張友鋒， 付玉華， 余 姚

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.贛南科技學(xué)院，江西 贛州 341000；3.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州341000； 4.江西理工大學(xué) 理學(xué)院，江西 贛州 341000）

井下多年開采會逐漸形成大量采空區(qū)、地面塌陷 坑，導(dǎo)致礦柱無法采出，增大礦石損失、降低礦山經(jīng)濟效益。 充填采礦法因具有礦石回收率高、防止地表塌陷、控制地壓等優(yōu)點，在礦山得到了廣泛應(yīng)用［1］。

為了控制地壓，充填體必須起到支撐頂板的作用，因此需要有較好的接頂率。 充填料漿因泌水率、沉縮性而無法達到良好的接頂效果，常采取人工接頂、強制崩落接頂、加壓泵送充填料接頂?shù)却胧?，這些措施雖然能提高接頂率，卻增加了成本和工程量。 膨潤土因具有吸水性、膨脹性、觸變性等特點被應(yīng)用于解決金屬礦山充填接頂不足問題［2-5］。 采場進行二步驟礦柱回采時，充填體不僅受到靜態(tài)荷載，而且頻繁爆破震動使其產(chǎn)生累積損傷破壞，降低了采場安全性。 已有研究對沖擊作用下充填體力學(xué)性能進行了探索［6-9］，但涉及范圍仍不夠全面。 本文利用SHPB 桿分析了同一沖擊速度循環(huán)沖擊對摻膨潤土膠結(jié)充填體的應(yīng)力應(yīng)變、動態(tài)強度、吸收能、破壞特征的影響，以探索摻膨潤土充填體在多次爆破沖擊下的力學(xué)行為，為工程實際提供借鑒。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料及試樣制作

試驗材料主要為全尾砂、PC32.5 型普通硅酸鹽水泥及鈉基膨潤土。

全尾砂粒級分布如圖1 所示。 計算得到尾砂不均勻系數(shù)為7.82、曲率系數(shù)為1.13，證明尾砂級配和密實度好。 全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。 根據(jù)礦物活性評價指標計算出該尾砂活性率為0.03，同時S、Zn 元素含量很低，表明該尾砂是理想的充填惰性材料。

圖1 尾砂粒級組成

表1 全尾砂化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）／%

根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM 推薦的方法［10］，選擇動態(tài)沖擊試樣尺寸為Φ50 mm × 50 mm。 試樣制作流程按照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)范以及工程巖體試驗標準（GB／T50266—99）進行。 電子秤稱取尾砂、水泥，量筒稱量自來水，將一定比例材料倒入JJ-5 水泥膠砂自動攪拌機中攪拌，將攪拌好的料漿倒入模具。 澆筑過程中需不斷振搗保證均勻，使料漿面略高于模具，以便脫模時試件表面平整。 24 h 后脫模，之后將試樣放入養(yǎng)護箱中，溫度20.2 ℃、濕度96%條件下進行養(yǎng)護。為了減少試驗誤差，試樣加載前需用砂紙對其端面進行打磨處理，以此來保證端面平整。

1.2 試驗方法

為了對爆破沖擊下?lián)脚驖櫷脸涮铙w進行分析，在SHPB 試驗系統(tǒng)進行動載沖擊試驗，經(jīng)過探索實驗，得到未摻入膨潤土膠結(jié)充填體臨界沖擊速度為4 m／s，但為了保證多次沖擊，選取入射能的60%，即3.5 m／s；參考礦山現(xiàn)采用的充填配比和前期探索試驗數(shù)據(jù)，最終確定充填料漿配比為：灰砂比1 ∶4，質(zhì)量濃度75%，養(yǎng)護齡期28 d，膨潤土摻量分別為0、5%、10%和15%，共制備全尾砂膠結(jié)充填體試樣4 組12 個。

2 SHPB 沖擊加載試驗

2.1 試驗設(shè)備及原理

采用直徑50 mm 的分離式SHPB 裝置加載試驗系統(tǒng)，試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2。 試驗裝置主要包括子彈頭、入射桿、透射桿及吸收桿，通過固定氣壓大小、子彈頭位置來保證同一種沖擊速度對充填體試樣進行沖擊壓縮。

圖2 SHPB 裝置示意圖

根據(jù)一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力平衡假設(shè)，試樣應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)力隨時間變化關(guān)系為：

式中A為入射桿橫截面積，cm2；AS為試件橫截面積，cm2；E為壓桿彈性模量，GPa；lS為試件厚度，cm；CO為彈性應(yīng)力波波速，m／s；εT（t）為反射應(yīng)變；εT（t）為透射應(yīng)變；σS（t）為試件動態(tài)應(yīng)力，MPa；εS′（t）為試樣應(yīng)變率，s-1；εS（t）為試樣應(yīng)變。

2.2 沖擊加載下試樣原始波形

進行沖擊試驗前，需對SHPB 沖擊加載試驗系統(tǒng)進行校正檢查。 操作過程中不添加試樣，調(diào)整桿座將各桿件軸心對正，待桿件端面緊密接觸后，選取一定速度進行沖擊（速度不宜過大，以免對設(shè)備造成損壞），進行多次空沖試驗后，觀察波形是否達到試驗標準，最后得到空沖加載下的原始波形如圖3 所示。 由圖3 可以看出，沖擊加載后的入射波絕大部分發(fā)生透射，并且波幅值相近，誤差在試驗允許范圍內(nèi)，SHPB 沖擊加載系統(tǒng)運行正常，可進行充填體沖擊試驗。

圖3 SHPB 空沖試驗波形圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 充填體動態(tài)沖擊應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖4 為循環(huán)沖擊下不同膨潤土摻量的膠結(jié)充填體動態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。 養(yǎng)護齡期28 d 的膠結(jié)充填體經(jīng)過多次沖擊后應(yīng)力應(yīng)變曲線經(jīng)歷了微裂隙閉合、彈性變形、非彈性、裂紋貫通及破壞階段。 對比分析可以看出，充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線與膨潤土摻量有顯著相關(guān)性，未摻膨潤土充填體多次沖擊后曲線比首次沖擊顯著下跌，其中首次沖擊后充填體局部產(chǎn)生裂隙，第2 次沖擊應(yīng)力下降但裂隙被壓密，第3 次沖擊應(yīng)力略微上升，第4 次沖擊發(fā)生破壞，第2～3 次沖擊應(yīng)力相對接近；摻入膨潤土后，充填體應(yīng)力曲線逐級下降，充填體具有更穩(wěn)定的動態(tài)承載能力。 摻入膨潤土5%和10%的充填體第2 次、第3 次沖擊曲線出現(xiàn)了動態(tài)強度軟化現(xiàn)象，且多次沖擊比首次沖擊更先達到峰值應(yīng)變；膨潤土摻量15%時，首次沖擊峰值應(yīng)變出現(xiàn)在0.002 附近，而多次沖擊峰值應(yīng)變約0.003，可見摻入膨潤土可以提高充填體的動態(tài)承載能力。

圖4 充填體試樣動載沖擊應(yīng)力?應(yīng)變曲線

3.2 多次沖擊充填體動態(tài)強度特征

充填體承受沖擊次數(shù)的大小表征著抵抗爆破振動的能力水平。 充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量的關(guān)系如圖5 所示。 由圖5 可以看出，充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量呈先降低后增大的趨勢，膨潤土摻量10%時抗沖擊次數(shù)最低。

圖5 充填體抗沖擊次數(shù)與膨潤土摻量關(guān)系

表2 為沖擊加載下?lián)脚驖櫷脸涮铙w試樣的試驗結(jié)果（其中編號0-1 表示膨潤土摻量0、沖擊次數(shù)1，其余類推）。 動態(tài)抗壓強度增強因子（DIF）常被用來表示材料抗沖擊性能，分析動態(tài)抗壓強度增強因子能夠進一步量化動靜加載條件下充填體強度的變化關(guān)系。DIF 曲線見圖6。 結(jié)合表2 和圖6 可知，充填體DIF 隨沖擊次數(shù)增加大部分呈降低趨勢，但進一步觀察數(shù)值可以看出，首次沖擊時，摻入膨潤土各DIF 均在2 左右，明顯大于未摻入膨潤土?xí)r的DIF；而多次沖擊時，摻入膨潤土各充填體DIF 均大于未摻入膨潤土的DIF。 摻入膨潤土的充填體不僅在首次沖擊時具有良好的抗沖擊能力，而且多次沖擊后仍具有良好的抗沖擊能力。

表2 充填體試樣動載和靜載試驗數(shù)據(jù)

圖6 動態(tài)強度因子（DIF）

將不同膨潤土摻量膠結(jié)充填體在各沖擊次數(shù)下的動態(tài)峰值抗壓強度作圖，如圖7 所示。 由圖7 可知，受到?jīng)_擊加載后，膨潤土摻量10%和15%充填體動態(tài)抗壓強度隨沖擊次數(shù)增大呈下降趨勢，且摻量15%時下降趨勢更慢。 這是由于摻入膨潤土后，膨潤土產(chǎn)生的細小氣孔充斥于充填體內(nèi)部，顆粒間形成板狀、塊狀顆粒，充填體抗壓能力增大。 側(cè)面反映出了摻入膨潤土在滿足充填接頂?shù)那闆r下可以提升充填體的抗沖擊性能。

圖7 動態(tài)抗壓強度

3.3 沖擊加載下充填體能量變化特征

充填體在受到動態(tài)荷載沖擊的過程中伴隨著能量的改變，入射能WI、反射能WR、透射能WT及試樣吸收能WS間的關(guān)系為［11］：

式中WI為試樣入射能，J；WR為試樣反射能，J；WT為試樣透射能，J；WS為試樣吸收能，J。 參考巖石動力學(xué)中表征試樣單位體積內(nèi)吸收能的方法，引入比能量吸收量SEA對充填體單位體積內(nèi)吸收能進行表征，其計算方法為［12］：

式中VS為試樣體積，cm3。

根據(jù)上述各類能量計算公式，對尾砂膠結(jié)充填體動態(tài)沖擊過程中的能量值進行測試計算。 為定量表明膨潤土摻量對充填體吸收能、單位體積吸收能間的關(guān)系，將充填體試樣的吸收能、單位體積吸收能與膨潤土摻量作圖，見圖8。 由圖8 可知，各摻量充填體吸收能、單位體積應(yīng)變能（比能量吸收）與應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。 充填體能量值對沖擊次數(shù)敏感性較高，摻入膨潤土后，沖擊次數(shù)小于2 次時，充填體吸能能力增大，說明摻入膨潤土雖然可以提高其動態(tài)力學(xué)性能，但只能在一定沖擊次數(shù)內(nèi)。 因此多次爆破時要減少炸藥量并及時對充填體進行監(jiān)測。

圖8 充填體能量值與摻量關(guān)系

3.4 充填體破壞特征

不同膨潤土摻量膠結(jié)充填體的力學(xué)特征存在差異，受到多次動載沖擊后會表現(xiàn)出不同的破壞模式。為了揭示其變形破壞特征，表3 記錄了充填體多次沖擊后的破壞過程。 由表3 可以看出，膨潤土摻量與充填體變形破壞顯著相關(guān)，摻量0、15%的試樣受到4 次沖擊后發(fā)生破壞，其中前2 次沖擊后試樣端部發(fā)生破壞，第3 次出現(xiàn)細微裂紋，第4 次直接出現(xiàn)寬大裂縫而破壞；摻量5%、10%的試樣承受2 次或3 次沖擊后發(fā)生破壞，可見膨潤土摻量小于15%時會降低充填體抵抗沖擊的能力。 進一步觀察可看出，試樣最終破壞類型均表現(xiàn)為軸向張拉破壞。 這是由于養(yǎng)護28 d 的膠結(jié)充填體內(nèi)部經(jīng)過水泥水化反應(yīng)后，已經(jīng)生成大量C—S—H 凝膠，顆粒間黏結(jié)力變強，具有更好的抗沖擊變形能力，受到多次沖擊后仍具有良好的完整性。從最終破壞塊數(shù)上看，未摻入膨潤土的膠結(jié)充填體最終破壞數(shù)為3 塊，而摻入膨潤土充填體最終破壞數(shù)均為2 塊，直觀反映出摻入膨潤土后增強了充填體完整性。 膨潤土的加入使內(nèi)部孔隙被充滿，受力更加均衡，當(dāng)出現(xiàn)裂隙時，內(nèi)部積累的能量大部分沿著充填體主裂隙釋放。 從破壞形式分析可見，充填體出現(xiàn)微小裂隙到失穩(wěn)中間無緩沖過程，在生產(chǎn)中，要加強對充填體的監(jiān)測，防止出現(xiàn)突然垮落。

表3 不同膨潤土摻量充填體破壞特征

4 結(jié) 論

1） 多次沖擊后，膠結(jié)充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線均存在明顯的微裂隙閉合、彈性變形、非彈性、裂紋貫通與破壞階段；未摻入膨潤土充填體應(yīng)力顯著下跌，摻入膨潤土后則逐級下降。 膨潤土摻量5%和10%的充填體多次沖擊比首次沖擊更先達到峰值應(yīng)變，且出現(xiàn)動態(tài)強度軟化；膨潤土摻量15%時，充填體首次沖擊峰值應(yīng)變出現(xiàn)在0.002 附近，而多次沖擊峰值應(yīng)變約0.003。

2） 隨著膨潤土摻量增大，充填體抗沖擊次數(shù)呈先降后增趨勢，摻量10%時最低。 充填體動態(tài)強度因子（DIF）、動態(tài)抗壓強度隨沖擊次數(shù)增加而降低；沖擊后，摻膨潤土充填體DIF 均大于未摻膨潤土充填體DIF 值。 說明摻入膨潤土雖然能降低充填體抗沖擊次數(shù)，但動態(tài)抗壓強度仍處在一個較高的水平。

3） 充填體能量值對沖擊次數(shù)敏感性較高，充填體吸收能、單位體積應(yīng)變能整體隨沖擊次數(shù)增加而下降，其中部分沖擊次數(shù)會出現(xiàn)先降后增現(xiàn)象，說明摻入膨潤土雖然可以提高充填體動態(tài)力學(xué)性能，但多次沖擊時需減少炸藥量并及時進行監(jiān)測。

4） 試樣最終破壞類型均表現(xiàn)為軸向張拉破壞。膨潤土摻量與充填體變形破壞具有顯著相關(guān)性，未摻入膨潤土的膠結(jié)充填體最終破壞塊數(shù)為3，而摻入膨潤土充填體最終破壞塊數(shù)為2，說明摻入膨潤土增強了充填體的整體性；充填體從出現(xiàn)微小裂隙至失穩(wěn)無緩沖過程，需加強監(jiān)測，防止出現(xiàn)充填體突然垮落。