充填料漿固結過程對裂隙巖體力學性能的影響

0固結過程對裂隙巖體力學性質影響研究由于深體的“三通”結構和復雜的應力環境，采礦過程中的災害頻發，充采法具有控制地壓和提高礦石回收率等優點，已在廣泛領域得到應用。對此,國內外學者開展了諸多探討,Brace地下采場中的充填料漿在固結過程中,“充填體-圍巖”組合的力學性能隨著時間的延續不斷發生變化,具有一定的時效性。目前,關于充填料漿的固結過程對裂隙巖體力學性能影響的研究仍十分有限。因此,本文采用深部采礦工程中最常見的花崗巖,以預制等長平行的共面裂隙為例,利用不同配比的充填材料,對花崗巖進行裂隙充填加固,通過引入脆性指標,探究不同配比充填料漿在不同固結時間下的“充填體-巖石”組合試件的力學性能變化情況。1充填料漿注漿制備的工程河北某礦屬于深部開采,選用階段空場嗣后充填采礦法開采礦體,礦體開采后,高地應力下的采場圍巖應力重新分布,產生大量新生裂隙。因而,在充填料漿滲入原生及新生裂隙過程中,料漿的固結過程會對裂隙巖體的力學性能產生弱化或強化作用,影響工程地質條件的穩定性。因此,本實驗選用該礦深部同一塊完整的花崗巖原巖,利用巖石切割機、巖石端面磨石機將原巖加工制備成高度L=150mm、寬度W=100mm及厚度T=50mm的板狀試件。利用高壓水射流在花崗巖試件中心,加工兩條等長平行的共面預制裂隙,裂隙長度S=50mm,寬度為1mm,裂隙間距為30mm,傾角為45°。加工完成的試件如圖1所示。將灰砂比為1∶4與1∶8的充填料漿灌入含預制裂隙試件內,分別養護7、14、28d,對應的試件編號如表1所示。采用TAW-3000三軸試驗壓力機進行室內巖石力學單軸壓縮實驗,位移加載速率為0.02mm/s。2材料固結對裂縫試件宏觀力學的影響2.1固結時間對強度的影響圖2為各組試件的應力-應變曲線。由圖2可知,含預制裂隙、未充填的WC號試件強度變化顯著,其強度明顯低于完整試件及含預制裂隙、充填的試件強度;在相同料漿固結時間下,高配比的“LT”組試件強度稍大于低配比的“ST”組試件強度;同一類組合試件在相同應變下,其應力值隨固結時間的延長而降低,強度隨固結時間的延長而升高。表明滲入巖石試件內部節理、裂隙等弱面的充填料漿因化學作用生成了具有膠凝特性的產物,一定程度上強化了花崗巖試件的單軸抗壓強度,且隨著料漿配比的提高與料漿固結時間的延長,該強化作用愈加明顯。各組的彈性模量總體變幅不大,但隨著料漿固結時間的延長,組合試件的彈性模量均呈先增大后減小的趨勢,在固結時間為14d時,達到最大值,表現出了一定的時效性。2.2瞬態崩落活動特征在單軸壓縮實驗中發現,當超過峰值應力后,實驗中的試件均發生突發性的瞬態崩落破壞,試件的峰后軟化階段極不明顯,即試件的脆性較強。因此,為了研究料漿固結過程對巖石脆性程度的影響,可以采用Andreev式中,ε脆性指數B然而,隨著固結時間的增加,LT組與ST組的脆性指數B3裂隙巖石的力學特性在實際生產中,處于深部高地應力條件下的裂隙巖體,受到諸如巷道爆破開挖、頂板垮落等多因素的卸載作用。由于含裂隙巖體的強度較低、變形能力較弱,在周圍應力環境達到或超過其極限強度后,快速的應力卸載使巖體內部聚集的大量彈性應變能轉化為耗散應變能,從而導致巖體形成宏觀破裂面,并伴有大量彈射巖塊的飛出。因而以能量判別標準分析裂隙巖石的力學性能,對于研究深部巖體的穩定性是可行的。同時,結合圖2中的應力-應變曲線特征可知,實驗中試件的應力-應變曲線普遍為Ⅱ型,即當達到峰值應力后,隨著應力的降低,應變出現明顯回彈現象。在達到峰值應力之前,外界應力對試件做正功,花崗巖試件逐漸聚集能量;超過峰值應力后,外界應力對其做負功,巖石在變形過程中,向外界釋放能量,具有典型的巖爆傾向。因而本節采用在判別巖爆傾向性過程中的能量分析機制,對充填料漿固結過程中組合試件的力學特性作深入分析。假設在單軸壓縮過程中,巖石試件及其系統處于無熱交換的封閉狀態,忽略峰值應力附近試件彈射碎片的動能,由熱力學第一定律可知:式中,σ根據已有研究式中,EU3.1充填裂隙能u圖5為各組吸收應變能U、可釋放彈性應變能U由圖5a、圖5b可知,在同一應變下,吸收應變能U表現為:WC>LT>ST(WZ在另一坐標系內,不考慮),表明未充填的裂隙試件在單軸壓縮下積聚應變能,含充填裂隙試件因滲入料漿的影響,能量積累緩慢。由各組峰值U由圖5c、圖5d可知,可釋放彈性應變能U由圖5e、圖5f可知,單軸壓縮下試件的耗散應變能U本文中U3.2固結過程中的力學性能由上述分析可知,含不同配比、不同固結時間的組合試件,其應變能轉化過程差異顯著,根本原因是:巖石內部料漿在固結過程中,試件的力學性能發生了改變。在組合試件應變能轉化過程中,可結合巖石脆性指數B式中,U圖6為脆性指數B上述分析表明,滲入巖石的充填料漿在固結過程中,低濃度料漿隨固結時間的延長,對巖石的塑化作用逐漸減弱,試件延性逐漸增強;而高濃度料漿對巖石的塑化作用呈現出顯著的時效性。4固結時間對試件脆性程度的影響a.在評價含低配比料漿組合試件的脆性程度時,3種巖石脆性指數互相印證,表明以應變能轉化機制來分析裂隙巖石的力學性能是可靠的。而含高配比料漿的組合試件,在固結時間為28d時,其脆性程度呈現一定的離散性,因此,今后應深入研究高配比充填料漿的固結時間對試件脆性程度的影響。b.本實驗在研究料漿固結過程對裂隙巖石力學性能影響中,僅采用了目前常見的3種料漿固結時間。為了進一步分析料漿在固結過程中,裂隙巖石力學參數的時效性變化,應當增加料漿固結的時間梯度,使實驗結果更具規律性。c.本研究中的花崗巖為典型的脆性巖石,其彈塑性階段與峰后軟化階段不明顯,應力-應變曲線呈上凹