充填料漿固結(jié)過(guò)程對(duì)裂隙巖體力學(xué)性能的影響

充填料漿固結(jié)過(guò)程對(duì)裂隙巖體力學(xué)性能的影響

0固結(jié)過(guò)程對(duì)裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)影響研究由于深體的“三通”結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，采礦過(guò)程中的災(zāi)害頻發(fā)，充采法具有控制地壓和提高礦石回收率等優(yōu)點(diǎn)，已在廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了諸多探討,Brace地下采場(chǎng)中的充填料漿在固結(jié)過(guò)程中,“充填體-圍巖”組合的力學(xué)性能隨著時(shí)間的延續(xù)不斷發(fā)生變化,具有一定的時(shí)效性。目前,關(guān)于充填料漿的固結(jié)過(guò)程對(duì)裂隙巖體力學(xué)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(jiàn)的花崗巖,以預(yù)制等長(zhǎng)平行的共面裂隙為例,利用不同配比的充填材料,對(duì)花崗巖進(jìn)行裂隙充填加固,通過(guò)引入脆性指標(biāo),探究不同配比充填料漿在不同固結(jié)時(shí)間下的“充填體-巖石”組合試件的力學(xué)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(kāi)采,選用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采礦體,礦體開(kāi)采后,高地應(yīng)力下的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布,產(chǎn)生大量新生裂隙。因而,在充填料漿滲入原生及新生裂隙過(guò)程中,料漿的固結(jié)過(guò)程會(huì)對(duì)裂隙巖體的力學(xué)性能產(chǎn)生弱化或強(qiáng)化作用,影響工程地質(zhì)條件的穩(wěn)定性。因此,本實(shí)驗(yàn)選用該礦深部同一塊完整的花崗巖原巖,利用巖石切割機(jī)、巖石端面磨石機(jī)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(zhǎng)平行的共面預(yù)制裂隙,裂隙長(zhǎng)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(yù)制裂隙試件內(nèi),分別養(yǎng)護(hù)7、14、28d,對(duì)應(yīng)的試件編號(hào)如表1所示。采用TAW-3000三軸試驗(yàn)壓力機(jī)進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)單軸壓縮實(shí)驗(yàn),位移加載速率為0.02mm/s。2材料固結(jié)對(duì)裂縫試件宏觀(guān)力學(xué)的影響2.1固結(jié)時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響圖2為各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖2可知,含預(yù)制裂隙、未充填的WC號(hào)試件強(qiáng)度變化顯著,其強(qiáng)度明顯低于完整試件及含預(yù)制裂隙、充填的試件強(qiáng)度;在相同料漿固結(jié)時(shí)間下,高配比的“LT”組試件強(qiáng)度稍大于低配比的“ST”組試件強(qiáng)度;同一類(lèi)組合試件在相同應(yīng)變下,其應(yīng)力值隨固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。表明滲入巖石試件內(nèi)部節(jié)理、裂隙等弱面的充填料漿因化學(xué)作用生成了具有膠凝特性的產(chǎn)物,一定程度上強(qiáng)化了花崗巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度,且隨著料漿配比的提高與料漿固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),該強(qiáng)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(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),組合試件的彈性模量均呈先增大后減小的趨勢(shì),在固結(jié)時(shí)間為14d時(shí),達(dá)到最大值,表現(xiàn)出了一定的時(shí)效性。2.2瞬態(tài)崩落活動(dòng)特征在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)超過(guò)峰值應(yīng)力后,實(shí)驗(yàn)中的試件均發(fā)生突發(fā)性的瞬態(tài)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(qiáng)。因此,為了研究料漿固結(jié)過(guò)程對(duì)巖石脆性程度的影響,可以采用Andreev式中,ε脆性指數(shù)B然而,隨著固結(jié)時(shí)間的增加,LT組與ST組的脆性指數(shù)B3裂隙巖石的力學(xué)特性在實(shí)際生產(chǎn)中,處于深部高地應(yīng)力條件下的裂隙巖體,受到諸如巷道爆破開(kāi)挖、頂板垮落等多因素的卸載作用。由于含裂隙巖體的強(qiáng)度較低、變形能力較弱,在周?chē)鷳?yīng)力環(huán)境達(dá)到或超過(guò)其極限強(qiáng)度后,快速的應(yīng)力卸載使巖體內(nèi)部聚集的大量彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為耗散應(yīng)變能,從而導(dǎo)致巖體形成宏觀(guān)破裂面,并伴有大量彈射巖塊的飛出。因而以能量判別標(biāo)準(zhǔn)分析裂隙巖石的力學(xué)性能,對(duì)于研究深部巖體的穩(wěn)定性是可行的。同時(shí),結(jié)合圖2中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征可知,實(shí)驗(yàn)中試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)普遍為Ⅱ型,即當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后,隨著應(yīng)力的降低,應(yīng)變出現(xiàn)明顯回彈現(xiàn)象。在達(dá)到峰值應(yīng)力之前,外界應(yīng)力對(duì)試件做正功,花崗巖試件逐漸聚集能量;超過(guò)峰值應(yīng)力后,外界應(yīng)力對(duì)其做負(fù)功,巖石在變形過(guò)程中,向外界釋放能量,具有典型的巖爆傾向。因而本節(jié)采用在判別巖爆傾向性過(guò)程中的能量分析機(jī)制,對(duì)充填料漿固結(jié)過(guò)程中組合試件的力學(xué)特性作深入分析。假設(shè)在單軸壓縮過(guò)程中,巖石試件及其系統(tǒng)處于無(wú)熱交換的封閉狀態(tài),忽略峰值應(yīng)力附近試件彈射碎片的動(dòng)能,由熱力學(xué)第一定律可知:式中,σ根據(jù)已有研究式中,EU3.1充填裂隙能u圖5為各組吸收應(yīng)變能U、可釋放彈性應(yīng)變能U由圖5a、圖5b可知,在同一應(yīng)變下,吸收應(yīng)變能U表現(xiàn)為:WC>LT>ST(WZ在另一坐標(biāo)系內(nèi),不考慮),表明未充填的裂隙試件在單軸壓縮下積聚應(yīng)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(yīng)變能U由圖5e、圖5f可知,單軸壓縮下試件的耗散應(yīng)變能U本文中U3.2固結(jié)過(guò)程中的力學(xué)性能由上述分析可知,含不同配比、不同固結(jié)時(shí)間的組合試件,其應(yīng)變能轉(zhuǎn)化過(guò)程差異顯著,根本原因是:巖石內(nèi)部料漿在固結(jié)過(guò)程中,試件的力學(xué)性能發(fā)生了改變。在組合試件應(yīng)變能轉(zhuǎn)化過(guò)程中,可結(jié)合巖石脆性指數(shù)B式中,U圖6為脆性指數(shù)B上述分析表明,滲入巖石的充填料漿在固結(jié)過(guò)程中,低濃度料漿隨固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),對(duì)巖石的塑化作用逐漸減弱,試件延性逐漸增強(qiáng);而高濃度料漿對(duì)巖石的塑化作用呈現(xiàn)出顯著的時(shí)效性。4固結(jié)時(shí)間對(duì)試件脆性程度的影響a.在評(píng)價(jià)含低配比料漿組合試件的脆性程度時(shí),3種巖石脆性指數(shù)互相印證,表明以應(yīng)變能轉(zhuǎn)化機(jī)制來(lái)分析裂隙巖石的力學(xué)性能是可靠的。而含高配比料漿的組合試件,在固結(jié)時(shí)間為28d時(shí),其脆性程度呈現(xiàn)一定的離散性,因此,今后應(yīng)深入研究高配比充填料漿的固結(jié)時(shí)間對(duì)試件脆性程度的影響。b.本實(shí)驗(yàn)在研究料漿固結(jié)過(guò)程對(duì)裂隙巖石力學(xué)性能影響中,僅采用了目前常見(jiàn)的3種料漿固結(jié)時(shí)間。為了進(jìn)一步分析料漿在固結(jié)過(guò)程中,裂隙巖石力學(xué)參數(shù)的時(shí)效性變化,應(yīng)當(dāng)增加料漿固結(jié)的時(shí)間梯度,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具規(guī)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(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈上凹