尾砂胶结充填体侧限高应力固结特性实验研究

于跟波，吕文生，王 昆

(1.北京国信安科技术有限公司，北京 100070，2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；3.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

尾砂胶结充填体侧限高应力固结特性实验研究

于跟波1，吕文生2，3，王 昆2，3

(1.北京国信安科技术有限公司，北京 100070，2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；3.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

充填接顶后，充填体在复杂应力条件下发生变形量的大小直接关系到能否对上覆岩层进行有效控制。为揭示深部开采充填体服役过程中的力学作用机制，必须深刻了解充填体在复杂应力作用下的变形性能。本文结合工程实际，在实验室实验基础上分别对不同龄期充填体侧限约束条件下的固结变形特性进行研究，得到了不同养护龄期充填体的压缩规律；对侧限高应力固结过程中充填体的本构关系进行了探讨，分析了侧限约束条件下充填体由弹性变形到弹塑性变形再过渡到弹性变形的全过程，研究结论能够为深部开采充填设计及安全管理提供科学依据。

充填体；尾砂胶结；侧限高应力；固结特性

强度较低的充填体属于松散体，在复杂应力作用下必然产生压缩。长期以来，人们对胶结充填体的破坏机理及其力学性能进行了大量的研究工作，并取得了一定的成果[1-4]。但研究方法大都局限在宏观层次上，且对力学性能的研究主要是确定充填体的抗压、抗剪切强度和弹性常数等方面。充填料浆到达采空区进行充填接顶后，充填体受到上覆岩层的重力及地应力的作用。在这种受力条件下，固结体发生变形量的大小，直接关系到能否对上覆岩层进行有效控制[5-6]。因此，研究深部开采充填体的压缩性能对于防止地表沉陷具有重要的现实意义。由于不同矿山充填体条件较为悬殊，要揭示充填体服役过程中的力学作用机制，必须深刻了解充填体在复杂应力作用下的变形性能，因此对其进行研究十分必要。

1 试验方案及方法

1.1 试验原料

根据山东某金矿充填所用灰砂比和料浆浓度的实际情况，本次试验采用灰砂比为1∶10，质量浓度为70%的尾砂胶结充填试块进行压缩固结试验。试块模具采用自行设计的45#钢制作的无缝钢筒，其规格参数如下：内径80 mm，高度180 mm，壁厚6 mm。为了保证试块质量，同时设计了尼龙材料制作的滤水底座配套钢筒使用，其规格参数如下：底座上部直径79 mm、高20 mm，底座下部直径100 mm、高10 mm，同时设计了滤水孔，利于尾砂胶结充填试块脱水。

1.2 实验方案

为研究不同条件下充填体在侧限高应力条件下固结特性，分别对不同龄期的尾砂胶结试块进行不同应力的固结试验，记录各组试块的压缩率及试验曲线，固结试验完成后测试试块的单轴抗压强度。由于目前还没有关于尾砂胶结充填体压缩固结的试验规程，试验过程参考土工试验方法标准(GB/T-50123-1999)进行。在借鉴行业相关研究的基础上确定本方案的加载等级，最后一级压力应大于深部开采充填体的自重压力与上覆岩体的应力之和[7]，本实验设计的加载应力等级最大值为128 KN(25.5 MPa)，中间加载压力等级分别为为4 kN(0.8 MPa)、8 kN(1.6 MPa)、16 kN(3.2 MPa)、32 kN(6.4 MPa)、64 kN(12.8 MPa)。固结试验结束后采用自主设计的脱模器对试块进行脱模，然后分别测试不同养护时间试块的单轴抗压强度，实验方案如表1所示。

表1 不同养护龄期尾砂胶结充填体侧限固结试验方案

2 侧限高应力固结试验

2.1 充填试块制备

1)料浆制备。按照计算好的用量用电子秤(精确到0.1 g)分别称取充填水、尾砂、胶结剂等试验原料，然后称量好的原料依次倒入于搅拌器内并不停进行搅拌使料浆充分混合混匀。

2)试块浇筑。制作试块时，首先要将试模内壁清理干净并均匀涂抹一层润滑油后套在尼龙底座上，然后将制备好的料浆缓慢倒入试模中。在加料过程中要持续对料浆进行搅拌，防止料浆的离析。试模浇满后，静置等待料浆脱水后再浇注，直到固态料浆高于试模为止。试件制作完成24 h后，用刮板将胶结试块的顶部刮平，最后根据实验方案对试块进行编号，并做好清晰的标记。

3)试块养护。将试件放于HBY-40B型水泥(砼)恒温恒湿标准养护箱中养护，养护条件为湿度95%、温度20℃。

2.2 侧限固结压缩实验

试块达到预定养护龄期后，在300 kN电子液压压力机上进行侧限固结压缩试验。实验过程如下所述。

1)将尼龙滤水底座拆除，装上专用实心压头。将试块和压头顺利置于承载台的中心位置，调整好压力机后安装千分表，如图1所示。

图1 侧限固结实验及装置

2)试验开始后，施加1 kN的预压力使试样与仪器上下各部件之间充分接触，待压头与压力机有效接触，将千分表调零。

3)根据确定施加的各级压力进行加载。

4)控制压力机加载速率，对试块进行应力加载。达到预定等级加载压力后，调整压力机使试块应力维持在该加载应力等级下持续10 min，并及时记录千分表度数。

5)持载过程结束后继续按照恒定加载速率加载至下一应力等级，按此步骤逐级加压至128 kN。

6)加载过程结束后，记录千分表数据并保存试验曲线，最后卸载应力，固结过程结束。

7)脱模及强度测定。待充填试件固结试验结束后，取出加压压头。在钢筒内放置一个直径79 mm、厚度为20 mm的实心钢垫。然后把钢筒和垫片放置于脱模器中，用千斤顶进行加压、脱模。将固结、脱模后得到的充填试块进行单轴抗压强度测定。

3 尾砂胶结充填体侧限高应力固结机理研究

3.1 侧限高应力固结变形规律分析

由于每组充填试块的尾砂粒级组成和孔隙率存在差异，因此实验过程中，对相同条件的各组试块的压缩量取平均值作为各自养护龄期充填体的压缩量。与此同时，按照上文中的固结步骤，对试验用分级尾砂也进行了压缩固结试验，得到了不同固结应力下分级尾砂的压缩规律，实验所得的不同龄期充填体及尾砂的压缩数据如表2所示。

图2 试件脱模后抗压强度测定

固结应力(MPa)56d压缩量(mm)28d压缩量(mm)14d压缩量(mm)纯尾砂压缩量(mm)0.80.6151.6631.5082.3741.61.1542.4213.0544.7893.22.1744.3456.0818.1196.45.8607.82410.53411.10112.810.78413.07316.38915.55025.517.43019.51623.89721.406

对实验所得的数据进行整理、分析，并对不同养护龄期的充填体及尾砂的压缩量随固结应力的变化规律进行回归拟合分析，数据拟合曲线如图3所示。由图3可以看出，随着固结应力的不断增大，充填体的压缩量(轴向变形)也随之增大。三种养护龄期的充填体随固结应力的增加表现出明显的规律性，轴向压缩变形量遵循指数函数S=aebσ(a、b为常数)增长，且曲线拟合相关系数R2均大于98%，表明充填体压缩变形回归显著，拟合曲线具有很高的精度，拟合结果见表3。对比不同龄期充填体的压缩变形曲线可以看出，养护时间越长，充填体相同固结应力下轴向压缩量越小。

图3 不同固结应力下充填体及尾砂的压缩量拟合曲线

充填试块龄期abR214d1.00250.55440.984728d0.94890.51310.995656d0.30040.69770.9916

3.2 侧限固结过程充填体本构关系探讨

对实验室内进行的龄期分别为14 d、28 d、56 d充填体的侧限固结试验数据进行整理分析，分别绘制充填试块的侧限高应力固结压缩曲线。绘制尾砂胶结充填体侧限高应力固结压缩曲线的原理和步骤如下[8]。

1)在充填体固结压实过程中，用千分表记录下刚性圆筒内充填体的轴向变形Δ与轴向应力P的对应读数。

2)根据公式ε=Δ/h(h为初始压力时充填体的高度)将Δ转化为轴向应变。

3)绘制尾砂胶结充填体的侧限固结曲线，即σ-ε曲线。

尾砂胶结充填试块进行侧限高应力固结试验结束后，根据试验测得的数据绘制充填试块固结的应力-应变曲线。图4为灰砂比1∶10，浓度为70%，养护龄期分别为14 d、28 d、56 d充填体侧限固结的应力-应变曲线。由图4中可以看出，充填体侧限高应力固结过程可分为以下四个阶段。

图4 不同龄期充填体侧限高应力固结应力-应变曲线

1)第一阶段为初始变形阶段(图4中oa段)，此阶段为充填体受力的初期阶段。充填体内大量微孔隙和微裂纹开始不断被压密，并且在侧限约束条件下发生初始变形。此时充填试块应力-应变曲线较为平缓，随着应力的增大曲线斜率越来越大；固结前充填体龄期越长，应力-应变曲线斜率越大。

2)第二阶段为弹性变形阶段(图4中ab段)，此阶段充填体随着加载应力的变大而发生弹性变形，应力-应变曲线接近直线。龄期为28 d、56 d的充填体应力-应变曲线变化规律基本一致，龄期14 d的充填体应力-应变曲线仍然较为平缓，该阶段应力条件下变形最大。

3)第三阶段为弹塑性变形阶段(图4中bc段)，此阶段充填体发生弹塑性变形，应力-应变曲线斜率逐渐变大。该阶段充填体微空隙和微裂隙进一步被压密，同时随着应力的持续增大，充填体内部开始出现新的裂隙并扩展、集结，充填体发生塑性变形。由于侧限约束条件的存在，充填体内部出现的裂隙不能持续发育，无法通过宏观状态表现出来。

4)第四阶段为弹性变形阶段(图4中cd段)，此阶段充填体侧限约高应力状态下发生弹性变形，应力-应变曲线呈线性变化。该阶段充填体微空隙和微裂隙被压实，同时由于刚性侧限约束的存在，充填体内部出现的裂隙不能持续发育，充填体不再发生塑性变形，随着应力的增大，充填体发生弹性形变，应力-应变曲线变为直线。

4 结 论

本文在实验室实验基础上，分别对不同龄期充填体侧限约束条件下的固结变形特性进行研究，对侧限高应力条件下充填体固结机理进行了探讨，得到了以下几点结论。

1)针对深部开采充填体的受力特性，进行了龄期分别为14 d、28 d、56 d的一系列充填试块的侧限高应力固结试验，得到了不同养护龄期充填体的压缩规律。研究表明，在最大固结应力为25.5 MPa的刚性侧限条件下，充填体轴向压缩变形量遵循指数函数S=aebε(a、b为常数)增长，拟合曲线回归显著，具有很高的精度。

2)对侧限高应力固结过程中充填体的本构关系进行了探讨，分析了侧限约束条件下充填体由弹性变形到弹塑性变形再过渡到弹性变形的全过程；分别对不同龄期充填体固结过程的应力-应变曲线进行拟合，结果表明回归显著，精度较高，所拟合应力-应变曲线能够很好的描述侧限固结过程中充填体的力学特性。

3)关于尾砂胶结充填体侧限固结试验，目前还是一项探索性研究，无论从方法和试验规程上都需作进一步的探讨和完善，需要形成相关试验标准。

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Research on the consolidation characteristics test of cemented tailings backfill under side-confined high stress

YU Genbo1，LYU Wensheng2，3，WANG Kun2，3

(1.Beijing GXAK Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China)

After the roof-contacted filling，the ability of controlling the overburden was directly affected by the deformation value of backfill under the complicated stress conditions.In order to reveal the mechanics mechanism of the backfill in service process in deep mining，the deformation performance of backfill under complicated stress conditions must be understood deeply.Combined with engineering practice and in base of laboratory tests，the consolidation deformation characteristics of different curing age side-confined backfill were studied in this paper，and the compression rules of different curing age backfill were revealed.The constitutive relations of backfill in the process of side-confined consolidation were discussed.And the whole process of backfill under side-confined consolidation from elastic deformation to elastic-plastic deformation was analyzed.The conclusions can provide a scientific basis for deep mining design and safety management.

backfill；cemented tailings；side-confined high stress；consolidation characteristics

2017-05-20 责任编辑：刘艳敏

于跟波(1986-)，男，工程师，博士，主要从事充填工艺、安全技术方面的研究，E-mail：jiangbobj08@163.com。

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1004-4051(2017)07-0101-04