采场充填分层次数对充填体强度的折减效应*

2021-11-18沈慧明吴爱祥焦华喆3王贻明

现代矿业 2021年10期

沈慧明吴爱祥焦华喆,3王贻明

（1.北京科技大学土木与资源工程学院；2.中钨高新材料股份有限公司；3.河南理工大学土木工程学院）

充填采矿法在矿山中应用广泛，其不但对控制采空区塌陷成效显著，而且使选矿废弃尾砂可以得到有效处置［1-2］。充填体的力学特性是该领域中的研究重点，一直倍受国内外学者关注。传统充填体力学研究往往通过室内实验进行强度预测，未考虑分层作用对充填体力学性能的影响［3-5］。在厚大矿体采场或大型采空区回填时，由于充填能力的限制和充填过程的不连续，大型采空区往往经多次充填过程，充填体是多次或多层累积形成，内部存在若干结构面。Cao等［6］通过对充填体分层数及充填角度等因素进行研究，探索充填体力学特性与其关系。Xu等［7］研究不同配比下分层充填体力学性能，对充填体结构面强度效率进行评价。张爱卿等［8-9］基于不同充填体试验参数，构建结构面与荷载耦合作用下的损伤本构模型。葛海源等［10］针对超细全尾砂充填体的强度试验，揭示了充填体的力学特性及其强度变化规律。陈国瑞等［11］对比不同配比的尾砂胶结充填体单轴抗压强度，验证了分层充填体破坏时端部效应机理的正确性；薛改利等［12］针对阶段嗣后充填过程，研究采场稳定性和充填体之间的关系。汪杰等［13］开展水平分层充填体力学性能试验，研究了其分层效应和荷载耦合对充填体损伤的劣化效应；宋卫东等［14］针对不同充填次数的分层充填体，得出充填体能量损耗与充填次数间的关系。

随着数值模拟软件快速发展，越来越多专家学者采用数值模拟软件对材料的性能进行模拟计算，分析总结物理实验所无法获取的结果。于永纯等［15］采用FLAC3D软件得出充填体在其极限稳定状态下，确定采场充填体强度和结构设计；吴振坤等［16］应用ANSYS软件模拟充填体的爆破响应特征，为充填采矿起爆设计提供依据。目前，运用颗粒离散元法对岩石、水泥类材料的研究已广泛发展。通过离散元法，将颗粒材料模拟为球形颗粒，研究颗粒间运动和相互作用，从而揭示材料特性［17-19］。马乾天等［20］基于PFC颗粒离散元对废石胶结充填体模型进行单轴压缩模拟，研究其破坏规律；唐亚男等［21］借助PFC分析胶结充填体的内部裂纹演化规律；程爱平等［22］运用颗粒流数值模型从宏细观角度对充填体裂纹扩展模式进行验证。秦绪忠等［23］利用PFC2D软件对不同灰砂比的多层充填体进行3点抗弯试验，分析分层充填体的抗弯特性。辛杰［24］根据充填材料扫描电镜图像建立充填材料的细观结构PFC2D模型，获取孔隙率、接触力链等微观信息。

二步骤采矿或者残矿回采时充填体暴露，且爆破振动对充填体扰动会进一步造成其劣化。香炉山钨矿矿体厚度较大，使用水平分层充填法进行矿体的回采和矿柱的回收。在二步骤回采、矿柱回收过程中，分层现象显著。部分薄弱区域产生充填体片帮或坍塌现象，对正常的回采产生较大的安全隐患。因此，研究分层充填体的强度特性具有较高的理论价值和工程意义。

本研究在确定较优充填体配比基础上，对不同分层数充填体进行单轴抗压强度试验，得到不同分层数量充填体的单轴抗压强度及其破坏特征，分析分层数对充填体强度失效模式的影响。并采用数值模拟软件PFC2D对充填试件进行模拟计算，研究其内部细观裂纹演化规律。通过物理实验与数值模拟结合的方法，探究分层充填体的破坏特征，将研究结果应用于矿山充填，对于充填体目标强度设计与优化和矿山建设有重要意义。

1 室内实验

1.1 实验原料

（1）中钨高新香炉山钨矿的矿物成分主要为石英、斜长石、辉石和云母，其化学成分如表1所示，其中SiO2的含量最高，达69.52%，SO3的含量仅有0.03%。尾矿粒度分析结果见表2，钨尾矿的粒级为-0.15～+0.074 mm的产率高达23.45%。

（2）胶固粉取自湖南某胶固粉厂，其化学成分见表1，从表中可看出含量最高化学成分为CaO，其含量为66.3%，其次为SiO2，其含量为22.50%。而SO3的含量最少，仅含0.31%。

1.2 分层充填体实验

实验模具采用定做内径为50 mm、高度为100 mm的透明亚克力管，因其为透明模具，可保持较好的可视性，从而容易观察到试件的分层充填。试块制作完成后，需进行28 d养护，养护环境为恒温恒湿环境，温度控制在20℃左右，湿度控制保持于95%左右，灰砂比设定为1∶12。质量浓度采用65%、70%、75%这3种浓度，分层次数选定1～4层，试件每层高度依次为100，50，33.3，25 mm，分层浇筑时间间隔48 h（图1）。

1.3 实验步骤

（1）实验材料混合搅拌。首先将尾砂、胶固粉以及水按照实验设计比例混合，然后把混合的料浆搅拌均匀备用充填。

（2）模具分层充填。按照不同分层数的充填体的分层高度向模具内充填料浆，不同层间时间间隔48 h后，继续按照预定高度向模具充填料浆，直至充填顶层料浆至模具顶口高度。

（3）充填体脱模及其养护。充填完成后，将试件置于养护箱内，恒温恒湿环境下养护3 d，之后取出脱模，并将脱模后的充填体试块再次置于养护箱内直至28 d养护期；对于分层试件，其养护周期以顶部充填体养护周期为准。

（4）强度检测。采用电液伺服控制压力机对试件养护完成后的充填体试块进行单轴压缩试验。压力机加载方式采用位移加载形式，加载速率调至0.5 mm/min，每组试件测试3个强度，并计算每组试件的平均强度。

1.4 实验结果与讨论

单轴抗压强度实验结果见图2，其强度为每组相同试件的平均强度。分析图中数据得出，完整试块的单轴抗压强度普遍较高，最高为2.786 MPa，而分层试块强度普遍较完整试块强度小，由此得其强度规律：伴随填充次数的逐步增多，充填体试块单轴抗压强度整体呈减小趋势。针对相同分层数的充填体试块，随浓度增大，单轴抗压强度逐步增大。

在我国，无论是分层开采还是分段、嗣后开采，充填体强度的理论计算通常是基于完整充填体的强度值。在超大采空充填体时，无法一次充填，因此，研究充填体的分层强度破坏规律至关重要。图2中的数据发现，填充次数对填充体的强度有明显的削弱作用。也就是说，伴随分层充填体的层数增多，其单轴抗压强度则变小。鉴于目前研究成果的不足，考虑了充填体强度折减系数（k）概念，对其折减规律进行研究，将分层填充试件强度与整体填充试件强度进行比值：

运用式（1）对试验充填体抗压强度进行折减计算，结果见表3。

由表3可知，当填充料浆浓度恒定时，抗压强度折减系数随填充次数的增加而减少。随着充填次数的增加，充填体强度折减所产生的的弱化作用愈加明显。相同充填次数情况下，料浆浓度从65%增至75%时，折减系数呈增大趋势。当充填体质量浓度在65%～75%时，其对应的折减系数k值在0.613～0.929。

单轴压缩实验中试件破坏形式如图3所示，通过对不同分层充填体试件破坏形式分析发现，1层填充的完整试件以平行于加载方向的贯穿张拉破坏和半贯穿的剪切破坏形式为主；2层填充充填体试件破坏则主要表现为靠近加载端的上分层充填体的共轭剪切破坏形式，部分出现了贯穿分层面的裂纹。对于3、4层填充形成的充填体，试件的破坏形式主要表现为贯穿分层面的拉伸破坏。伴随料浆质量浓度的增加，相同层数的充填体的破坏程度减弱，但其相较于层数对于充填体破坏所产生的影响较小。

综合分析得到，充填体试件破坏形式主要为共轭剪切破坏以及贯穿分层面的张拉破坏，完整充填体破坏裂纹呈现整体贯穿，而分层充填体裂纹多集中于上部分层。不同填充次数的试件在加载试验完成后，破坏充填体试件分别在其分层面出现程度不一的分离、错动现象。此现象是因充填过程中，时间间隔造成其分层面之间形成低强度夹层，在加载试验时，该面呈现易破坏状态，从而使充填体的整体抗压强度降低。由此，在进行充填强度设计时，需充分考虑充填分层对强度造成的弱化作用。

2 分层胶结充填体破裂的细观机理

利用PFC颗粒离散元软件建立尾砂和胶固粉2种颗粒模型。PFC软件其本质是从细观角度对介质的力学特性进行研究，在软件中，颗粒为刚性颗粒，在力学关系的基础上其相互之间可以重叠，从而达到对颗粒间接触力的模拟。但在软件中，需要对颗粒材料的细观参数进行标定，包括颗粒级配、摩擦力等微力学参数。尾砂颗粒模型之间无黏结作用，胶固粉颗粒模型间构建平行黏结模型，从而模拟因水化反应而产生的胶凝体。对照室内试验，对在不同分层数下的不同浓度试件依次进行建模，并进行加载模拟，分析其破坏形式。

2.1 模型颗粒分布

尾砂颗粒大小经简化处理应用于数值模型中，颗粒级配与真实保持一致。胶固粉颗粒半径为3.0×10-4mm，略小于尾砂颗粒半径中最小颗粒。通过PFC2D软件，将尾砂与胶固粉颗粒随机均匀分布于所建模型中。

2.2 参数标定

通过建立单轴压缩命令，实现对所建立模型的单轴压缩实验，从而达到与物理单轴压缩实验的同等效果。数值计算模型大小与室内试验试块大小一致，其高度为100 mm，宽度为50 mm，上下界面运动速率设定为0.02 m/s。

2.3 模型构建

采用PFC进行模拟时，需要对充填体的尾砂颗粒、胶固粉颗粒以及分层接触面间的细观力学参数进行标定，接触模型参数如表4中所示。

2.4 分层胶结充填体破裂机理分析

通过利用PFC数值仿真软件加载，研究分析充填体内部破坏特征，分层充填体单轴压缩破坏形式数值模拟结果如图4所示。

模型加载初期阶段，模型颗粒间的接触力大小相比其黏结键强度较小；随着加载的逐步进行，颗粒间的接触力逐步缓慢增大，黏结键受力破坏，充填体开始逐渐产生裂纹，其数量开始呈现波动上升；继续对充填体施加荷载，接触力大于黏结强度的颗粒逐渐增加，内部裂纹开始缓慢形成；持续施加荷载，裂纹数目出现拐点且迅速上升；最终裂纹数目保持增长状态并稳定于较高水平。

综合分析可知，分层充填体试件主要表现为剪切破坏和张拉破坏。在灰砂比固定的情况下，随分层数的增加，试件内部裂纹密度越大，且内部裂纹集中于分层软弱层，分层面存在明显的弱化效应。充填体内部裂纹多集中于分层充填体上层，下层充填体基本上保持完好。加载完成后，充填体模型呈现明显的脱落现象，且脱落现象跟随分层结构因素的出现，大都出现在上层中，底层充填体基本保持完好状态，而上层及中间层充填体均呈现不同程度的脱落分离，且随充填体质量浓度的增加，脱落程度呈加剧趋势。

通过采用PFC数值模拟，对充填体内部裂纹的发展规律及其数目增长形式进行研究，得出内部裂纹多集中于分层面，且裂纹增长趋势先呈现波动增长，进而缓慢增加，继而转变为快速增长，最后保持于较高状态，且分层现象会造成充填体脱落分离，裂纹集中体现于上部充填层，下部充填层大都保持完整性。将数值模拟结果与室内试验对比，结果基本相同，验证了颗粒离散元PFC2D数值模拟对充填体建模模拟的正确性。

3 现场充填建议

针对充填体的分层结构因素所开展的研究，对于香炉山钨矿采空区充填具有重要意义。依据室内实验和数值仿真模拟结果，发现充填体的强度与充填次数所产生的多层分层面有密切关系，充填次数的多少直接影响分层对充填体所产生的折减效应强弱。因此，减少采空区的充填次数，对矿山充填至关重要，需要实现充填站的连续造浆，以此消除多次充填所产生的折减影响。但考虑连续造浆技术对矿山的充填挡墙建设要求和采空区大小等问题，该解决手段实施过程难度巨大。结合目前香炉山钨矿的生产实际，建议缩短充填周期以及增加单次充填量来降低分层所产生的影响。通过实际充填改造，采空区充填体整体强度较之前有明显增加，为安全回采创造了有利条件。