側限高應力條件下充填體壓縮變形規律分析

趙向民 孫天順 呂文生

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

側限高應力條件下充填體壓縮變形規律分析

趙向民 孫天順 呂文生

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

為了研究充填體在側限高應力下的變形規律，根據現場調研結果試驗室內選取灰砂比為1∶10，濃度為70%的充填體試塊進行9級加載蠕變試驗，得到每級加載應力下充填體的軸向變形規律。通過對充填體的壓縮特性分析，得到了不同加載應力條件下充填體試塊的側限壓縮系數和壓縮模量；通過壓縮變形應變-時間圖，對側限高應力條件下充填體試塊的壓縮變形機理進行分析，分析結果為新城金礦礦山充填設計及安全生產提供科學依據。

充填體 側限 壓縮特性 變形機理

隨著國民經濟日益發展，對礦產品需求量加大，我國淺部礦產資源日漸枯竭，礦山開采深度加大，深部開采受到高應力和巖爆等問題的困擾[1]。礦山充填采礦法能夠滿足礦山綠色開采要求，增加了采場穩定性，是一種安全、高效、綠色的開采技術[2-3]。目前對于充填體變形規律的試驗研究，大部分限于低應力加載并且無側向約束的情況。深部采場充填體在圍巖包裹下受到高應力作用，其壓縮變形規律對采場穩定性有至關重要作用[4-6]。通過試驗室側限壓縮變形試驗，對試驗結果進行壓縮特性分析，并分析壓縮變形機理，研究結果對礦山充填設計和采場管理有實際指導意義。

1 側限壓縮變形試驗

1.1 試驗方案

側限高應力壓縮變形試驗是用水泥和尾砂按照灰砂比為1∶10，濃度為70%，在圓柱形鋼筒(45號不銹鋼，尺寸為φ80 mm×180 mm，壁厚14 mm)中制成膠結充填體試塊，在溫度20 ℃、相對濕度95%的環境下養護28 d,試塊的養護與壓縮試驗均在側限鋼筒中進行[7]。鋼筒的側限作用主要表現在壓縮試驗進行時充填試塊只發生縱向變形而無橫向變形，即發生一維壓縮變形。

試驗采用RLW-3000微機控制巖石剪切蠕變試驗機，采用階梯式分級加載每級恒載的方式，分級加載的載荷值分別為0.5 、1 、2 、4 、6 、9、15、22 、32 MPa。

充填體試塊在側限高應力條件下完成壓縮變形之后，對試塊進行烘干處理[7]。105～110 ℃恒溫下烘干48 h后，取出試塊，在密封條件下放置3～4 h，試塊溫度降低到室溫之后用電子秤稱重，用千分尺測量試塊直徑和高度。

1.2 試驗結果

對充填體試塊在側限條件下進行逐級加載，試塊發生軸向一維壓縮，變形數據如表1所示。

表1 側限高應力充填體試塊壓縮變形數據統計表

隨著加載應力逐級變大，每一級載荷對應的軸向變形值和應變值也逐漸變大；加載到最后一級32 MPa時，終止位移達到31.672 mm，是充填體試塊起始高度的19.8%。

充填體試塊受壓并烘干后質量、尺寸會發生相應變化，結果如表2所示。

表2 充填體試塊質量及尺寸數據統計表

受壓后試塊質量減少，主要是由于受壓過程中試塊完成固結與蠕變變形，試塊孔隙中的空氣和水排出；受壓前后，由于側限鋼筒的限制，試塊主要發生豎向變形，而直徑基本不變。

烘干后試塊質量的減少主要由于充填體顆粒物中所含水分受熱蒸發，水蒸氣沿試塊孔隙排出，會對空隙產生膨脹擴容作用，充填體顆粒受熱也會膨脹，這2種作用在宏觀上表現為側限條件下充填試塊高度的增加。

2 壓縮特性分析

充填體試塊的初始孔隙比[8]

(1)

式中，Gs為充填體顆粒的比重；w0為試樣的初始含水量；γ為初始重度；γw為水的重度，取9.81 kN/m3。

含水量計算公式為

由烘干試驗可知，試塊中含水質量mw=159 g,固體顆粒物質量m0=1 246 g,因此w0=12.8%；初始重度γ=W/V,試樣的重力W=13.769 N,試樣的體積V=8.04×10-4m3；根據新城金礦分級尾砂和水泥的密度以及充填體試塊中2種材料的質量計算試塊的比重為Gs=2.62，初始孔隙比e0=0.69。

2.1 孔隙比變化規律

側限壓縮試驗試塊軸向位移與孔隙比關系[8]，

(2)

式中，ΔHi為軸向位移；H0為初始高度。

由公式(2)求得最終孔隙比ei=0.36,得出充填體試塊在側限高應力下的e-lgt曲線圖見圖1。

圖1 充填體試塊在側限高應力條件下的e-lgt曲線圖

對圖1中數據進行線性擬合，擬合函數為

e=algt+b，

式中,t為壓縮時間,min；a、b為擬合系數，見表3。

表3 各級載荷作用下孔隙比隨時間變化擬合結果

每一級載荷加載過程中，隨加載時間的增加，充填體試塊的孔隙比不斷減??；隨加載應力的增加，孔隙比變化幅度逐漸變大，擬合系數a的絕對值隨載荷增加而變大。充填體內部孔隙中的水和氣體會在軸向載荷作用下逐漸排出，充填體產生固結變形；在較高應力條件下，隨著孔隙的壓縮，充填體顆粒之間接觸更加緊密，顆粒之間發生相對滑移，高應力使得顆粒間的擠壓速度加快，孔隙比下降速度增加。

2.2 壓縮系數和壓縮模量

利用上述公式(2)可以計算每級載荷Δp作用下軸向變形達到穩定時的孔隙比e。壓縮系數α=Δp/Δe，在完全側限條件下，試塊的壓縮模量Es=(1+e1)/α。由此計算各級載荷作用下充填體試塊側限條件下的壓縮系數α和壓縮模量Es。計算結果如表4所示。

表4 充填體的側限壓縮系數與壓縮模量

側限條件下，新城金礦灰砂比為1∶10的尾砂膠結充填體的壓縮系數為0.008 0～0.027 5 MPa-1，壓縮模量為61.4～210.9 MPa；根據新城金礦相關地質資料，其開采深度已經達到800～1 000 m，綜合應力達到25 MPa[9-10]，充填體側限壓縮系數應為0.008 0～0.008 9 MPa-1，壓縮模量為189.8～210.9 MPa。土體的壓縮系數一般為0.1～0.5 MPa-1，尾砂膠結充填體的壓縮性能比土體低。對壓縮系數和壓縮模量隨加載應力變化進行回歸分析，結果如圖2和圖3所示。

圖2 壓縮系數回歸分析圖

3 壓縮變形機理分析

根據側限高應力下充填體壓縮變形試驗數據，得到充填體在連續加載(每一級應力長時間恒載)的條件下應變-時間曲線圖，如圖4所示。

圖4 充填體側限壓縮應變與時間關系示意

由圖4可知，充填體在側限條件下每一級載荷作用初期，變形隨時間增長較快，且變形速率逐漸減小，大部分變形會發生在每一級載荷加載初期，后期只發生較小變形。在加載應力9 MPa之前，充填體后期變形趨于穩定[11-12]，整個過程符合衰減蠕變；在9 MPa之后，充填體前期變形符合衰減蠕變，后期變形隨時間延長而線性增加，符合穩定蠕變。對9 MPa之后充填體穩定蠕變過程應變隨時間變化函數進行線性擬合，擬合直線斜率分別為15 MPa時，0.000 3；22 MPa時，0.000 4；32 MPa時，0.000 5。加載應力越大，穩定蠕變速率越快。

充填體在側限高應力壓縮過程中，當應力較低時(<9 MPa)，孔隙壓力逐漸減小，固體顆粒相互靠近，發生固結變形,壓縮變形主要包括瞬時的和衰減的變形；當應力較高時(>9 MPa)，充填體內部孔隙繼續收縮，有效應力不斷增加，充填體顆粒相互擠壓，發生蠕變變形，主要包括瞬時的、衰減的和黏塑性變形，且應力越大，蠕變變形速度越快，充填體的黏塑性越明顯。

4 結 論

(1)側限高應力下充填體孔隙比e與壓縮時間t符合對數函數關系e=algt+b,每一級載荷過程中，充填體試塊初期變形快速，后期變形趨于穩定。通過計算，得到了各級加載應力下的壓縮系數和壓縮模量數值，壓縮系數和壓縮模量與加載應力都滿足對數函數關系。

(2)新城金礦充填體側限壓縮變形過程中，在較低應力下(<9 MPa)，主要發生固結變形，包括瞬時的和衰減的變形；較高應力下(>9 MPa)，主要為蠕變變形，包括瞬時的、衰減的和黏塑性變形，且應力越大，蠕變變形速度越快，充填體的黏塑性越明顯。

(3)采場充填結束后，應加強管理，防止因充填體壓縮變形較大而使采場失穩，充填體壓縮變形穩定后，能夠對采場起到穩定的支撐作用。新城金礦現有開采條件下，充填體側限壓縮系數為0.008 0～0.008 9 MPa-1，壓縮模量為189.8～210.9 MPa，其壓縮性能比土體低。

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(責任編輯 石海林)

Compression Deformation Analysis of Backfill Under High Stress and Lateral Restraint

Zhao Xiangmin Sun Tianshun Lu Wensheng

(SchoolofCivilandEnvironmentEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

In order to study the deformation law of backfill under high stress and lateral restraint，according to the site survey results，nine-load creep experiments on the backfill with the gray-sand ratio of 1∶10 and a concentration of 70% are carried out.Axial deformation law of backfill is obtained under each level of load stress.Compression characteristic analysis of backfill is made to get the variation of compression factor and compression modulus under different loading stresses.Through the compression strain-time diagram，the compression deformation mechanism of backfill under high stress and lateral restraint is drawn.The results provide a scientific basis for the filling design and production safety in Xincheng Gold Mine.

Backfill，Lateral restraint，Compression characteristic，Deformation mechanism

2014-12-18

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B01)。

趙向民(1966—)，男，博士研究生。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-02-032-04