全尾砂胶结充填体力学行为与调控

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第1章 全尾砂胶结充填体的三轴力学行为
　　胶结充填采矿技术是释放我国“三下”资源，盘活矿山资源量，保护生态环境的有效途径之一。由水、骨料(尾砂、矸石等)以及胶凝材料按照一定比例配制成一定浓度的浆体，经由管道输送至地下采空区，置于采空区的胶结充填料浆，通过水化反应逐步凝结，最后固结硬化，形成具有一定强度的充填体，从而达到防止上覆岩层变形和保障邻近采场人员、设备安全的目的[1]。因此，加强胶结充填体力学特性及破坏过程中相关特征参数监测与分析不仅有利于深入认识充填体损伤破坏机理，保障矿山安全生产，还可为充填体赋存状态的预测、预报方法奠定基础。胶结充填体作为一种复合人工多孔介质，其结构形式类似于岩土材料，在外界荷载的作用下，充填体内部微观结构变化势必会引起其电阻率和热效应(温度)的改变[2]。因此，通过测量充填体应力变化时的电热效应来描述其内部结构损伤程度和掌握充填体破裂前兆信息，不仅可以明确现场充填体的稳定状态，还可有根据地去调整灰砂配比，以显著地降低充填成本。
　　1.1 胶结充填体单轴压缩破坏前兆多参数表征
　　1.1.1 试验材料来源及准备
　　试验原材料选取武汉钢铁集团矿业有限责任公司下属一铁矿山选厂大井底流的全尾砂，该全尾砂矿物的组成成分主要有石英、方解石、绿泥石和透辉石，还有其他少量的石膏、绢云母和黄铁矿，主要化学成分别为SiO2、Al2O3、CaO、FeO和MgO。粒径组成中25μm以下颗粒占56.7%，细颗粒成分较多；中值粒径为24μm，平均粒径为45.13μm，比表面积达6400cm2/cm3，属于超细粒级尾砂。胶结材料选取矿山使用的标号为32.5号水泥。
　　将上述全尾砂材料按照灰砂配比为1︰6、1︰8，质量浓度(以下简称浓度)为65%、68%、70%的组合配制试验试样，试样模型规格为直径50mm、高度100mm的标准圆柱体。每次按要求配制完试样后皆将其放入养护箱内进行养护，养护条件为：温度(20±1)℃、相对湿度90%以上[3]，养护时间分别为14d、28d。
　　1.1.2 试验系统及方法
　　本次自主设计的试验系统主要由加载控制系统、应变采集系统、电阻采集系统以及红外成像系统四个同步试验系统共同组成。加载控制系统采用最大荷载60kN的电子万能材料试验机控制，试验机精度为示值的±0.5%，试验过程中压力加载和数据监控均由试验机控制系统自动完成。应变采集系统采用多通道静态应变仪(型号为DRA-30A)与分析系统，每通道皆配有112字节的数据存储器，且都装有A/D转换器，用于同步测量并保存通道的数值，应变测量方式采用1/4桥连接。电阻采集系统采用美国AGI公司的高密度电阻率成像系统采集，依据Winner法测试原理，在试样2个端部建立A、B极，在靠近试样上、下端部1/4处分别建立M、N极，如图1.1(a)所示，由稳定电源E向外侧A和B电极供电，在介质中建立电场，可在电极M、N测得其电位差，从而可由供电电流和M、N两电极间电位差计算出介质电阻率。加载期间试样电阻率发生变化，可根据供电电流和M、N两电极间电位差计算出变化了的电阻率值。试验时，启动电阻采集系统，开始记录电阻率值并可自动保存至指定文件夹。红外成像系统采用IR913A型平面红外热像仪，光谱范围为8～14μm，温度测试范围为–10～350℃，分辨率为0.06℃，测量温度精度为±(1±1%)℃(X≤110℃)和±(2±2%)℃(110℃＜X≤350℃)，图像分辨率为320像素×240像素，最高图像采集速度可达60幅/s，可连续实时采集并储存红外数据。
　　试验系统装置图如图1.1所示。压缩加载采用应变速率控制，始终保持在0.1mm/min，压力机通过上压力盘对充填体施加轴向压力。针式电极与电线连接，通过电线与电阻采集主机对应的四个电极相连，以备实时收集电阻率信息；红外热像仪装置放置在距充填体试样1～1.5m的位置，以观测并收集试样在加载破坏过程中的红外辐射信息。因此，在对充填体进行加载的过程中，电流沿充填体轴向传导，此时，充填体内部微观结构对电流传导敏感度产生影响。试验开始对充填体施加荷载，同时也采集充填体的应变、电阻率以及温度信息数据。
　　图1.1 试验系统装置图
　　1.1.3 充填体单轴压缩应力-应变-电阻率变化特征
　　图1.2给出了不同条件下胶结充填体单轴压缩破坏全过程应力-应变-电阻率曲线。从图中可以看出，电阻率变化规律大致可以分为三种类型：从加载到充填体塑性屈服前(OC段)的急剧减小、应变软化阶段(CD段)的先增加后减小和塑性破坏阶段(DE段)的急剧增加。急剧减小现象出现在充填体发生塑性屈服之前，主要反映受压充填内部结构发生了明显的变化，直接导致内部导电性能突然发生转折；先增加后减小变化主要出现在充填体进入应变软化阶段，表现为突然转折、反向增加，随后减小；急剧增加幅度与前期急剧减小幅度差异不大，表现为反向突然大幅度增加，这类异常主要出现在充填体发生塑性滑移阶段，电流导电通道被断开，说明充填体内部结构已发生重大变化。从充填体受压全过程电阻率变化规律可以得出，电阻率变化规律可以反映受载充填体损伤、变形和破坏全过程。
　　对比图1.2中不同条件下充填体电阻率变化规律可以得出，充填体的养护龄期、灰砂配比以及浓度对其受压全过程电阻率变化规律影响较小，但对充填体的初始电阻率值影响较大，浓度越高、灰砂配比越高、养护龄期越长，充填体试件初始电阻率值越大，这主要是因为不同条件下充填体内部水化固结硬化过程中自由状态水分子固化成固结体中结晶水，且含水率随养护龄期的改变而变化[4，5]。
　　图1.2 胶结充填体单轴压缩破坏全过程应力-应变-电阻率曲线
　　综上所述，充填体在单轴压缩破坏过程中，电阻率变化多次出现“突变”异常现象，一般表现为先加速下降、突然转折、反向小幅度上升，上升到小峰值后又突然下降，最后大幅度上升；整个电阻率变化过程会出现急剧变化的短期异常现象，即两个谷值和一个峰值。电阻率变化规律中“突变”异常现象充分体现了充填体变形破坏的前兆信息。
　　在岩石力学方面，应力-应变全过程曲线是描述岩石变形破坏孕育演化进程的有效手段，电阻率变化特征曲线也可以反映受载充填体变形破坏过程。分析图1.2可以得出：
　　(1)非水饱和胶结充填体单轴压缩破坏全过程中，电阻率变化与其所受应力水平密切相关；在充填体达到屈服临界状态前(即图1.2(a)中C点)，应力越大，电阻率越小，表明在此阶段，充填体承载强度与电阻率成反比；充填体在弹性状态和弹塑性状态期间，电阻率减小速率不同，进入弹塑性阶段时，电阻率减小速率明显变缓。
　　(2)随着应变水平的增加，应力逐渐增大，电阻率则逐渐减小，充填体发生屈服破坏时，电阻率第一次降到最低值，即充填体发生屈服破坏前监测到电阻率前兆突变，电阻率变化趋势出现“突变”异常。
　　(3)充填体发生屈服后，当应变增加到图1.2(a)中D点时，轴向应力突然减小，应力-应变曲线减小速率突然变缓，电阻率曲线呈现上升趋势，说明充填体在压缩变形破坏过程中电阻率随时间演化具有明显的阶段性。
　　1.1.4 电阻率-应力-应变关系特征阶段性划分及机理
　　由图1.2可以看出，充填体受载变形破坏过程大致可划分为以下几个阶段：压密线弹性阶段(OB段)、塑性屈服阶段(BC段)、应变软化阶段(CD段)、塑性破坏阶段(DE段)。现对各个对应阶段特征进行分析与讨论。
　　1)压密线弹性阶段
　　在受载初期，充填体内部细小的尾砂颗粒位置发生变化，填补至相邻周边较大的空隙、孔洞内，细小的微裂隙也被压密闭合，使充填体体积缩小，导致充填体内部相对含水率增大，在较小的压力下表现出较大的变形，宏观上表现为整体的均匀、稳定变形。由于在此过程中，充填体受压体积变小，内部微观结构间密实接触，微观上表现为晶粒的错位、孔隙度的改变致使其导电通道良好，电阻率随着应力水平的增加而急剧降低(图1.2(a)中Ⅰ)，说明在低应力状态下，内部颗粒间孔隙度、微裂隙等介质结构会影响宏观电阻率值。
　　2)塑性屈服阶段
　　内部的微孔、孔隙被压实闭合后，随着应力水平的不断增加，充填体内部新的微裂隙、裂纹开始产生、发育并累积，充填体内部结构开始屈服弱化，产生不可恢复的塑性变形。此时充填体颗粒间导电性仍良好，但由于新生的微裂纹产生，与压密线弹性阶段相比，电阻率下降幅度明显变缓(图1.2(a)中Ⅱ)，说明新生裂纹发育之后，虽然孔隙度小，但对宏观电阻率的影响较大。
　　3)应变软化阶段
　　随着加载不断进行，当外部荷载超过充填体承载极限(峰值强度)后，先前产生的微裂纹大量形成并且弱面间逐渐贯通，后期由于充填体颗粒间相互摩擦，对应的轴向应变明显变缓，充填体表现出应变软化特性，宏观上表现出可见裂纹的出现，由于充填体是由不同粒径尺寸的颗粒组成的人工复合多孔材料，屈服后应力-应变表现出非光滑曲线，内部结构出现大变形和滑移，但裂隙间仍紧密闭合，使原来良好的导电通道因大变形而改变，电阻率突然转折，先反向小幅度增加后降低(图1.2(a)中Ⅲ)，说明裂隙等结构面的闭合状态也会影响电阻率变化规律。
　4)塑性破坏阶段
　　由于裂隙的继续发育、演化和贯通，充填体濒临临界失稳破坏状态，从应力-应变的DE段曲线可以看出，应力发生微小变化，而应变不断增加，此时，张拉和剪切裂隙各向延伸并相互连通，最终导致充填体整体失稳，如图1.3所示。在这一阶段，由于充填体内部结构产生宏观裂缝，内部孔隙、裂隙间已全面贯通，且相互间存在相对位移，并且裂隙面出现张开状态，因而改变了原先的导电通道，降低了导电性能，使电阻率大幅度增加。