早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究*
2017-04-16王明旭程爱平刘晓云
王明旭,程爱平,刘晓云
(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081; 2.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)
数字出版日期: 2017-04-21
0 引言
井下矿柱与充填体的相互作用主要存在三向或双向荷载下。对于单一矿岩的单双轴加载试验,相关学者已经进行过一些室内试验研究,通过双轴加载花岗岩巷道[1]、单轴加载花岗岩试样[2]、流纹岩[3]、矽卡岩[4]、含预制裂隙石膏试样[5]、含三维裂隙试件[6]、含圆孔岩石[7]、含有洞室的砂岩岩板[8]、锦屏一级水电工程深部大理岩[9]。同时也通过数值模拟方式,如使用Flac3D模拟双裂隙岩石试件[10]、用颗粒流模拟煤岩[11],还进行了单轴白云岩[12]、煤样[13]、煤体[14]、双轴岩石声发射实验[15]。对于矿岩与充填体的相互作用,暂时还没有学者建立矿岩与充填体的配比复合体试样进行相关的加载试验。笔者前期进行矿岩和充填体复合试样轴向加载情况下的声发射试验,弄清了单轴加载情况下的充填体与矿岩的相互作用机理。为了进一步模拟现场实际,进行了矿岩与充填体双轴加载条件下的声发射试验研究。
图1 井下矿柱与充填体Fig.1 Underground pillar and filling body
在充填体充填至井下采场空区时,充填体与矿柱的相互作用主要存在两侧和顶板的双向载荷,而正立面使用砌筑阻挡,即整体类似处于临空面状态(见图1)。基于此,设计双轴加载装置,考虑双轴加载的充填体与矿柱相互作用的试验研究。
1 相似模拟试验
1.1 试样制备及加载
为了更好研究充填体与矿柱在双向载荷作用下的力学特性,定制长方体凹槽钢板盒,长(L)为20 cm,宽(S)为10 cm,高(H)为10 cm。试样(10 cm×10 cm×10 cm)的尺寸为三分结构,两边矿岩(占宽各为3.5 cm),中间尾砂石蜡模拟充填体(占宽为3 cm)。将全精炼的石蜡颗粒熔化后与矿山尾砂进行拌合,石蜡作为胶结剂,制作试样(见图2(a))。
图2 试样加载过程中的声发射监测Fig.2 Acoustic emission monitoring during sample loading
将复合体试样养护28 d后,在WAW-300微机控制电液伺服试验机上进行轴向加载。先进行位移加载,位移控制速度为0.01 mm/s,待荷载达到0.5 kN后,转为试验力控制,控制速度为0.001 kN/s。
不考虑复合体试样的中间主应力,复合体试样对边使用微型千斤顶(安装油压泵控制加载大小)加载,另一对边位移约束。最小主应力实现分级加载。千斤顶直径(D)为3.6 cm,其相似的荷载要换算成施加在整个表壁(L×B=10 cm×10 cm)上的荷载。
表1 σ3分级加载
1.2 结果分析
1.2.1应力应变曲线
通过微机控制电液伺服万能试验机加载,得到石蜡的应力应变曲线(见图3)及石蜡复合体加载破坏应力应变曲线(见图4)。
图3 纯石蜡的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of pure paraffin
从图3、图4可以看出,对于纯石蜡,应力应变曲线呈现45°的增长规律,随着尾砂的加入,单位应变内应力增大。尾砂加石蜡复合体试样在轴向加载作用下,随着荷载加大,应变值变化缓慢。在试样发生破坏前,存在加载过程中的协调变形阶段,主要是石蜡与尾砂中的孔隙被压密并在压密过程中形成2种物质的协调变形。
图4 尾砂石蜡复合体加载破坏应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of tailing-paraffin-wax composite
对于配比矿岩,在加载过程中,存在多次协调变形阶段(见图5)。从图5可以看出,配比矿岩在加载前期,随着应变值的不断增大,应力值上升较慢,待应变达到0.02时开始快速上升。上升到一定阶段后,接连出现2次较近的应力缓慢提升期,这是试样内部受载压密导致。
图5 配比矿岩应力应变曲线Fig.5 Stress and strain of proportion of ore rock
1.2.2裂纹扩展
待试样加载破坏时,通过已经剪切好的5个PET塑料薄片覆盖试样表壁,进行裂纹线描画,之后拍照成像,以画图软件描摹成图,见图6。从图6可以看出,裂纹主要发生在左立面和背立面,相应的分形维数值达到0.759和0.871,其他各面的分维值见表2。通过扫描仪,将表壁破坏严重的正立面和背立面扫描成二值图(见图6)。
充填体与矿柱复合体试样加载破坏后,模拟矿柱配比试样已经破坏成块状(见图7),而尾砂石蜡充填体保持较好的完整性。充填体与矿柱接触带附近的矿岩破坏相对于接触面来说凸凹不平。
图6 各面裂纹线Fig.6 Each surface crack line
岩性配比矿岩区域正立面左立面背立面右立面底面分形维数D0.5850.7590.8710.6520.585
图7 试样双轴加载破坏Fig.7 Biaxial loading samples failure
通过超声波仪测量,配比矿岩的超声值为2.103 km/s,配比的尾砂石蜡充填体的超声波值为1.631 km/s。加载破坏后,通过超声波仪测量,超声波值已经无法测得,说明内部已经发生了较大的裂纹扩展和损伤破坏。
1.2.3声发射测试
通过声发射监测,在加载过程中,AE点主要发生在尾砂石蜡充填体内部和充填体与矿岩接触带区域,矿柱中发生AE点相对较少。随着荷载的增加,AE点逐渐增多(见表3)。当轴向荷载为10 kN时,AE点还相对较少,这些点主要发生在胶结充填体内部区域(见图8)。当荷载继续增大,达到15 kN时,AE点数目开始加快,当达到20 kN时,椭圆形区域AE点密度快速增长,接着试样发生破坏。
图8 加载过程中的内部破坏Fig.8 Internal disruption during loading
荷载/MPaσ1/σ30.00/0.000.70/0.060.80/0.121.00/0.25声发射荷载/MPaσ1/σ31.25/0.381.45/0.511.65/0.762.00/0.76声发射
图9 加载过程中的振铃计数变化Fig.9 The ringing count change in the process of loading
图9是从加载开始直到最后破坏及泄压的整个过程中,试样的AE振铃计数变化情况。从加载过程中发生的AE振铃计数来看,加载前期,各传感器采集到的最大振铃数不超过500,从时间步67 110出现775开始,继续在时间步67 127处出现764,特别是在时间步67 185处出现4 014,相应的能量由0.54~1 373.29之间变为23 281.33(mV*mS)。随着双轴加载的推进,试样的AE振铃计数维持在500以内,直到轴向荷载(σ1)达到1.25 MPa,σ3开始由0.25 MPa调整为0.38 MPa时,试样的AE振铃计数开始发生突变,呈现凹抛物性增长趋势。直到最后发生破坏,其AE振铃计数最大值达到131 777,发生在时间步131 386处,在此时间步区域附近,AE振铃计数超过10 000以上的达到6次。试样破坏后,由于σ3的存在,试样破坏并非AE振铃数逐渐减少,而是出现了5次大的AE振铃计数变化。
2 讨论
1)首先将全精炼的工业石蜡熔化后和尾砂进行拌合,模拟充填体。在充填空区时,模拟的充填体呈粘稠状,待液态石蜡固化后,尾砂石蜡充填体变成了具有一定强度的固体。常规的使用水泥作为胶结剂,需要干燥28 d才能开始试验(研究充填体时效特性的试验除外),而通过使用石蜡作为胶结剂能够快速充填之后进行试验,等待石蜡固化的时间不会超过半个小时,大大提高了试验效率,而且石蜡在液态时能够与尾砂进行很好的拌合,能够在充填时充分与矿岩接触面进行充分接触,符合充填体充填井下采场空区的实际情况。
2)为了模拟现场早强胶结充填体与矿柱的相互作用,设计了双轴加载钢板盒,通过微型液压油泵进行加载,模拟试样双轴加载作用,监测其内部破坏情况。
3)如果能够制作环氧树脂和固化剂组成的能够模拟岩石的透明试样,结合声发射试验,在加载过程中的内部破坏点与声发射的定位点进行结合,寻找两者之间的联系,对于研究岩石以及类似复合体的加载破坏是有较大意义的。
3 结论
1) 在单轴荷载作用下,矿柱和早强胶结充填体的复合体主要沿其接触面发生破坏,相应的矿柱发生不同程度的破坏,充填体保持较好的完整性,说明其具有较大的弹性应变能力。
2)随着侧向荷载约束,即最小主应力的存在,提高了试样的承载能力,但矿柱破坏更为严重,成为块状,早强充填体依然保持较好的完整性。
3)通过声发射试验,在双轴加载作用下,充填体与矿柱复合体试样内部破坏点主要发生在充填体内部和充填体与矿柱接触带区域。在试样加载即将破坏时,AE点和相应振铃计数出现急速增长,能量出现极大突变值。
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