基于顆粒流法的多層充填體抗彎性能研究

基于顆粒流法的多層充填體抗彎性能研究

0充填體試件抗彎性能下向采礦法是處理破裂礦山的最有效方法，它不僅保證了工人和設備的安全，而且有效控制了礦體的減少率。下向充填采礦法中,采礦人員和設備在人工假頂?shù)谋Ｗo下進行生產(chǎn)作業(yè)。因此,人工假頂?shù)姆€(wěn)定性直接影響著整個回采工作面的安全。為了在保證假頂安全的條件下提高充填工程的經(jīng)濟性,在澆筑假頂時,一般將灰砂比較高的充填料漿鋪設在底層,而將灰砂比相對較低的充填料漿澆筑在中層和上層,形成分層充填體。人工假頂在下向進路充填法中的受力情況可以簡化成剛性梁來處理抗彎性能是充填體重要的力學性能指標之一,國內外學者對其研究相對較多,但基本是針對單一灰砂比料漿下的充填體。曹帥本文用灰砂比分別為1∶4和1∶8的充填料漿配制不同比重的充填體試件,通過3點抗彎試驗分析各試件的峰值荷載,并繪制荷載-撓度曲線,從能量角度分析分層試件的斷裂特性。同時借助顆粒流PFC1試驗與研究1.1試驗材料及澆筑參數(shù)本次試驗采用國內某金礦的全尾砂,尾砂粒徑分布如圖1所示,由圖1可知約27%的尾礦樣品粒度小于20μm,僅有5.3%的樣品顆粒小于2μm,并且尾砂粒徑的均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為15.63和1.84。采用的膠結材料為42.5R普通硅酸鹽水泥,其化學成分如表1所示。為研究多層充填體的彎曲特性,本試驗采用的試件尺寸為40mm×40mm×160mm,選取的料漿濃度為75%,灰砂比為1∶4和1∶8,在制備試件時以兩種灰砂比料漿的布置方式與各料漿所占的比重為變量因素,具體澆筑參數(shù)如表2所示。試件澆筑時,下層澆筑完成進行12h的濾水處理后,再進行上層料漿的澆筑。澆筑完成后,采用恒溫恒濕養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護,溫度為20℃±5℃、相對濕度為(95±5)%,養(yǎng)護齡期為14d。1.2加載方式及加載速率試驗采用10kN微機控制電子式萬能試驗機進行3點加載的抗彎方式,加載時的有效跨距為100mm,跨高比為2.5,采用位移控制方式進行加載,速率為0.5mm/min。加載過程中記錄下試件的峰值荷載以及荷載-撓度曲線數(shù)據(jù)。1.3灰砂比對充填料漿峰后抗彎性能的影響將試驗所記錄下的各個試件的峰值荷載進行平均化處理,得出各組試件的峰值荷載如表2所示。(1)峰值荷載分析。根據(jù)表繪制不同料漿配比下的峰值荷載變化曲線,如圖2所示,并得出如下結論:一是當灰砂比為1∶4的料漿所占的比重為0和1時,即灰砂比為1∶8和1∶4時的非分層試件,其峰值荷載分別為265N和1194N。二是當灰砂比為1∶4的料漿所占的比重為不等于0和1,即為分層試件時,隨著灰砂比為1∶4料漿所占比重的增加,其處于下層時的峰值荷載分別為476,635和862N,而處于上層時的峰值荷載分別為340,442和724N。由此說明,在各料漿所占的比重相等時,灰砂比為1∶4的料漿處于下層時的峰值荷載明顯高于上層時的峰值荷載。(2)荷載-撓度曲線分析。根據(jù)試驗記錄的中心荷載和撓度數(shù)據(jù)繪制荷載-撓度曲線,如圖3所示,該曲線與坐標軸所圍成的封閉區(qū)域反映了試件從開始加載到完全破壞所需的能量由圖3和圖4可得出以下結論:一是當灰砂比為1∶4的充填料漿處于上層時,隨著其比重從25%增加至75%,峰后面積所占的比重從18%增加至80%,當灰砂比為1∶4的充填體料漿的比重達到1時,峰后面積所占的比重驟減至42%。由此說明,當高灰砂比的充填體料漿處于上層時,可以極大地改善充填體的峰后抗彎性能,并且改善程度隨著其比重的增加而愈發(fā)明顯。二是當灰砂比為1∶4的充填料漿處于下層時,隨著其比重的增加,峰后面積所占的比重從18%增加至35%,增幅僅為17%,而其峰值荷載從265N上升至1194N,上升率高達3.5倍。由此說明,在各灰砂比料漿所占比重相等的情況下,當高灰砂比的充填體料漿處于下層時,可以大幅提高充填體的峰值荷載,并且提高程度隨著其比重的增加而明顯上升。2羅馬不夫微觀分析2.1顆粒流pfc的加載為了對本次試驗中的試件破壞進行微觀分析與研究,運用顆粒流PFC利用3個圓形的Wall單元模擬試驗機的加載支架,并賦予足夠的剛度防止顆粒穿過墻體2.2參數(shù)校正按照試驗試件編號對圖6的模擬試件進行賦值。通過PFC2.3加載破壞過程為了提高研究效率,本次模擬只針對具有代表性的1號、3號和7號試件進行模擬分析。由圖7可知,數(shù)值模擬與試驗所得的峰值荷載非常接近,誤差很小,說明本次PFC數(shù)值模擬能較準確地還原充填體試件的破壞過程。圖8～圖10分別為1號、3號和7號試件的破壞過程。圖8中,隨著試件上部圓形加載墻體不斷下移,使得中心荷載逐漸變大。加載至點a時,在試件下端出現(xiàn)如箭頭所指的拉伸破壞裂紋,并且由于該裂紋不斷向上發(fā)育,荷載增加速率明顯放緩。直至點b時,如箭頭所指,拉伸裂紋已發(fā)育至試件上部,試件達到峰值荷載。此后該裂紋加速發(fā)育,使得荷載急劇下降,c點時,微觀裂紋已經(jīng)發(fā)育成宏觀裂縫,荷載為0,試件完全破壞。與圖8不同的是,圖8所示的3號試件(分層充填體試件)的破壞過程,由于試件上層為1∶8的低灰砂比充填料漿,偏低的力學性能使得加載初期(點a處)在試件上部出現(xiàn)了剪切裂紋,荷載增速放緩并且伴有小幅度的波動。剪切裂紋不斷向下發(fā)育,當發(fā)育至充填料漿的分界線時,下層的高灰砂比料漿阻止其繼續(xù)向下,并使其沿著分界線向兩側不斷蔓延,最終在b點處形成三角形狀裂紋分布帶。與此同時,不斷加載使試件在下部出現(xiàn)了如箭頭所指的初始拉伸裂紋,并且隨著該裂紋的不斷發(fā)育,荷載驟減為0(d點)。圖10所模擬試件的結構布置與圖7正好相反。點a時,下端拉伸裂紋的不斷發(fā)育使得荷載開始大幅下降。與圖9所示相似,上層高灰砂比的料漿使得向上發(fā)育的拉伸裂紋開始沿著分界線發(fā)展,最終形成倒三角形狀的裂紋分布帶。2.4拉伸接觸力分析PFC中試件的宏觀強度源于顆粒間的相互接觸力由圖11～圖13可知,充填體試件受到彎曲破壞時,在加載初期顆粒間的接觸力類型為拉伸力和壓縮力2種,壓縮區(qū)從受載3點開始呈“人”字形延伸分布,并且在受載點最為密集;拉伸區(qū)在中心線以下呈三角形分布,并且沿著試件下部邊緣從中心向兩側逐漸變疏。當試件不存在分層時(圖11),顆粒速度從上部加載點逐漸向下轉移,使得在試件下部邊緣的中心點出現(xiàn)初始拉伸裂紋,并且裂紋處的顆粒速度大小高于其他顆粒、方向指向裂紋兩側,導致初始裂紋加速發(fā)育。隨著新裂紋(顏色最淺處)不斷向上發(fā)育,前期裂紋顏色逐漸變深,說明此處顆粒間的接觸力急劇減小至0,同時拉伸接觸力也逐漸消失。當試件存在分層且低灰砂比的充填料漿處于上層時(圖12),隨著不斷加載,在上部加載單元處開始出現(xiàn)剪切裂紋,并且呈發(fā)散狀向下發(fā)育,使得裂紋下部的顆粒速度逐漸變大。試件下部邊緣出現(xiàn)初始拉伸裂紋,并不斷向上發(fā)育至分界線時,與破壞前期的剪切裂紋共同加速了試件的完全破壞。當試件存在分層且高灰砂比的充填料漿處于上層時(圖13),加載初期不存在剪切裂紋,初始拉伸裂紋從試件下部開始發(fā)育,并且發(fā)育至分界線時,試件下層顆粒間的接觸力基本為0,說明此時下層已基本破壞。上層底部開始出現(xiàn)的拉伸接觸力是試件具有峰后荷載的主要原因。隨著不斷加載,試件上層也因拉伸裂紋而破壞。3分層充填體試件(1)當充填體試件存在分層,且灰砂比為1∶4的充填料漿處于下層時,在其所占比重為25%、50%和75%下的峰值荷載分別為476,635和862N;而處于上層時,在相同比重下的峰值荷載分別為340,442和724N,明顯低于下層時的強度。因此,在各灰砂比料漿所占比重相等的情況下,當高灰砂比的充填體料漿處于下層時,可以提高充填體的峰值荷載,并且提高程度隨著其比重的增加而上升。(2)當灰砂比為1∶4的充填料漿處于上層時,隨著其比重的增加,峰后面積所占的比重從18%增加至80%,當灰砂比為1∶4的充填料漿的比重達到1時,峰后面積所占的比重驟減至42%。因此,當高灰砂比的充填體料漿處于上層時,可以極大地改善充填體的峰后抗彎性能,并且提高程度隨著其比重的增加而愈發(fā)明顯。(3)試件在3點加載的彎曲破壞過程中,按顆粒的接觸類型可以劃分為拉伸區(qū)和壓縮區(qū)。試件的破壞主要是由顆粒間拉伸裂紋的產(chǎn)生與發(fā)育引起,并