軸向荷載(σ1)達(dá)到1.25 MPa，σ3開(kāi)始由0.25 MPa調(diào)整為0.38 MPa時(shí)，試樣的AE振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始發(fā)生突變，呈現(xiàn)凹拋物性增長(zhǎng)趨勢(shì)。直到最后發(fā)生破壞，其AE振鈴計(jì)數(shù)最大值達(dá)到131 777，發(fā)生在時(shí)間步131 386處，在此時(shí)間步區(qū)域附近，AE振鈴計(jì)數(shù)超過(guò)10 000以上的達(dá)到6次。試樣破壞后，由于σ3的存在，試樣破壞并非AE振鈴數(shù)逐漸減少，而是出現(xiàn)了5次大的AE振鈴計(jì)數(shù)變化。

2　討論

1)首先將全精煉的工業(yè)石蠟熔化后和尾砂進(jìn)行拌合，模擬充填體。在充填空區(qū)時(shí)，模擬的充填體呈粘稠狀，待液態(tài)石蠟固化后，尾砂石蠟充填體變成了具有一定強(qiáng)度的固體。常規(guī)的使用水泥作為膠結(jié)劑，需要干燥28 d才能開(kāi)始試驗(yàn)(研究充填體時(shí)效特性的試驗(yàn)除外)，而通過(guò)使用石蠟作為膠結(jié)劑能夠快速充填之后進(jìn)行試驗(yàn)，等待石蠟固化的時(shí)間不會(huì)超過(guò)半個(gè)小時(shí)，大大提高了試驗(yàn)效率，而且石蠟在液態(tài)時(shí)能夠與尾砂進(jìn)行很好的拌合，能夠在充填時(shí)充分與礦巖接觸面進(jìn)行充分接觸，符合充填體充填井下采場(chǎng)空區(qū)的實(shí)際情況。

2)為了模擬現(xiàn)場(chǎng)早強(qiáng)膠結(jié)充填體與礦柱的相互作用，設(shè)計(jì)了雙軸加載鋼板盒，通過(guò)微型液壓油泵進(jìn)行加載，模擬試樣雙軸加載作用，監(jiān)測(cè)其內(nèi)部破壞情況。

3)如果能夠制作環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑組成的能夠模擬巖石的透明試樣，結(jié)合聲發(fā)射試驗(yàn)，在加載過(guò)程中的內(nèi)部破壞點(diǎn)與聲發(fā)射的定位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，尋找兩者之間的聯(lián)系，對(duì)于研究巖石以及類(lèi)似復(fù)合體的加載破壞是有較大意義的。

3　結(jié)論

1) 在單軸荷載作用下，礦柱和早強(qiáng)膠結(jié)充填體的復(fù)合體主要沿其接觸面發(fā)生破壞，相應(yīng)的礦柱發(fā)生不同程度的破壞，充填體保持較好的完整性，說(shuō)明其具有較大的彈性應(yīng)變能力。

2)隨著側(cè)向荷載約束，即最小主應(yīng)力的存在，提高了試樣的承載能力，但礦柱破壞更為嚴(yán)重，成為塊狀，早強(qiáng)充填體依然保持較好的完整性。

3)通過(guò)聲發(fā)射試驗(yàn)，在雙軸加載作用下，充填體與礦柱復(fù)合體試樣內(nèi)部破壞點(diǎn)主要發(fā)生在充填體內(nèi)部和充填體與礦柱接觸帶區(qū)域。在試樣加載即將破壞時(shí)，AE點(diǎn)和相應(yīng)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)急速增長(zhǎng)，能量出現(xiàn)極大突變值。

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