DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.022

动载下高浓度全尾砂胶结充填体的力学特性

杨伟，张钦礼，杨珊，王新民

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：为了研究动载下高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的力学性能，制备直径×长度为50 mm×25 mm 的HTB试件，通过静态单轴压缩试验和分离式霍普金森杆(SHPB)单轴冲击试验，对试件的动静荷载下的力学性质进行比较，研究试件动态抗压强度、动态应变、强度增强因子、比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明： HTB 试件对弹性波传播有较强的阻尼作用；HTB 试件临界破坏的平均应变率为103 s^-1，最大应变率可达265 s^-1；随着应变率增大，试件的动态抗压强度、动态强度增长因子、峰值应变随之增大，应变率越高，达到峰值强度历时越短；动载下HTB 试件出现1~2次破坏-压实过程；在低应变率下，试件沿轴向呈现脆性劈裂破坏，在高应变率下，破坏形式为压碎破坏；随着入射能量增大，反射能、试块吸收能量及比能量吸收均呈线性增长趋势，由于波阻抗效应，透射能较小，试块具有较强的吸收和反射能特性。

关键词：矿山开采；高浓度全尾砂胶结充填体；应变率；SHPB试验；动态力学性能

中图分类号：TD835       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)01-0156-06

Mechanical property of high concentration total tailing cemented backfilling under dynamic loading

YANG Wei, ZHANG Qinli, YANG Shan, WANG Xinmin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: To study the safety and reliability property of high concentrations of total cemented backfilling (HTB) under dynamic loading, 50 mm×25 mm HTB specimen was prepared, the static uniaxial compression test and the split Hopkinson pressure bar (SHPB) uniaxial impact test were carried out, the mechanical properties between static loading and dynamic loading were compared, the relationship among the stress and the strain of dynamic strain, dynamic compressive strength, the strength enhancement factor, the specific energy absorption and the average strain rate of the test specimen was analyzed. The results show that the HTB specimen has stronger damping effect on elastic wave propagation. Strain rate of damage critical is 103 s^-1, and the maximum average strain rate can reach 265 s^-1. With the increase of the average strain rate, the dynamic compressive strength, the dynamic strength and peak strain increase. The higher the strain rate, the shorter time to get the peak strain. Under the dynamic loading, HTB specimen occur 1-2 times failure-compaction processes. Under the low strain rate, specimens present brittle failure along the axial under higher strain rate, and specimens present crushing destruction. With the increase of the incident energy, reflective energy, absorption energy and specific energy absorption progressively increase. Because of the effect of wave impedance, the transmission energy is much smaller than incident energy. HTB has good energy absorption performance.

Key words: mining; high concentrations total tailing cemented backfilling; strain rate; split Hopkinson pressure bar (SHPB) test; dynamic mechanics performance

相对于空场法采矿，充填法采矿具备回收率高、安全程度高、环境污染程度低等特点，现已广泛用于国内外大型地下矿山中^[1-3]。目前，人们对充填采矿进行了大量研究，新型充填材料渐渐成为研究热点。新型充填材料包括全尾砂胶结充填体、膏体、似膏体等材料^[1-10]。其中，高浓度全尾砂充填体(HTB)具有固体物料质量浓度高、早强、输送性能好、水泥用量少等特点^[4]。人们对高浓度全尾砂充填体的准静态力学特性(应变率低于10^-4 s^-1)进行了研究，如薛希龙^[4]对黄梅磷矿HTB进行了准静态单轴压缩和劈裂试验，得到了相关的应力-应变曲线。然而，矿山开采过程中的爆破等动载荷(应变率高于10² s^-1)会导致充填体产生损伤、断裂、甚至局部垮塌现象，给矿山开采带来很多安全隐患。研究材料动态力学特性的理想设备主要是分离式霍普金森杆系统(split Hopkinson pressure bars，即SHPB)^[5]，采用该系统可研究材料的动态应  力-应变-应变率之间的关系^[6-7]，也可以研究材料在冲击过程中的能量变化问题^[8-9]。为了研究动载下高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的力学性能，本文作者制备直径×长度为50 mm×25 mm HTB试件，进行静态单轴压缩试验；利用直径为50 mm 的SHPB试验装置，以不同速度冲击试样，测试试样在应变率为103~265 s^-1时的动态力学性能，分析比较动静荷载下的力学性质，研究试件动态抗压强度、动态应变、强度增强因子、比能量吸收与平均应变率之间的关系，以便为其他矿山HTB动载下力学性质研究及安全稳定性评价提供参考。

1  HTB试样制备及静载试验

1.1  HTB试件制备

试件采用尾砂是河北某铁矿全尾砂，所用水泥为525号硅酸盐水泥。全尾砂的粒径组成直接影响HTB 充填试块的物理力学性质^[10]。表1所示为全尾砂粒径组成。从表1可知：尾砂粒度为0.075 mm以下的颗粒质量分数达69.1%；中值粒度d₅₀=0.049 mm，小于一般矿山所用充填尾砂粒度，可能对胶结充填体强度产生影响。

表1  全尾砂粒径组成(质量分数)

Table 1  Particle size of backfilling

试件料浆灰砂质量比为1:6，固体物料质量分数为75%。试验所用模具为自制直径×长度为50 mm×25 mm钢管模具，见图1(a)。试件制备时，将拌好的料浆迅速倒入钢管模具内并震荡均匀，脱模后放入恒温恒湿箱内保养28 d。图1(b)所示为已制备的HTB试件。

图1  HTB试件及模具

Fig. 1  HTB specimen and mould

1.2  HTB试件静载力学性质

HTB试块的基本物理力学参数如表2所示，试块28 d抗压强度应力-应变曲线如图2所示。从图2可知：在静态压缩载荷下，HTB 试件应力在达到最大单轴抗压强度之前具有明显的弹性特征，应力在达到最大抗压强度之后呈现较强的塑性特性；随着应变增大，在完全破坏之前应力仍能保持在3.5 MPa以上，最大应变为0.100 6。

表2  静载下HTB 试件的力学参数

Table 2  Static parameters of HTB specimen

图2  静载下HTB试件(28 d)单轴抗压强度应力-应变曲线

Fig. 2  Relationship between compressive strength stress and strain of HTB specimen after 28 d

2  SHPB试验原理

SHPB试验系统可用于金属、矿岩等多种材料动态力学性能的测试^[11-12]。图3所示为SHPB压缩试验原理示意图，试验系统由发射装置、冲头、入射杆(波阻抗为4.23×10⁷ kg/(m²·s))、透射杆等组成，测试试样被夹持在入射杆与透射杆之间，冲头在高气压作用下撞击入射杆，在入射杆端产生应力脉冲。在一维应力传播的条件下，应力脉冲即弹性应力入射波在入射杆中以波速c₀向前传播，与试样接触后分别在入射杆和透射杆中产生反射应力脉冲和透射应力脉冲，试件端部产生入射应变和反射应变，透射杆同时产生透射应变。

图3  SHPB压缩试验原理示意图

Fig. 3  Principle diagram of SHPB compression test

试块动态应力、应变率和应变与各应变的关系如下：

         (1)

          (2)

       (3)

式中：A为入射杆的横截面积；A_s为试件的横截面积；E 为压杆的弹性模量；l_s为试件的厚度；为入射杆X_c1处的入射应变；为入射杆X_c1处的反射应变；为透射杆X_c2处的透射应变；C₀为弹性应力波波速；为试样的动态应力；为试样的应变率；为试样的应变。根据一维应力假定，当试样应力达到均衡时，有

              (4)

则式(1)~(3)可化简为

              (5)

             (6)

           (7)

3  动态试验结果及分析

3.1  SHPB设备波形图

试验记录的典型入射波、反射波和透射波波形如图4所示。由图4可以看出：入射波与反射波波幅值近似相等，方向相反，而透射波波幅较小。该现象可用波阻抗理论来解释^[13]：当弹性波从高波阻抗材料入射到低波阻抗材料时，反射波与入射波异号，透射波应力幅值比入射波的小。由于入射杆的波阻抗(4.23×10⁷ kg/(m²·s))远大于HTB试件的波阻抗(1.55×10⁶ kg/(m²·s))，透射波则在应力幅值上远比入射波的小。由图4可知HTB 试件对弹性波传播有较强的阻尼作用。

3.2  HTB试样动态压缩特征及分析

对HTB 试件在不同应变率(103.19~265.57 s^-1)下进行单轴冲击压缩试验，所得应力与应变曲线见图5，试验基本参数及测试结果见表3。

图4  SHPB 试验装置典型波形

Fig. 4  Typical waveform of SHPB testing

                  (8)

式中：K为动态强度增强因子；和分别为材料的动、静态抗压强度。在岩石动力学中，常用K 量化材料动态抗压强度相对于静态抗压强度的增幅^[14]。对比动、静态单轴压缩试验结果可知：

表3  HTB 试件动态压缩试验结果

Table 3  Dynamic compression test results

图5  不同应变率下HTB试件应力-应变曲线

Fig. 5  HTB specimen stress-strain curves under different strain rates

1) HTB 试件临界破坏平均应变率为103.19 s^-1，最大应变率可达265.57 s^-1，比一般岩石的高^[5]。

2) 随着应变率增加，HTB 试件的动态抗压强度也随之增大，最高可达17.27 MPa。由图6可知试件动态抗压强度与平均应变率呈一定的线性关系。

3) 随着应变率增加，动态强度增长因子显著提高，最高可达4.27，即动态抗压强度是静态抗压强度的4.27倍，而一般岩石的最大动态强度增长因子仅为1.20~2.50^[15]。

4) 随着应变率增加，达到峰值强度所用时间从19 μs降到17 μs，即应变率越大，达到峰值强度历时越短，而一般岩石的达到峰值所用时间为100~200 μs^[16]。

5) 随着应变率的增加，达到峰值应变呈现递增趋势，从0.000 758增加到0.001 446；最大应变在0.008 675~0.023 636之间，远小于试件的静态最大应变。

6) 不同于一般脆性岩石动载下应力-应变曲线^[15-16]，HTB 试件在经历了峰值应力后，没有马上发生破坏，而是出现了1~2个低应力波峰后才完全破坏。这是由于试样的应力达到峰值应力后，试件的一部分开始破坏，应力开始下降，同时，其余未破坏部分的微裂缝也开始被挤压；随着裂隙被被缩小密实，应力又逐渐上升，达到下一个低应力峰值。这种破坏-压实的过程会发生1~2次，直到试件完全破坏为止。

图6  HTB试件动态抗压强度与平均应变率的关系

Fig. 6  Relationship between dynamic compressive strength and average strain rate for HTB specimen

3.3  HTB试样动态压缩破坏形式

HTB试件动态压缩破坏模式见图7。从图7可看出：应变率越大，试块的破碎程度越高，大块率也随之减小；在临界破坏应变率下，试件沿轴向呈现劈裂破坏(图7(a))；随着应变率增加，试件碎块数目组建增大，并伴有粉末出现(图7(b))；在最大应变率下，大部分试件被完全压成粉末，小块极少。从整体上看，HTB 破坏形式为压碎破坏，类似于低强度混凝土的破坏形式^[17]。

3.4  动态压缩过程中HTB试样能量变化分析

试件在冲击过程中伴随着能量的变化，入射能W_I 、反射能W_R 、透射能W_T 及试块吸收能W_s 之间的关系为^[14]：

图7  HTB试件动态压缩破坏模式

Fig. 7  Failure modes of HTB specimen

             (9)

              (10)

             (11)

             (12)

式中：W_I为试件的入射能；W_R为试件的反射能；W_T为试件的透射能；W_S为试件的试块吸收能。

能量测试结果见表4。由表4可知，随着入射能量的增大，反射能、试块吸收能量呈线性增长趋势，由于波阻抗效应，透射能较小，几乎可以忽略。

表4  试验中能量的测试结果

Table 4  Test results of energy

岩石动力学中常用比能量吸收量(S_EA)来衡量试件单位体积内吸收能S_EA^[16]：

                 (13)

式中：W_S为试件吸收的能量，J；V_S为试块体积，cm³。由图8可知：比能量吸收随应变率的增加而呈线性增加，即应变率越大，试件单位体积吸收的能量越大，最高比能量吸收为0.19 J/cm³，这表明HTB 试件具有较好的吸能性能。

图8  HTB试件比能量吸收与应变率关系

Fig. 8  Relationship between energy absorption ratio and average strain rate for HTB specimen

4  结论

1) 研究了动载下HTB(高浓度全尾砂胶结充填体)破坏机理，制备了直径×长度为50 mm×25 mm的HTB试件，进行了静态单轴压缩试验和SHPB单轴冲击试验。

2) 由于SHPB入射杆的波阻抗远大于HTB试件的波阻抗，透射波应力幅值远比入射波的小，说明HTB试件对弹性波传播有较强的阻尼作用。

3) 与普通岩石相比，HTB试件临界破坏的平均应变率较高；随着应变率增加，HTB试件的动态抗压强度也随之增大，动态强度增长因子显著提高，达到峰值强度历时越短，峰值应变呈现递增趋势，最大应变远小于试件的静态最大应变；动载下HTB试件会出现1~2次破坏-压实过程，所以，应力在达到峰值后又出现1~2个低应力波峰，之后才完全破坏。在临界破坏应变率下，试件沿轴向呈现劈裂破坏，在高应变率下，破坏形式为压碎破坏。

4) 随着入射能量增大，反射能呈增大趋势；由于波阻抗效应，透射能较小，几乎可以忽略。应变率越大，试件单位体积吸收的能量越大，最高比能量吸收为0.19 J/cm³，这表明HTB试件具有较好的吸能性能。

5) HTB作为一种矿山常用充填材料，具有较好的动态抗冲击力学性能，当平均应变率低于103 s^-1时，HTB仍具有较强的承载能力，不会发生整体破坏，并且具有较强的吸收和反射能量的特性，这可为其他矿山HTB动态力学性能的研究和安全稳定性评价提供参考。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-01-08；修回日期：2016-03-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目( 51404305) (Project(51404305) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：杨伟，博士研究生，从事爆破与充填开采研究；E-mail: yangwei0412104489@126.com