不同加载速率下全尾砂固结体抗拉力学特性研究_程爱平.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-07-22基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51604195);湖北省自然科学基金项目(编号:2018CFC818);镍钴资源综合利用国家重点实验室开放基金项目(编号:GZSYS-KY-2022-023)。作者简介 程爱平(1986),男,副教授,博士,硕士研究生导师。采矿工程不同加载速率下全尾砂固结体抗拉力学特性研究程爱平1,2 周成颂1 王 平1 陈国举2 周亚峰1(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.镍钴资源综合利用国家重点实验室,甘肃 金昌 737100)摘 要 利用全尾砂对矿山地表塌陷坑进行固结回填是解决尾矿堆存与地表塌陷两大矿山灾害行之有效的方法之一,如何保证回采过程中塌陷坑全尾砂固结体的稳定性至关重要。塌陷坑全尾砂固结体在回采过程中主要受到拉破坏,且与回采速率直接相关。基于此,本文选取程潮铁矿尾矿库尾砂,制作了不同配比(1 4、1 6、1 8)和不同浓度(68%、72%、76%)的全尾砂固结体试样,开展了 5 种不同加载速率(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s)下的全尾砂固结体抗拉力学试验研究,探讨了不同加载速率下全尾砂固结体抗拉力学特性,揭示加载速率对全尾砂固结体抗拉破坏的影响机理。研究结果表明:固结体抗拉强度存在明显的加载速率效应,低浓度低配比的固结体抗拉强度受加载速率影响较大;固结体抗拉强度存在双临界加载速率现象,第一临界加载速率为 0.05 kN/s,第二临界加载速率为 0.1 kN/s;低于第一临界加载速率时,加载速率对固结体原始孔隙存在压密效应,随着加载速率变大压密效应逐渐减弱,到第一临界加载速率时,压密效应消失,固结体抗拉强度最低,宏观裂纹最多,破坏最明显,最终耗弹比最大;高于第一临界加载速率时,加载速率对固结体孔隙发育存在抑制效应,随着加载速率变大抑制效应先增大后趋于稳定,达到第二临界加载速率时,固结体抗拉强度最大,宏观裂纹最少,峰值耗弹比最小。关键词 全尾砂固结体 抗拉强度 加载速率 耗弹比 中图分类号TD313 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-001-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302001Study on Tensile Mechanical Properties of Full Tailings Consolidation under Different Loading RatesCHENG Aiping1,2 ZHOU Chengsong1 WANG Ping1 CHEN Guoju2 ZHOU Yafeng1(1.School of Resource and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.State Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization,Jinchang 737100,China)Abstract It is one of the effective methods to solve the two major mine disasters of tailings stacking and surface collapse by consolidation backfilling with full tailings.It is very important to ensure the stability of full tailings consolidation in subsid-ence pit during mining.The full tailings consolidation of collapse pit is mainly damaged by tension in the mining process,which is directly related to the mining rate.Therefore,this paper selected tailings from Chengchao Iron Mine and made the full tailings consolidation samples with different proportions(14,16,18)and different concentrations(68%,72%,76%).The tensile test research of full tailings consolidation under five different loading rates(0.01,0.02,0.05,0.1 and 0.2 kN/s)were car-ried out to discuss the tensile properties of the total tailings consolidation under different loading rates and reveal the influence mechanism of loading rate on the tensile failure of the full tailings consolidation.The results show that the tensile strength of the full tailings consolidation has obvious loading rate effect,and the tensile strength of the consolidation with low concentration and low ratio is greatly affected by the loading rate.There are two critical loading rates for the tensile strength of the consolidation.The first critical loading rate is 0.05 kN/s,and the second critical loading rate is 0.1 kN/s.When the loading rate is lower than the first critical loading rate,the compaction effect on the original pores of the consolidation exists,and gradually weakens with the increase of the loading rate.When the first critical loading rate is reached,the compaction effect disappears,and the tensile strength of the consolidation is the lowest,the macroscopic cracks are the most,the damage is the most obvious,and the final ratio of dissipated energy to elastic strain energy is the largest.When the loading rate is higher than the first critical load-ing rate,the inhibition effect on the pore development of the consolidation exists,and the inhibition effect increases first and 1then stables with the increase of the loading rate.When the second critical loading rate is reached,the tensile strength of the consolidation is the maximum,the macroscopic crack is the least,and the peak ratio of dissipated energy to elastic strain energy is the minimum.Keywords full tailigs consolidation,tensile strength,loading rate,ratio of dissipated energy to elastic strain energy 我国矿产资源种类繁多,性质各异用途广泛,经过一系列复杂的采矿作业和选矿工艺后,在产出有用矿物的同时,也产生了大量的矿山固体废弃物,也就是尾矿。尾矿库的存在不仅造成了土地资源的浪费,而且随着地下深部矿产资源的不断开发,地表沉陷形成塌陷坑,严重破坏和影响地表环境。现阶段,针对采矿作业活动引起的地表塌陷,常用的方法是直接利用矿山固体废弃物对塌陷坑进行回填1,但是容易造成回填体大规模塌陷、井下泥石流等次生灾害,基于此,利用全尾砂固结回填2对矿山塌陷坑进行治理,可以实现真正意义上的“一废治两害”。塌陷坑全尾砂固结体在井下开采过程中主要受到拉破坏,固结体抗拉强度的大小除了与材料本身的浓度、配比、养护龄期、温度等因素3-6有关以外,还与加载速率直接相关,井下爆破扰动、回采速度等都会影响固结体的受载速率,如何保证开采过程中塌陷坑全尾砂固结体的稳定性至关重要。目前,许多学者对加载速率影响下的岩石及类岩石材料的抗压强度特性开展了广泛研究,李福林等7对泥岩的单轴抗压强度特性及蠕变变形进行了加载速率效应研究,得出加载速率与蠕变变形量关系呈正相关;侯永强等8开展了 5 种不同加载速率下的充填体单轴压缩实验,探讨了不同加载速率下充填体的能耗演化过程,发现充填体的强度存在临界加载速率现象;Cao 等9研究了固化 180 d 的充填体抗压强度和声发射特性,结果表明加载速率对充填体的长期强度具有强化效应;Fischer 等10研究得出了在应力速率为 0.01 100 MPa/s 的准静态状态下,2 d 养护龄期的水泥浆体抗压强度随加载速率的增加而增加的规律;唐一举等11对煤岩材料单轴压缩条件下的破坏特征进行了加载速率效应研究,试验结果显示试样破坏形态与能量演化均与加载速率密切相关;王云飞等12分别对干燥和饱水状态下的砂岩进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,研究发现随加载速率的增加,拉伸破坏裂隙所占百分比增加;Ma Qing 等13对煤岩复合材料进行了加载速率效应研究,研究结果表明煤岩复合材料的强度、变形、声发射(AE)和能量演化均具有一定的加载速率效应。上述研究表明加载速率对岩石及类岩石材料的抗压强度特性影响较大。也有少量的学者对岩石及类岩石材料抗拉强度的加载速率效应开展了相关研究14-18,但对处于开采活动过程中的塌陷坑全尾砂固结体,这一特殊工况下低强度材料抗拉强度特性的加载速率效应研究较少。基于此,本文制作不同浓度及配比的全尾砂固结体试样,开展不同加载速率下的抗拉试验,探讨不同加载速率下固结体抗拉强度、变形、破坏模式及能量演化特征,揭示加载速率对固结体抗拉破坏的影响机理,为保障矿山安全开采提供指导意见。1 试验设计1.1 试验原料全尾砂固结体抗拉试验所用尾砂均取自程潮铁矿尾矿库,尾砂的选取采用以尾矿库尾矿流出口向库内中心的