水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征

D01:10.13374j.isml00103x.2009.02.006 第31卷第2期 北京科技大学学报 Vol.31 No.2 2009年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Fb.2009 水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 邓代强)高永涛) 吴顺川 康瑞海2)董宪伟 余伟健 )北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)长沙矿山研究院，长沙410012 摘要应用NSTRON刚性伺服试验机对不同灰砂比的充填体进行了劈拉试验，测得荷载位移和应力广应变全曲线.结合 测得的力学参数计算出相关能量耗散特征参数.分析了不同情况下破坏过程的能量耗散变化规律.并通过数据统计回归建立 了各种能量耗散指标与其影响因素的函数关系.实验结果显示：充填体只需吸收极少能量即可满足拉伸破坏所需，拉伸破坏 是影响充填体断裂性质的主导因素.为防止充填体处于受拉环境，在矿房回采时应采用边孔控制爆破和不耦合装药，优化爆 轰波破岩途径，减少欠挖超挖，保证矿柱形态规整，使充填体处于非拉区域以改善其受力状况：同时在矿旷房充填时应对需布设 工程或应力集中区域等关键部位适当加大灰砂比，以增强充填体吸收破坏能量的能力 关键词混凝土类材料：劈裂拉伸：能量耗散：刚性试验机 分类号TD853:TU411.3 Destroy energy dissipation characteristics of cement-tailings backfill under split- ting tensile condition DENG Dai-qiang.GAO Yong-tao.WU Shun-chuan,KANG Rui-hai.DONG Xian-we,YU Wei-jian 1)School of Civil and Envimnmental Engineering.University of Scienee and Technology Beijing.Beijng 100083.China 2)Changsha Institute of Mining Research.Changsha 410012.China ABSTRACT A series of splitting tensile tests w ere conducted by using an INSTRON testing system to investigate the effect of ce- ment-tailings ratio on the properties of backfill.Based on ex perimental data,the evolvement laws of energy dissipation under different conditions were presented and some correlative formulae were proposed to describe the relationship between energy dissipation and in- fluencing factors.It was found that tensile failure acted as the dominant factor for eventual failure of backfill and energy wa dissipated less for tensile failure.Several optimized measures were suggested to reduce,even diminate,the tensile state in backfill Control blasting of periphery-holes and decoupling charging should be used to reduce underex cavation and over-excavation by optimizing the propagation of detonation wave.Crucial parts,w here projects are disposed and stress concentrates,should be reinforced by special backfill w ith large cement tailings ratio to improve the energy absorption capacity of the stmucture. KEY WORDS concrete material splitting tensile;energy dissipation:rigid testing machine 随着工业化进程的推进，我国对有色金属的需 充填体往往是在不同外力作用下发生破坏，加 求量还将保持较高的增长速度.然而，有色金属工 载外力不同，其破坏过程中能量耗散也各不相同. 业属于资源开发型产业，矿产品随着开采而不断减 当前，加载方式对充填体破坏的能量耗散影响的研 少，国内矿产资源紧缺形势日趋严峻.目前国内许 究较少，而对充填体拉伸状态下破坏的能量耗散影 多矿山都进入了深部开采，充填体在深部开拓和开 响研究的文献及相关报道更为鲜见，在岩石工程方 采过程中的地压管理和采场围岩支护以及废弃尾矿 面，文献5刀对岩石在不同加载条件下破坏过程 处理中起着重要作用一，因此对水泥尾砂充填体 的能量耗散特征及其能量耗散分析在岩石工程方面 力学性能研究具有现实意义， 的应用做了许多有益研究，全面分析了岩石破坏的 收稿日期：200802-28 作者简介：邓代强(1974-），男，博士研究生：高永涛(1962-），男，教授，博士生导师.E-mail:职oyongt(@p.na.com

水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 邓代强1) 高永涛1) 吴顺川1) 康瑞海2) 董宪伟1) 余伟健1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 长沙矿山研究院, 长沙 410012 摘 要 应用 INSTRON 刚性伺服试验机对不同灰砂比的充填体进行了劈拉试验, 测得荷载-位移和应力-应变全曲线.结合 测得的力学参数计算出相关能量耗散特征参数, 分析了不同情况下破坏过程的能量耗散变化规律, 并通过数据统计回归建立 了各种能量耗散指标与其影响因素的函数关系.实验结果显示:充填体只需吸收极少能量即可满足拉伸破坏所需, 拉伸破坏 是影响充填体断裂性质的主导因素.为防止充填体处于受拉环境, 在矿房回采时应采用边孔控制爆破和不耦合装药, 优化爆 轰波破岩途径, 减少欠挖超挖, 保证矿柱形态规整, 使充填体处于非拉区域以改善其受力状况;同时在矿房充填时应对需布设 工程或应力集中区域等关键部位适当加大灰砂比, 以增强充填体吸收破坏能量的能力. 关键词 混凝土类材料;劈裂拉伸;能量耗散;刚性试验机 分类号 TD853 ;T U411.3 Destroy energy dissipation characteristics of cement-tailings backfill under split￾ting tensile condition DENG Dai-qiang 1) , GAO Yong-tao 1) , WU Shun-chuan 1) , K ANG R ui-hai 2) , DONG Xian-wei 1) , YU Wei-jian 1) 1) School of Civil and Environment al Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Changsha Institut e of Mining Research, C hangsha 410012, China ABSTRACT A series of splitting tensile tests w ere conducted by using an INSTRON testing sy stem to investigate the effect of ce￾ment-tailings ratio on the properties of backfill.Based on ex perimental data, the evolvement laws of energ y dissipation under different conditio ns w ere presented and some co rrelative formulae were proposed to describe the relationship between energy dissipation and in￾fluencing factors.It was found that tensile failure acted as the dominant factor fo r eventual failure of backfill and energy w as dissipated lessfor tensile failure.Several optimized measures w ere suggested to reduce, even eliminate, the tensile state in backfill.Control blasting of periphery-holes and decoupling charging should be used to reduce under-ex cavation and over-excavation by optimizing the propaga tio n o f detonation w ave.Crucial parts, w here projects are disposed and stress concentrates, should be reinforced by special backfill w ith large cement-tailing s ratio to improve the energy absorption capacity of the structure. KEY WORDS concrete ma terial;splitting tensile;energy dissipation ;rigid testing machine 收稿日期:2008-02-28 作者简介:邓代强( 1974—) , 男, 博士研究生;高永涛( 1962—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:gaoyongt@vip.sina .com 随着工业化进程的推进, 我国对有色金属的需 求量还将保持较高的增长速度.然而, 有色金属工 业属于资源开发型产业, 矿产品随着开采而不断减 少, 国内矿产资源紧缺形势日趋严峻.目前国内许 多矿山都进入了深部开采, 充填体在深部开拓和开 采过程中的地压管理和采场围岩支护以及废弃尾矿 处理中起着重要作用[ 1-4] , 因此对水泥尾砂充填体 力学性能研究具有现实意义. 充填体往往是在不同外力作用下发生破坏, 加 载外力不同, 其破坏过程中能量耗散也各不相同. 当前, 加载方式对充填体破坏的能量耗散影响的研 究较少, 而对充填体拉伸状态下破坏的能量耗散影 响研究的文献及相关报道更为鲜见 .在岩石工程方 面, 文献[ 5-7] 对岩石在不同加载条件下破坏过程 的能量耗散特征及其能量耗散分析在岩石工程方面 的应用做了许多有益研究, 全面分析了岩石破坏的 第 31 卷 第 2 期 2009 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.2 Feb.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.02.006

第2期 邓代强等：水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 ·145。 能量耗散特征.为了研究充填体在拉伸应力状态下 劈拉实验与实际倒梯形充填体中的应力状态之 破坏的能量耗散性质，对特大型采场不同灰砂比的 间存在明显的对应关系.倒梯形上部一定位置存在 水泥尾砂充填体采用施工地质钻孔及现场开挖的方 一个拉应力平面或非平面，凸出部位有向下移动的 式进行原位取样，将充填体芯加工成圆柱体试件后 趋势，随着矿柱爆破开采超出能量耗散极限的拉伸 在中南大学现代分析测试中心25 tINSTRON电液 部位将随之垮落.本次充填体巴西圆盘劈裂法加载 伺服刚性控制材料试验机上进行拉伸破坏全过程测 示意见图1.根据弹性理论及相关文献[1015]，从 试. 图2看到，直径为d、厚度为H的圆盘上任一点 1实验设备及试件制作 (x,y)的应力状态为： -2 sin acosa sincs 2F (1) 11实验设备 πH 1 12 πdH INSTRON一1342型电液伺服控制试验机为动 2F cos'a cos3 2F (2) 静态试验机主要由高压动力源、刚性机架、全数字 πHI l2JπdH 智能控制系统(T8800控制塔)和微机组成.仪器 2F cos'asina cos'Bsin (3) 性能综合技术指标：作动器冲程为士50mm,拉压最 大静荷为士250kN,动荷为士12.5kN.全部实验过 式中，F为荷载 程由微机控制，并由微机保存实验数据 了了2 12试件制作 上压板 试样取自安庆铜矿高大采场大体积充填体内部 深处.由于现场钻探和开挖所取得的充填体芯直径 受测 钢制 大多为75mm左右或是不规则状，为加工成为实 试件 垫条 验所需的标准试件，使用自动钻石机在75mm的 充填体芯和不规则状的试样中钻取试件，钻出的试 下压板 了] 件在自动岩样切割机上切割、打磨，成品试件为 50mmX30mm的圆柱体.实验对14、16、18、 图1巴西圆盘劈裂法加载过程 110、115(依次为AL、BL、CL、DL、EL组)各灰砂 Fig I Split ting tensile loading process of a Brazilian disc 比充填体试件做劈拉测试，其中15试件抗拉强度 很小，测试过程难度较大 2劈裂抗拉原理与实验 2.1测试原理 巴西圆盘劈裂法测定充填体抗拉强度可有效避 免轴向抗拉法测定时存在的轴向对准和试件夹头难 以设计的困难，但试件劈拉结果受加载方式的影响 较大，加垫条与否、垫条尺寸、加载速度、测量位置、 图2圆盘上任一点(x,y以应力分布 控制方式及手段与测试数据关系密切.本文依据标 Fig 2 Stress dstribution of an arbitrary point on the disc 准叨进行实验，选用直径与试件直径之比为 0.08~0.1的刚性垫条，其长度大于试件厚度，测试 当点处于x轴，a=Bl1=2=x2+(d/22= 采用位移控制方式.实验步骤为：通过试件直径两 0.5d/cos&,y=0即在圆盘上任一点(x,0)的应 端沿轴线方向划两条相互平行的加载基线。将两根 力状态为： 刚性垫条沿加载基线固定在试件两端：把试件置于 =名流4n2oa-山， 试验机工作台中心使之均匀受荷，并使垫条与试件 在同一加载轴线上；以6 mm'min1的速度加载至试 5=2品4ma-,=0 (4) 件破坏，试件最终破坏应通过两垫条所决定的平面， 当点处于y轴，a=B=0,11十12=d,其中11= 否则应视为无效：最后记录破坏载荷、加载过程中出 0.5d士y,l2=05d干y,x=0,即在圆盘上任一点 现的现象和对破坏后的试件进行描述. (0,y)的应力状态为：

能量耗散特征.为了研究充填体在拉伸应力状态下 破坏的能量耗散性质, 对特大型采场不同灰砂比的 水泥尾砂充填体采用施工地质钻孔及现场开挖的方 式进行原位取样, 将充填体芯加工成圆柱体试件后 在中南大学现代分析测试中心 25 t INSTRON 电液 伺服刚性控制材料试验机上进行拉伸破坏全过程测 试. 1 实验设备及试件制作 1.1 实验设备 INS TRON -1342 型电液伺服控制试验机为动 静态试验机, 主要由高压动力源、刚性机架、全数字 智能控制系统( FT8800 控制塔) 和微机组成.仪器 性能综合技术指标:作动器冲程为 ±50 mm, 拉压最 大静荷为±250 kN, 动荷为 ±12.5 kN .全部实验过 程由微机控制, 并由微机保存实验数据 . 1.2 试件制作 试样取自安庆铜矿高大采场大体积充填体内部 深处 .由于现场钻探和开挖所取得的充填体芯直径 大多为 75 mm 左右或是不规则状, 为加工成为实 验所需的标准试件, 使用自动钻石机在 75 mm 的 充填体芯和不规则状的试样中钻取试件, 钻出的试 件在自动岩样切割机上切割、打磨, 成品试件为 50 mm ×30 mm 的圆柱体.实验对1∶4 、1∶6 、1∶8 、 1∶10 、1∶15(依次为 AL 、BL 、CL 、DL 、EL 组) 各灰砂 比充填体试件做劈拉测试, 其中 1∶15 试件抗拉强度 很小, 测试过程难度较大 . 2 劈裂抗拉原理与实验 2.1 测试原理 巴西圆盘劈裂法测定充填体抗拉强度可有效避 免轴向抗拉法测定时存在的轴向对准和试件夹头难 以设计的困难, 但试件劈拉结果受加载方式的影响 较大, 加垫条与否 、垫条尺寸、加载速度、测量位置 、 控制方式及手段与测试数据关系密切 .本文依据标 准[ 8-9] 进 行实验, 选用 直径与 试件直 径之比 为 0.08 ～ 0.1 的刚性垫条, 其长度大于试件厚度, 测试 采用位移控制方式.实验步骤为:通过试件直径两 端沿轴线方向划两条相互平行的加载基线, 将两根 刚性垫条沿加载基线固定在试件两端;把试件置于 试验机工作台中心使之均匀受荷, 并使垫条与试件 在同一加载轴线上 ;以6 mm·min -1的速度加载至试 件破坏, 试件最终破坏应通过两垫条所决定的平面, 否则应视为无效 ;最后记录破坏载荷、加载过程中出 现的现象和对破坏后的试件进行描述. 劈拉实验与实际倒梯形充填体中的应力状态之 间存在明显的对应关系 .倒梯形上部一定位置存在 一个拉应力平面或非平面, 凸出部位有向下移动的 趋势, 随着矿柱爆破开采, 超出能量耗散极限的拉伸 部位将随之垮落.本次充填体巴西圆盘劈裂法加载 示意见图 1 .根据弹性理论及相关文献[ 10-15] , 从 图2 看到, 直径为 d 、厚度为 H 的圆盘上任一点 μ( x , y )的应力状态为: σx = 2F πH sin 2αcosα l 1 + sin 2 βcosβ l 2 - 2F πdH ( 1) σy = 2F πH cos 3 α l 1 + cos 3 β l2 - 2F πdH ( 2) τxy = 2F πH cos 2αsin α l 1 + cos 2 βsinβ l 2 ( 3) 式中, F 为荷载 . 图1 巴西圆盘劈裂法加载过程 Fig.1 Splitting tensile loading process of a Brazilian disc 图 2 圆盘上任一点 μ( x, y) 应力分布 Fig.2 Stress distribution of an arbitrary point on the disc 当点处于 x 轴, α=β, l 1 =l2 = x 2+( d/2) 2 = 0.5d/ cosα, y =0, 即在圆盘上任一点 μ( x, 0)的应 力状态为: σx = 2F πdH ( 4sin 2αcos 2α-1) , σy = 2F πdH ( 4cos 4α-1) , τxy =0 ( 4) 当点处于 y 轴, α=β =0, l 1 +l 2 =d , 其中 l 1 = 0.5d ±y, l 2 =0.5d y , x =0, 即在圆盘上任一点 μ( 0, y) 的应力状态为 : 第 2 期 邓代强等:水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 · 145 ·

146 北京科技大学学报 第31卷 2E。2F4d2 大误差，将相邻两点绝对位移的绝对值作差，即得到 一元dr,=xdH4-,=0(5) 相邻两点位移的代数值△L:·从图中看到，实验曲 从式(5)可以看出，试件在x和y方向分别受 线下部图形由若干个梯形组成梯形的上下底为上 拉，受压，在这种双向应力共同作用下试件产生破 述相邻两点的荷载值F:、F+1,将所有梯形面积相 坏，而非真正意义上的拉伸破坏，当点处于圆盘中 加就可以得到全部面积值，该值即为试件破坏能量 心，a=β=0，l1=12=d/2,x=y=0,即点0,0) 耗散这样负位移产生的影响就得以消除，可用 的应力状态为： Exceli计算函数或自编软件计算出实验数据，计算过 6,=-4-品w=0 (6) 程见下式： 由式(6)可以看出，拉应力数值仅为压应力的 W- 2(F+Ft)(+1-)十△Q= 1/3.由于岩石、混凝土等岩土材料的抗拉强度远小 于抗压强度，并且破坏面与拉应力作用方向垂直，因 此一般认为拉应力对破坏起到主导作用，其抗拉强 会E+a+△Q (9) 度为： 、局部放大 2F 0x= πdH (7) 2.2劈拉实验 通过实验测得荷载一位移全曲线见图3.从图 可以看出，试件在达到峰值荷载前加载点荷载与位 F 移大致上呈线性关系，荷载到达峰值后，试件破损， 裂纹急剧扩展，随即试件丧失承载能力，表现出脆性 断裂.根据测得的荷载一位移全曲线计算得出试件 加荷点位移mm 破坏过程所消耗的能量W,计算方法是：将实验曲 线与横坐标所包络平面图形的面积计算出，该面积 图4劈拉荷载位移全曲线局部放大 值即为试验机对试件所作的功，也就是试件破坏过 Fig.4 Part magnification of a split ting tensile load-displacement full 程所消耗的能量W.该面积可通过数值积分计算， curve 见下式： 由于充填体抗拉强度小，不足以使刚性试验机 W=Fdl+△Q (8) 产生弹性形变，并且试验机加载缓慢，实验开始直至 试件断裂后无碎块飞出和明显响声发出现象，也无 式中，F为荷载I为受荷点位移，△Q为转化能. 明显温差变化，所以可认为试验机提供的能量基本 1.2r 上没有转换成动能、热能和声能，即式(8)和(9)中 0.9 △Q≈0.劈拉试样破坏后断裂面基本平整，试验机 0.6 提供的能量完全用于形成新的断裂面.为方便计 1:4 算，将断裂面当作一个规整平面，以单位断裂面积上 16 0.3 1:8 的能量耗散作为试件破坏的能量耗散指标.除此之 A1:10 1:5 外，文中还计算了单位体积和单位质量能量耗散作 0.5 10 1.5 2.0 位移/mm 为试件破坏的能量耗散指标.实验中EL(115)、 DL(110)、CL(18)、BL(16)和AL(14)试件分别 图3劈拉荷载位移全曲线 为7,10,9,6和12个.限于篇幅文中不对每一试 Fig 3 Split ting tensile load displacement full curves of backfill 件的测试值列举，而将各组测试结果的平均值计算 实验中发现，将实验曲线放大若干倍后，可以看 出，如表1所示 到曲线极不光滑，如图4所示.虽然曲线沿一条主 3劈裂破坏能量耗散分析 干线路行进但其各个数据采样点之间跌宕交错. 检查保存的实验数据后看到，采样点的位移有时甚 从表1各配比实验数据平均值可看到，随着水 至为负值.为避免将负位移面积重复计入而造成较 泥含量（配比）的增加，单位面积破坏的能量耗散逐

σx =- 2F πdH , σy = 2F πdH 4 d 2 d 2 -4y 2 -1 , τxy =0 ( 5) 从式( 5)可以看出, 试件在 x 和y 方向分别受 拉、受压, 在这种双向应力共同作用下试件产生破 坏, 而非真正意义上的拉伸破坏 .当点处于圆盘中 心, α=β =0, l 1 =l 2 =d/2, x =y =0, 即点 μ( 0, 0) 的应力状态为: σx =- 2F πdH , σy = 6F πdH , τxy =0 ( 6) 由式( 6) 可以看出, 拉应力数值仅为压应力的 1/3 .由于岩石 、混凝土等岩土材料的抗拉强度远小 于抗压强度, 并且破坏面与拉应力作用方向垂直, 因 此一般认为拉应力对破坏起到主导作用, 其抗拉强 度为 : σx = 2F πdH ( 7) 2.2 劈拉实验 通过实验测得荷载-位移全曲线, 见图 3 .从图 可以看出, 试件在达到峰值荷载前加载点荷载与位 移大致上呈线性关系, 荷载到达峰值后, 试件破损, 裂纹急剧扩展, 随即试件丧失承载能力, 表现出脆性 断裂 .根据测得的荷载 -位移全曲线计算得出试件 破坏过程所消耗的能量 W, 计算方法是 :将实验曲 线与横坐标所包络平面图形的面积计算出, 该面积 值即为试验机对试件所作的功, 也就是试件破坏过 程所消耗的能量 W .该面积可通过数值积分计算, 见下式: W =∫F dl +ΔQ ( 8) 式中, F 为荷载, l 为受荷点位移, ΔQ 为转化能. 图 3 劈拉荷载-位移全曲线 Fig.3 Splitting tensile load-displacement full curves of backfill 实验中发现, 将实验曲线放大若干倍后, 可以看 到曲线极不光滑, 如图 4 所示 .虽然曲线沿一条主 干线路行进, 但其各个数据采样点之间跌宕交错 . 检查保存的实验数据后看到, 采样点的位移有时甚 至为负值 .为避免将负位移面积重复计入而造成较 大误差, 将相邻两点绝对位移的绝对值作差, 即得到 相邻两点位移的代数值 ΔLi .从图中看到, 实验曲 线下部图形由若干个梯形组成, 梯形的上下底为上 述相邻两点的荷载值 Fi 、F i+1, 将所有梯形面积相 加就可以得到全部面积值, 该值即为试件破坏能量 耗散, 这样负位移产生的影响就得以消除, 可用 Excel计算函数或自编软件计算出实验数据, 计算过 程见下式: W = ∑ n i =1 1 2 ( Fi +Fi+1)( li +1 -li) +ΔQ = ∑ n i =1 1 2 (F i +Fi+1) Δli +ΔQ ( 9) 图 4 劈拉荷载-位移全曲线局部放大 Fig.4 Part magnification of a splitting tensile load-displacement full cu rve 由于充填体抗拉强度小, 不足以使刚性试验机 产生弹性形变, 并且试验机加载缓慢, 实验开始直至 试件断裂后无碎块飞出和明显响声发出现象, 也无 明显温差变化, 所以可认为试验机提供的能量基本 上没有转换成动能、热能和声能, 即式( 8) 和( 9) 中 ΔQ ≈0 .劈拉试样破坏后断裂面基本平整, 试验机 提供的能量完全用于形成新的断裂面 .为方便计 算, 将断裂面当作一个规整平面, 以单位断裂面积上 的能量耗散作为试件破坏的能量耗散指标 .除此之 外, 文中还计算了单位体积和单位质量能量耗散作 为试件破坏的能量耗散指标 .实验中 EL( 1∶15) 、 DL( 1∶10) 、CL( 1∶8) 、BL( 1∶6)和 AL( 1∶4)试件分别 为 7, 10, 9, 6 和 12 个 .限于篇幅, 文中不对每一试 件的测试值列举, 而将各组测试结果的平均值计算 出, 如表 1 所示. 3 劈裂破坏能量耗散分析 从表 1 各配比实验数据平均值可看到, 随着水 泥含量( 配比)的增加, 单位面积破坏的能量耗散逐 · 146 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第2期 邓代强等：水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 ·147。 表1各配比下破坏的能量耗散实验数据平均值 Table 1 Average testing values of energy dissipation of back fill at the different ratios 平均抗拉 破坏功， 单位面积破坏能量 单位体积破坏能量 单位质量破坏能量 编号 强度/MPa J∥(N·m) 耗散/（小am一） 耗散/(cm一) 耗散（小~g) EL 00443 0071585 0003503 0.000887 000057 DL 01240 0196790 0009123 0002295 000137 CL 01690 0.267435 0010887 0.002645 000158 BL 02250 0449898 0017975 0004037 000224 AL 03300 0522866 0024383 0.006292 000390 渐增大，其中14的试件单位面积破坏的能量耗散 从图5看到，三种破坏的能量耗散与水泥的质 是16试件的1.36倍，16的试件单位面积破坏的 量分数成二次函数关系，表达通式为=中n2十 能量耗散是18试件的1.65倍，18的试件单位面 S十wm,通过实测数据回归计算和统计分析得到 积破坏的能量耗散是110试件的1.19倍，110的 各因素实验常数中、和ω的值，见表2. 试件单位面积破坏的能量耗散是115试件的2.6 表2各因素实验常数 倍.单位体积破坏的能量耗散和单位质量破坏的能 Table 2 Experimental constants of factors 量耗散也随着水泥含量（配比）的增加而增大，表中 实验常数 数据显示1cm3的110试件破坏要比115试件破 破坏能量耗散因素 央 四果 坏多作0.001408J的功，1cm3的18试件破坏要比 单位面积破环能量耗散 -029060.2300 -00098 110试件破坏多作000035J的功，而单位体积的 单位体积破坏能量耗散 00068 00368 -00014 14和16试件破坏则分别要比下一配比多消耗 单位质量破坏能量耗散 0.0430 0.0121 -00003 0.0013920.002255J的功.随着水泥含量（配比） 的增加，单位质量破坏的能量耗散也逐渐加大.对 代入公式得到单位面积破坏的能量耗散5、单 于体积相同的不同水泥含量试件，破坏单个14、1： 位体积破坏的能量耗散2、单位质量破坏的能量耗 6、18、110、1·15试件平均需要作功分别为 散53与水泥质量分数的关系式分别为： 0.00390.0.00224,0.00158.000137和0.00057J. 5,=-0.29062+0235-00098.r=09951 实验说明要使充填体处于稳定状态，就需要掌握充 (10) 填体的破坏能量耗散参数，通过调节水泥含量来控 52=0.00682+0.03685-00014,r=09971 制破坏能量耗散，预防充填体处于不利的受力环境. (11) 为了对充填体破坏能量耗散作正确的预测和估 53=004352+0.0121S-0.0003.r=0.9958 算，文中采用数据拟合法，对破坏能量耗散实验数据 (12) 进行统计回归，得到了不同水泥含量条件下试件破 三个拟合公式中的相关系数r远大于0.8，能 坏能量耗散实验值的拟合曲线，并给出了相应的拟 够很好地满足精度要求，拟合公式和原实验值的拟 合公式见图5. 0.030r 合程度高，拟合效果良好，能量耗散实验具有规律 单位面积破坏能量耗散0·cm) 0.025 ■单位体积破坏能量耗散0cm)5=中52+g5@, 性，可为研究充填体劈裂破坏能量耗散提供理论依 ▲单位质量破坏能量耗散（仃·g) 0.020 一拟合值 据. ￥0.015 5=452+425- 4结论 器0.010 5=452+45-0 0.005 特大型采场矿房开采过程中侧帮冒落时常困扰 着采矿工作者，给矿柱的回采及充填体稳定造成十 5 10 15 20 25 干料中水泥质量分数% 分不利的影响.矿房上部片帮或局部垮落，充填后 充填体必将呈倒梯形.随着矿柱的回采，上部充填 图5破坏能量耗散与干料中水泥含量关系曲线 体将处于拉应力状态.由实验结果可知，充填体抗 Fig.5 Relation curves between destroy energy dissipation and ce- 拉强度较小，拉伸条件下充填体稳定性差，矿柱回采 ment content in dry mixed materials 时尾砂混入率增大甚至危及安全生产.所以在矿房

表 1 各配比下破坏的能量耗散实验数据平均值 Table 1 Average t esting values of energy dissipation of back fill at the different ratios 编号 平均抗拉 强度/ MPa 破坏功, J/ ( N·m) 单位面积破坏能量 耗散/ ( J·cm -2 ) 单位体积破坏能量 耗散/ ( J·cm -3 ) 单位质量破坏能量 耗散/ ( J·g -1 ) EL 0.044 3 0.071 585 0.003 503 0.000 887 0.000 57 DL 0.124 0 0.196 790 0.009 123 0.002 295 0.001 37 C L 0.169 0 0.267 435 0.010 887 0.002 645 0.001 58 BL 0.225 0 0.449 898 0.017 975 0.004 037 0.002 24 AL 0.330 0 0.522 866 0.024 383 0.006 292 0.003 90 渐增大, 其中 1∶4 的试件单位面积破坏的能量耗散 是 1∶6 试件的 1.36 倍, 1∶6 的试件单位面积破坏的 能量耗散是 1∶8 试件的 1.65 倍, 1∶8 的试件单位面 积破坏的能量耗散是 1∶10 试件的 1.19 倍, 1∶10 的 试件单位面积破坏的能量耗散是 1∶15 试件的 2.6 倍.单位体积破坏的能量耗散和单位质量破坏的能 量耗散也随着水泥含量( 配比)的增加而增大, 表中 数据显示 1 cm 3 的 1∶10 试件破坏要比 1∶15 试件破 坏多作0.001 408 J 的功, 1cm 3 的 1∶8 试件破坏要比 1∶10 试件破坏多作 0.000 35 J 的功, 而单位体积的 1∶4 和 1∶6 试件破坏则分别要比下一配比多消耗 0.001392 、0.002 255 J 的功 .随着水泥含量(配比) 的增加, 单位质量破坏的能量耗散也逐渐加大.对 于体积相同的不同水泥含量试件, 破坏单个 1∶4 、1∶ 6 、1 ∶8 、1∶10 、1∶15 试 件平均需要作功分 别为 0.003 90, 0.002 24, 0.001 58, 0.001 37 和 0.000 57 J . 实验说明要使充填体处于稳定状态, 就需要掌握充 填体的破坏能量耗散参数, 通过调节水泥含量来控 制破坏能量耗散, 预防充填体处于不利的受力环境 . 图 5 破坏能量耗散与干料中水泥含量关系曲线 Fig.5 Relation curves between destroy energy dissipation and ce￾ment content in dry mixed materials 为了对充填体破坏能量耗散作正确的预测和估 算, 文中采用数据拟合法, 对破坏能量耗散实验数据 进行统计回归, 得到了不同水泥含量条件下试件破 坏能量耗散实验值的拟合曲线, 并给出了相应的拟 合公式, 见图 5 . 从图 5 看到, 三种破坏的能量耗散与水泥的质 量分数成二次函数关系, 表达通式为 ξn = nζ2 + ψnζ+ωn, 通过实测数据回归计算和统计分析得到 各因素实验常数 、ψ和 ω的值, 见表 2 . 表 2 各因素实验常数 Table 2 Experimental constants of factors 破坏能量耗散因素 实验常数 n ψn ωn 单位面积破坏能量耗散 -0.290 6 0.230 0 -0.009 8 单位体积破坏能量耗散 0.006 8 0.036 8 -0.001 4 单位质量破坏能量耗散 0.043 0 0.012 1 -0.000 3 代入公式得到单位面积破坏的能量耗散 ξ1 、单 位体积破坏的能量耗散 ξ2 、单位质量破坏的能量耗 散 ξ3 与水泥质量分数 ζ的关系式分别为: ξ1 =-0.290 6 ζ2 +0.23 ζ-0.009 8, r =0.995 1 ( 10) ξ2 =0.006 8 ζ2 +0.036 8 ζ-0.001 4, r =0.997 1 ( 11) ξ3 =0.043ζ2 +0.012 1ζ-0.000 3, r =0.995 8 ( 12) 三个拟合公式中的相关系数 r 远大于 0.8, 能 够很好地满足精度要求, 拟合公式和原实验值的拟 合程度高, 拟合效果良好, 能量耗散实验具有规律 性, 可为研究充填体劈裂破坏能量耗散提供理论依 据 . 4 结论 特大型采场矿房开采过程中侧帮冒落时常困扰 着采矿工作者, 给矿柱的回采及充填体稳定造成十 分不利的影响.矿房上部片帮或局部垮落, 充填后 充填体必将呈倒梯形 .随着矿柱的回采, 上部充填 体将处于拉应力状态 .由实验结果可知, 充填体抗 拉强度较小, 拉伸条件下充填体稳定性差, 矿柱回采 时尾砂混入率增大甚至危及安全生产.所以在矿房 第 2 期 邓代强等:水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 · 147 ·

。148 北京科技大学学报 第31卷 回采过程中必须采用边孔控制爆破或用竹节等隔离 ing,2007.14(1):6 物分段隔离药包以调整药量，也可采用其他诸多方 [4 Cai M F,Wang J A.Warg S H.Prediction of rock burst with 法来控制矿房边界，使充填后充填体处于非拉应力 deep mining excavation in Linglong Gold Mine.JUniv Sci Tech- nol Beijing,2001,8(4):241 区域，改善充填体受力环境为矿柱回采创造条件. [5 You M Q.Hua A Z.Erergy analysis on failure pmocess of rock 实验结果显示，充填体劈拉单位能量耗散极少， specimens.Chin J Rock Mech Eng,2002.21(6):778 水泥是充填体破坏的能量耗散的根本来源随着水 (尤明庆，华安增.岩石试样破坏过程的能量分析.岩石力学与 泥含量增大，破坏单位能量耗散增加.测定充填体 工程学报，2002.21(6：778) 破坏能量耗散可以为判断其稳定性提供依据，并能 [6 Yu Y,Yin J M.Energy dissipation pmoperties of three gorges 够及时地掌握充填体即将或正处于何种状态.抗拉 granite under different bading modes.Chin Rock Mech Eng. 2004,23(2):205 强度是充填体的基本力学特性之一，是影响充填体 (喻勇，尹健民.三峡花岗岩在不同加载方式下的能耗特征.岩 断裂性质的主要因素，同时也是间接衡量抗剪强度、 石力学与工程学报，2004.23(2)：205) 冲击强度等的重要指标.抗拉单位能量耗散随水泥 [7 Yu Y.Zhang Z X.Yu J.et al.Energy dissipation and damage 含量的增加而提高的规律说明了水泥胶结能力的提 characters in mck direct tensile destnuction.Chin J Rock Mech 高，充填体抗拉性能得到了改善，抵抗破坏的能力增 Eng,1998,17(4):386 (喻勇，张宗贤，俞洁，等.岩石直接拉伸破坏中的能量耗散 强.在矿房采场充填时应对一些需要布设工程或应 及损伤特征.岩石力学与工程学报，1998.17(4)：386) 力集中区域等关键部位适当加大灰砂比，以增加充 [8 The Ministry of Electric Pow er Industry of the Peope's Republic 填体吸收抗破坏能量的能力. of China.GBT50266-99 Experimentation Method Standard of 抗拉实验曲线反映了加载时应力集中在加载直 Engineering Rock Mass.Beijing:China Planning Press 1999:6 径，方向与加载方向垂直，应力值不断呈线性增长， (中华人民共和国电力工业部.GB/T50266一99工程岩体试验 方法标准.北京：中国计划出版社，1999：6 峰值荷载后充填体强度迅速下降，残余强度短暂维 [9 The Ministry of Water Resources of the People's Republic of Chi- 持后减小为零.随着水泥含量增加，充填体能较好 na $L264-2001 Experimentation Rules of Water Resouras 地适应围岩变形，当外载荷超出抗拉极限，裂纹贯通 and Hydropower Engineering Rod.Beiing:China Waterpower 在瞬间完成积存的能量得到急剧释放，大裂纹成为 PEs5,2001 唯一的主导裂纹，试件被“撕裂”为两半且破裂面大 (中华人民共和国水利部发布.SL264一2001水利水电工程岩 石试验规程.北京：中国水利电力出版社，2001) 致平整，充填体完全表现为脆性断裂.了解充填体 【l0 Timosinco S P,Goodier」N.弹性理性.徐芝纶.吴永祯，译. 拉伸破坏只需吸收极少能量的性质及对破坏能量耗 北京：人民教有出版社，1990：89 散实验数据进行回归作不同水泥含量下试件破坏 (Timosinoo S P.Gooder J N.Elastic Thery.T ranslated by 的能量耗散实验值的拟合曲线可以为预防充填体侧 Xu Z L.Wu Y Z.Beijng:People's Educat ion Press,1964: 帮垮落做出正确的判断，这对生产将会起到积极作 89) 用.本研究实验数据统计分析对水泥尾砂充填体具 「11川 Gao L.Rock Mechanics in Mine.Beijing:Mechanic Industry Pes5.1987:9 有一定的适用性，对于不同地域的不同矿山，随着其 (高磊.矿山岩石力学北京：机械工业出版社，1987：9) 充填材料物理化学性质及骨料粒径的变化，其各因 [12 Yu Y.Meng C Y.3-D distribution of tensile stress in rock spec 素实验常数也将随之改变， imens for the Brazilian test.J Univ Sci Technol Beijing,2005. 12(6):495 参考文献 13 Zharg X Y.Zhao G F.Xin H M.The splitting experment for [1]Ren F H,Cai M F,Lai X P.et al.Monitoring and analysis of tensie strength of rock.Reour Environ Eng,2007,21(2):96 the damage height of overburden rock mass on the mined-out (张湘渝，赵桂芳，辛红梅.岩石抗拉试验劈裂法测试技术的 area.J Univ Sci Technol Beijing,2004.26(2):115 探讨.资源环境与工程，2007.21(2)：96 (任奋华，蔡美峰，来兴平，等.采空区覆岩破坏高度监测分析. 14 Ye M L.Xu JK,Mu H,et al Approach totest method of rock 北京科技大学学报.2004,26(2)：115) strength in uniaxial tension.J Guizhou Univ Tech rol Nat Sci, [2]Lai X P,Cai M F.Data mining on mock crack sigmals in large 2001,30(6:19 scale minedout area and damage prediction analy sis.J Univ Sci (叶明亮，续建科，牟宏，等.岩石抗拉强度试验方法的探讨 Technol Be画i®，2003,25(5)：394 贵州工业大学学报：自然科学版，2001,30(6)：19 (来兴平，蔡美峰.大尺度采空区围岩断裂失稳信号数据挖掘及 I 15]Yang T.Wang B X.Sun Lin,et al.Effects of various spacer 破坏预测分析.北京科技大学学报，2003.25(5)：394) methods for rock split tests.Site Invest Sci Tedinal,2002(1):3 [3]Yang C X,Luo Z Q.Hu G B,et al.Application of a micmoseis- (杨同，王宝学，孙林，等.垫条方式对岩石劈裂试验的影响分 mic monitoring system in deep mining.JUniv Sci Technol Bei- 析.勘察科学技术，2002()：3)

回采过程中必须采用边孔控制爆破或用竹节等隔离 物分段隔离药包以调整药量, 也可采用其他诸多方 法来控制矿房边界, 使充填后充填体处于非拉应力 区域, 改善充填体受力环境, 为矿柱回采创造条件 . 实验结果显示, 充填体劈拉单位能量耗散极少, 水泥是充填体破坏的能量耗散的根本来源, 随着水 泥含量增大, 破坏单位能量耗散增加.测定充填体 破坏能量耗散可以为判断其稳定性提供依据, 并能 够及时地掌握充填体即将或正处于何种状态 .抗拉 强度是充填体的基本力学特性之一, 是影响充填体 断裂性质的主要因素, 同时也是间接衡量抗剪强度 、 冲击强度等的重要指标.抗拉单位能量耗散随水泥 含量的增加而提高的规律说明了水泥胶结能力的提 高, 充填体抗拉性能得到了改善, 抵抗破坏的能力增 强.在矿房采场充填时应对一些需要布设工程或应 力集中区域等关键部位适当加大灰砂比, 以增加充 填体吸收抗破坏能量的能力. 抗拉实验曲线反映了加载时应力集中在加载直 径, 方向与加载方向垂直, 应力值不断呈线性增长, 峰值荷载后充填体强度迅速下降, 残余强度短暂维 持后减小为零.随着水泥含量增加, 充填体能较好 地适应围岩变形, 当外载荷超出抗拉极限, 裂纹贯通 在瞬间完成, 积存的能量得到急剧释放, 大裂纹成为 唯一的主导裂纹, 试件被“撕裂” 为两半且破裂面大 致平整, 充填体完全表现为脆性断裂.了解充填体 拉伸破坏只需吸收极少能量的性质及对破坏能量耗 散实验数据进行回归, 作不同水泥含量下试件破坏 的能量耗散实验值的拟合曲线可以为预防充填体侧 帮垮落做出正确的判断, 这对生产将会起到积极作 用.本研究实验数据统计分析对水泥尾砂充填体具 有一定的适用性, 对于不同地域的不同矿山, 随着其 充填材料物理化学性质及骨料粒径的变化, 其各因 素实验常数也将随之改变 . 参 考 文 献 [ 1] Ren F H, Cai M F, Lai X P, et al.Monitoring and analysis of the damage hei gh t of overburden rock mass on the mined-ou t area.J U niv Sci Technol Beijing, 2004, 26( 2) :115 ( 任奋华, 蔡美峰, 来兴平, 等.采空区覆岩破坏高度监测分析. 北京科技大学学报, 2004, 26( 2) :115) [ 2] Lai X P, Cai M F .Data mining on rock crack signals in large scale mined-out area and damage prediction analysis.J Uni v S ci Technol Beijing , 2003, 25( 5) :394 ( 来兴平, 蔡美峰.大尺度采空区围岩断裂失稳信号数据挖掘及 破坏预测分析.北京科技大学学报, 2003, 25( 5) :394) [ 3] Yang C X, Luo Z Q, Hu G B, et al.Application of a microseis￾mic monit oring system in deep mining .J U niv Sci Technol Bei￾jing , 2007, 14( 1) :6 [ 4] Cai M F, Wang J A, Wang S H .Prediction of rock burst w ith deep mining excavation in Linglong Gold Mine.J U niv Sci Tech￾nol Beijing, 2001, 8(4) :241 [ 5] You M Q, Hua A Z.Energy analysis on failure process of rock specimens.Ch in J Rock Mech Eng , 2002, 21( 6) :778 ( 尤明庆, 华安增.岩石试样破坏过程的能量分析.岩石力学与 工程学报, 2002, 21( 6) :778) [ 6] Yu Y, Yin J M .Energy dissipation properti es of three gorges granite under different loading modes.Chin J Rock Mech Eng , 2004, 23( 2) :205 ( 喻勇, 尹健民.三峡花岗岩在不同加载方式下的能耗特征.岩 石力学与工程学报, 2004, 23( 2) :205) [ 7] Yu Y, Zhang Z X, Yu J, et al.Energy dissipation and damage characters in rock direct t ensile destruction.Chin J Rock Mech Eng , 1998, 17( 4) :386 ( 喻勇, 张宗贤, 俞洁, 等.岩石直接拉伸破坏中的能量耗散 及损伤特征.岩石力学与工程学报, 1998, 17( 4) :386) [ 8] The Ministry of Electri c Pow er Industry of the People' s Republic of China.GB/ T50266—99 Experimentation Method Standard of Engineering Rock Mass.Beijing :China Planning Press, 1999:6 ( 中华人民共和国电力工业部.GB/ T50266—99 工程岩体试验 方法标准.北京:中国计划出版社, 1999:6 [ 9] The Ministry of Water Resources of the People' s Republic of Chi￾na.S L264—2001 Experimentation R ules of Water Resour ces and Hyd ropower Engineering Rock .Beijing :China Wat erpower Press, 2001 ( 中华人民共和国水利部发布.S L264—2001 水利水电工程岩 石试验规程.北京:中国水利电力出版社, 2001) [ 10] Timosinco S P, Goodier J N .弹性理性.徐芝纶, 吴永祯, 译. 北京:人民教育出版社, 1990:89 (Timosinco S P, Goodier J N.Elastic Theory .T ranslated by Xu Z L, Wu Y Z.Beijing :People' s Education Press, 1964: 89) [ 11] Gao L .Rock Mechanics in Mine .Beijing :Mechanic Industry Press, 1987:9 ( 高磊.矿山岩石力学.北京:机械工业出版社, 1987:9) [ 12] Yu Y, Meng C Y .3-D distribution of t ensile stress in rock spec￾imens f or the Brazilian test .J Uni v Sci Technol Beijing, 2005, 12( 6) :495 [ 13] Zhang X Y, Zhao G F, Xin H M .The splitting experiment for tensile strength of rock.Resour Environ Eng , 2007, 21( 2) :96 ( 张湘渝, 赵桂芳, 辛红梅.岩石抗拉试验劈裂法测试技术的 探讨.资源环境与工程, 2007, 21( 2) :96) [ 14] Ye M L, Xu J K, Mu H, et al.Approach t o t est method of rock strength in uniaxial tension.J Guiz hou Uni v Tech nol Nat Sci, 2001, 30( 6) :19 ( 叶明亮, 续建科, 牟宏, 等.岩石抗拉强度试验方法的探讨. 贵州工业大学学报:自然科学版, 2001, 30( 6) :19 [ 15] Yang T, Wang B X, Sun Lin, et al.Effects of various spacer methods for rock split t ests.Site Invest Sci Technol , 2002(1) :3 ( 杨同, 王宝学, 孙林,等.垫条方式对岩石劈裂试验的影响分 析.勘察科学技术, 2002( 1) :3) · 148 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷