胶结充填体在动荷载作用下的响应特征

王建国，马 军，罗世云，陶子豪，左 庭，张智宇

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093;2.建筑健康监测与灾害预防国家地方联合工程实验室，合肥230601;3.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 650051)

云南省玉溪矿业集团大红山铜矿目前按先采矿柱后采矿房的两步骤高阶段空场嗣后充填法采矿，但是矿柱采场边界条件较为复杂，其两侧均为尾砂胶结充填体，回采界限受充填体的控制。进行二步骤回采时，爆破扰动容易对充填体产生破坏，导致充填体的片落和垮塌，从而影响采场和充填体稳定性。因此，研究爆破动荷载作用下胶结充填体的动态力学特征，将为爆破参数优化、充填方案选择以及数值计算模型的建立提供理论依据和参考。

Yang等[1]研究了3种灰砂比对全尾砂胶结充填体动态力学性能的影响；朱鹏瑞等[2]借助SHPB试验技术，得到分级尾砂胶结充填体在不同加载应变率条件下的应力应变曲线，分析了其破坏机理；杨伟等[3-5]通过静态单轴压缩试验和SHPB单轴冲击试验，对高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的动静荷载下的力学性质进行比较，并针对高浓度全尾砂胶结充填体建立了数据库；Zhang等[6]则研究了层状充填体在10～80 s-1应变速率下的动态力学特性和失稳行为；谭玉叶等[7]采用SHPB装置对6组30个胶结充填体试件进行了单轴单次冲击及多次循环冲击试验，探索了充填体在低速冲击下多次循环冲击的应力应变、动载强度及变形破坏特征。

可见，目前对胶结充填材料在单轴冲击状态下动态力学性能研究的方法及思路已经较为成熟。为了全面掌握大红山铜矿实际使用的胶结充填材料对爆破荷载的响应特征，分析了常规单轴冲击试验中加载应变率对胶结充填体动力学特性的影响。

1 试验设置

本试验系统中杆件直径均为80 mm、采用高强度碳钢材料，入射杆长度3 m，透射杆长度2 m，子弹为标准圆柱体，长1 m。试件按大红山铜矿井下实际充填配比参数制备，以质量浓度为72%，水泥含量为180 kg/m3的胶结充填材料(后文用CTB180代替)为例[8]，选用普通硅酸盐水泥和矿山尾砂为骨料，试件直径为80 mm，相关参数如表1所示。考虑到本次试验的胶结充填材料强度较低，设计较低的冲击气压以控制低应变率。

表1 CTB180试件配比及基本力学参数Table 1 Composition and basic mechanical parameters of CTB180 specimen

2 试验数据处理方法

对试验测得的电压信号标定转换得到入射波、反射波和透射波的应变波形，然后利用三波法[9-10]计算式(1)～式(3)获得相关指标值。

(1)

(2)

(3)

根据应力波理论[11]及能量守恒定律[12]推出冲击过程中各能量的计算方法：

(4)

(5)

(6)

ES=EI-ER-ET

(7)

式中：εI(t1)、εR(t1)、εT(t1)为入射、反射和透射波的应变时程曲线；EI、ER、ET、ES分别为岩样入射能、反射能、透射能、耗散能；ρ0为杆件的材料密度。

3 试验结果分析

3.1 试验数据统计

将入射杆、透射杆应变片所测数据用式(1)～式(3)计算得到CTB180在不同冲击气压作用下的动态强度、平均应变率、能量比等数据(见表2)。

表2 CTB180试件的冲击试验数据统计Table 2 Statistics of impact test data of CTB180 specimens

3.2 应变波形分析

图1 4种应变率下CTB180试件的应变波形Fig.1 CTB180 specimens strain waveforms under four strain rates

3.3 应力应变关系分析

图2 4种应变率下CTB180试件的应力应变Fig.2 CTB180 specimens stress strain under four strain rates

4 能量关系和破碎块度分析

4.1 能量传递规律

图3 不同应变率下CTB180试件的能量传递规律Fig.3 CTB180 energy transfer law under different strain rates

4.2 破碎块度分析

图4 不同应变率下CTB180试件的破坏情况Fig.4 CTB180 broken specimens under different strain rates

5 结论

1)CTB180试件是一种低密度、结构不致密的介质，对入射冲击波的透射能力微弱，在较低的冲击应变率作用下即发生破裂。