围岩与早期强度阶段充填体耦合作用的模拟试验研究

王 明 旭

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081；2.惠州市国土资源局，广东 惠州，516003)

在矿山开采中，对采空区进行及时充填能够有效提高采场的安全稳定性，目前较多矿山选用尾砂胶结充填法，其充填体强度一般为2～4 MPa。充填体的强度依据硬化时间分为前期、中期和后期，其中前期和中期时间较短，也就是本文所探讨的早期强度范畴。刚泵送至井下采场的充填体呈流体状，没有自稳能力，早期强度较低(加入早凝剂的除外)。为了进行连续的矿山安全作业，尾砂胶结充填体的强度必须能够快速增长，如何提高充填体早期强度的研究成果较多。例如，王健等[1]通过多种激发剂的激发活化作用，使胶结体的早期强度在4 h内达到0.3 MPa以上；林枝祥等[2]研究表明，三山岛金矿的盐卤水可以提高尾砂胶结试块和水泥净浆试块的早期强度；孙文标等[3]认为以凝石作胶凝材料的充填体强度高于以普通水泥作胶凝材料的充填体强度。由于不同矿山尾砂的力学特性和现场地质情况的复杂性，尾砂胶结充填体的早期强度不足问题未能完全解决，而充填之后形成的围岩与充填体的相互作用机理仍然是一个研究难点。

石蜡作为胶结剂在相似材料模拟中应用较多。例如，林海飞等[4]运用正交试验设计配制以河砂为骨料、石蜡为胶结剂、液压油为调节剂的相似材料；邓晓谦[5]在进行巷道变形特征及失稳危险判别研究时采用石蜡和砂的混合物作为围岩相似材料；李树忱、李术才等[6-7]用砂和滑石粉作为骨料、石蜡作为胶结剂，并配以适量调节剂混合而成一种新型固流耦合相似材料；李树刚等[8-10]分析了以低熔度优质石蜡和油作为胶结剂对固气耦合相似材料特性的影响；陈红江等[11]采用固体石蜡和液体石蜡混合物作胶凝剂配制相似材料；张杰[12]研制出以石蜡为胶凝剂的流固相似模拟实验材料。这些研究成果验证了石蜡作为相似材料胶结剂的有效性，同时也为采用石蜡作为充填体模拟材料提供了研究方向。

本文选用全精炼的工业石蜡作为充填体模拟材料，同时也将其作为胶结剂，与矿山尾砂组成尾砂石蜡充填体模拟材料，运用损伤力学理论，通过力学性能测试并借助超声波检测仪、声发射信号分析仪、裂纹扩展显微成像设备等，对处于早期强度阶段的充填体与围岩的耦合作用机理进行试验研究。

1 相似模拟试验

1.1 模拟材料

为了模拟早期强度阶段充填体与围岩的相互作用，运用相似原理进行相关材料的选择及配比试验。矿山充填现场使用水泥、尾砂质量比为1∶10的充填材料，在接顶区域充填体的相应配比为1∶8。为便于比较研究，对水泥、尾砂配比为1∶10(浓度为68%)的早龄期(1～9 d)充填体试样进行轴向加载试验，绘制应力-应变曲线，结果如图1所示。

图1 不同龄期充填体的应力-应变曲线

Fig.1Stress-straincurvesoffillingbodieswithdifferentages

从图1可以看出，随着龄期的增大，试样强度总体上逐渐增大，但变化趋势并不稳定。试样的抗压强度按龄期的排序出现跳跃变化，表明此配比试样的稳定性不佳；同时，这些试样在加载破坏前的应力-应变曲线呈现线性变化特性，加载破坏后具有一定的残余应力。

本研究选用两种充填体模拟材料：一种是全精炼的工业石蜡，另一种是以石蜡为胶结剂的尾砂石蜡拌合材料。通过轴向加载试验得到这两种模拟材料的应力-应变曲线如图2所示。结合图1和图2可知，两种充填体模拟材料在加载破坏之前的应力-应变曲线呈线性变化，与矿山所用充填体早龄期的应力-应变曲线的变化基本一致，即三者具有相似的力学特征。

(a)纯石蜡

(b)尾砂石蜡

Fig.2Stress-straincurvesofsimilarmaterialsoffillingbody

考虑对矿山围岩进行现场取样并切割、钻孔、掏槽的难度较大，故试验中的围岩根据相似原理采用P·C 32.5复合硅酸盐水泥和矿粉进行配比。对水泥、矿粉的质量比为1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10的大量配比试样进行单轴抗压强度测试，最后确定配比围岩采用水泥、矿粉质量比为1∶5。现场矿岩和配比围岩的应力-应变曲线如图3所示。从图3可见，矿岩在加载初期出现了几次较小的应变调整阶段，而配比围岩的应变调整次数显然高于矿岩，这是由于制样的压实度、养护方式和时间等因素不同而导致配比试样存在一定范围的不可控性，但两者应力-应变曲线的整体变化趋势相似。

(a)矿岩

(b)配比围岩

Fig.3Stress-straincurvesoftheactualandsimilarsurroundingrocks

模拟试验应满足的相似判据如下：

(1)

式中：Cσ为应力相似常数；Cι为几何相似常数；Cγ为容重相似常数。本研究以现场充填体与围岩接触带区域为参照，试验中模拟试样与原试样几何尺寸相同，即几何相似常数为1，则相似判据中的应力相似常数与容重相似常数之比应为1，为此，模拟材料与矿山现场充填体和围岩所对应的应力和容重比要近似相等。配比围岩的单轴抗压强度为12.865 MPa、容重为26.49 kN/m3；矿山实际矿岩的单轴抗压强度为20.016～118.5 MPa(取样矿岩的单轴抗压强度为20.016 MPa)、容重为41.2 kN/m3。配比围岩的应力与容重之比为0.4856，而矿岩的应力与容重之比为0.4858，其相应比值近似为1，满足相似原理。纯石蜡的单轴抗压强度为0.724 MPa、容重为0.927 kN/m3；充填现场所用胶结充填体容重为2.018 kN/m3，其前期强度在0.8 MPa以内(见图1)，中后期的单轴抗压强度为1.560～4.615 MPa，总体平均为1.560 MPa。石蜡模拟体的应力与容重之比为0.7810，而现场胶结充填体的应力与容重之比为0.7730，其相应比值近似为1，满足相似原理。

1.2 试样制备

试样结构如图4所示，在100 mm×100 mm×100 mm的内空盒子正中区域预留45 mm×45 mm×100 mm的空间，其中预留空间内为充填体模拟材料，立方体其余空间内为配比围岩模拟材料。试样制备时，首先将预留空间用聚乙烯泡沫塑料填充，然后浇筑配比围岩，待围岩养护7 d 后抽出泡沫塑料，再浇筑充填体模拟材料。整个试样养护28 d 后进行相应的加载试验。

图4 试样结构

1.3 试验方法

设置三种试验工况：工况一(1#试样)，预留区域使用纯石蜡充填；工况二(2#试样)，预留区域使用尾砂石蜡拌合材料充填；工况三(3#试样)，将预留区域平分为上下两层，上层采用纯石蜡充填，下层采用尾砂石蜡拌合材料充填。

试样养护完成后，使用WAW-300型微机控制电液伺服万能试验机进行轴向加载。为了更好地研究围岩和充填体相互作用引起的试样表壁裂纹扩展情况，特别是微小裂纹的变化，加载前将复合体试样在熔化的石蜡中浸泡，使其表壁形成一层完整性较好的石蜡薄层。在加载过程中，除观察试样表壁的裂纹扩展外，也通过石蜡薄层的裂纹变化情况来表征试样表壁的微小裂纹。加载破坏后，通过微观成像设备和扫描仪等对复合体试样表壁裂纹扩展情况进行描摹，具体做法是：将与试样表壁面积相同的PET透明塑料薄片覆盖试样表壁，进行裂纹线描画，然后扫描成电子图片，再通过图像处理软件形成裂纹分布图。

同时，为了进一步表征复合体试样的内部破坏情况，在加载过程中，采用武汉中岩科技股份有限公司生产的RSM-SY5(T)非金属声波检测仪进行超声波监测，并借助DS2系列全信息声发射信号分析仪监测试样的声发射点分布。

2 试验结果及分析

2.1 裂纹演化

三种试验工况下，试样加载破坏后的表壁裂纹线如图5所示。

从图5(a) 可以看出，对于充填体为纯石蜡的1#试样，其表壁裂纹沿着配比围岩和石蜡充填体接触面延伸，而且存在一个内部连通的裂纹扩展面，从背立面经过底面一直贯通到正立面，并且与上表面连接。由于试样右边部分发生了较大的裂纹扩展，致使其左边部分裂纹较少，尤其是在左立面上没有裂纹产生。这种裂纹扩展情况表明，在加载过程中贯通裂纹的产生释放了部分应力，对试样左边的配比围岩起到了保护作用。

从图5(b)可以看出，充填体为尾砂石蜡的2#试样左立面和背立面的表壁破坏较为严重。通过扫描仪将这两个面扫描成二值图(见图5(b)的左下角和右上角)，这样除了可以表观展现裂纹扩展情况，还可更全面地了解试样临空面脱落破坏的深浅以及裂纹线附近的破坏特点。试样正立面的裂纹较少，主要是在试样底部有一个近1.6 cm的短裂纹，而该面其它区域并没有裂纹。通过对试样表壁石蜡层进行观察可知，虽然试样正立面可见裂纹较少，但其表壁石蜡层中的微裂纹较多，如图6所示。图7为2#试样内部裂纹线，可以看出在加载过程中，裂纹破坏从内部到表壁主要在围岩和充填体接触面处发生。

从图5(c) 可以看出，对于上半部分用石蜡填充、下半部分用尾砂石蜡填充的3#试样，其表壁裂纹扩展主要发生在正立面和右立面，其它面的裂纹线较少，而且这些裂纹主要集中在试样的上半部分。从数量上看，复合体表壁上部区域的裂纹数达17条，下部区域只有6条，前者是后者的2.8倍。这是因为，石蜡较尾砂石蜡的抗压强度低，充填体与围岩共同承载时，充填体承载能力越弱，其变形能力就较强，通过变形调节，致使上部荷载主要由围岩承担，最终导致围岩破坏，相应上半区域裂纹也更丰富和复杂。

(a)1#试样 (b)2#试样 (c)3#试样

图5试样加载破坏后的表壁裂纹线

Fig.5Cracklinesonthesurfacesofthedamagedsamples

图6 2#试样正立面表壁石蜡层中的微裂纹

Fig.6MicrocracklinesintheparaffinlayeronthefrontsurfaceofSample2#

图7 2#试样的内部裂纹线

2.2 声速值变化

为了研究比较的方便，选取1#试样进行超声波监测试验。在1#试样的表壁对称面选择4个监测点(见图8)进行加载过程中的超声波测试，结果如图9所示。

Fig.9Variationsofacousticvelocityatthemonitoringpointswiththeload

从图9可以看出，在加载过程中，J1和J3监测点处超声波声速值总体呈减小趋势，变化较为稳定，不过J1处的声速变化幅度相对更大，其从未加载时的2.128 km/s变化到加载破坏时的1.282 km/s，减幅达39.8%，而J3处的声速从未加载时的2.222 km/s变化到加载破坏时的2.083 km/s，减幅为6.3%。相较于监测点J3这一侧，试样在J1监测点这一侧的破坏更严重(见图5(a))，正好有效印证了其声速值的大幅降低。对于穿过石蜡充填体的J2和J4监测点，其声速变化起伏较大。J4监测点的声速值在加载破坏时降幅很大，从荷载为20 kN时的1.667 km/s下降到试样破坏时的0.826 km/s，而J2监测点处声速值变化趋势则完全相反，从20 kN时的0.901 km/s升高到试样破坏时的1.693 km/s。试样破坏时上部区域裂纹破坏点较多，下部区域裂纹破坏点较少，这与J2和J4监测点所测的声速值变化规律是相符的。声波监测数据表明，复合体试样在加载过程中，围岩内的超声波有较稳定的变化规律，在破坏之前，声速值在2.2 km/s左右，而当超声波穿过充填体时，由于石蜡模拟的充填体与配比围岩相互作用而不断产生协调变形，致使声速值变化起伏较大。

2.3 声发射特征

仍以1#试样为对象进行加载过程中的声发射特征分析，其声发射点分布如图10所示，可以看出，在加载过程中声发射点主要分布在充填体与围岩接触带区域。

图10 1#试样的声发射点分布

在复合体试样加载过程中，声发射仪不断监测到振铃计数的产生，推测试样内部损伤程度与振铃计数存在一定联系。为此引入损伤变量D，定义为

(2)

式中：S为各时间点的振铃计数累积数；Sm为振铃计数总数。

(3)

式中：F为荷载；Fm为试样的最大抗压荷载。

图11 1#试样加载过程中的D -ψ关系曲线

3 结论

(1)对于全精炼的工业石蜡和以石蜡为胶结剂的尾砂石蜡拌合料这两种充填体模拟材料，其在加载破坏之前的应力-应变曲线与矿山所用充填体早龄期的应力-应变曲线具有相似的线性变化规律，三者力学特征接近，故用石蜡和尾砂石蜡模拟处于早期强度阶段的胶结充填体是合理和可行的。

(2)复合体试样的损伤破坏从内部向临空面延伸过程中，裂纹主要沿着围岩与充填体接触面扩展。充填体承载能力较弱时，其变形能力较强，荷载主要由围岩承担，最终导致围岩破坏，相应区域的裂纹也更为丰富和复杂。

(3)加载过程中，复合体试样内的超声波声速值衰减幅度与围岩和充填体的内部损伤破坏情况是相吻合的，衰减幅度越大的区域，其破坏越严重。试样加载过程中的声发射点分布情况进一步验证了损伤破坏主要在充填体与围岩接触带区域发生，这与裂纹扩展情况相对应。