基于颗粒流法的多层充填体抗弯性能研究

基于颗粒流法的多层充填体抗弯性能研究

0充填体试件抗弯性能下向采矿法是处理破裂矿山的最有效方法，它不仅保证了工人和设备的安全，而且有效控制了矿体的减少率。下向充填采矿法中,采矿人员和设备在人工假顶的保护下进行生产作业。因此,人工假顶的稳定性直接影响着整个回采工作面的安全。为了在保证假顶安全的条件下提高充填工程的经济性,在浇筑假顶时,一般将灰砂比较高的充填料浆铺设在底层,而将灰砂比相对较低的充填料浆浇筑在中层和上层,形成分层充填体。人工假顶在下向进路充填法中的受力情况可以简化成刚性梁来处理抗弯性能是充填体重要的力学性能指标之一,国内外学者对其研究相对较多,但基本是针对单一灰砂比料浆下的充填体。曹帅本文用灰砂比分别为1∶4和1∶8的充填料浆配制不同比重的充填体试件,通过3点抗弯试验分析各试件的峰值荷载,并绘制荷载-挠度曲线,从能量角度分析分层试件的断裂特性。同时借助颗粒流PFC1试验与研究1.1试验材料及浇筑参数本次试验采用国内某金矿的全尾砂,尾砂粒径分布如图1所示,由图1可知约27%的尾矿样品粒度小于20μm,仅有5.3%的样品颗粒小于2μm,并且尾砂粒径的均匀系数和曲率系数分别为15.63和1.84。采用的胶结材料为42.5R普通硅酸盐水泥,其化学成分如表1所示。为研究多层充填体的弯曲特性,本试验采用的试件尺寸为40mm×40mm×160mm,选取的料浆浓度为75%,灰砂比为1∶4和1∶8,在制备试件时以两种灰砂比料浆的布置方式与各料浆所占的比重为变量因素,具体浇筑参数如表2所示。试件浇筑时,下层浇筑完成进行12h的滤水处理后,再进行上层料浆的浇筑。浇筑完成后,采用恒温恒湿养护箱进行养护,温度为20℃±5℃、相对湿度为(95±5)%,养护龄期为14d。1.2加载方式及加载速率试验采用10kN微机控制电子式万能试验机进行3点加载的抗弯方式,加载时的有效跨距为100mm,跨高比为2.5,采用位移控制方式进行加载,速率为0.5mm/min。加载过程中记录下试件的峰值荷载以及荷载-挠度曲线数据。1.3灰砂比对充填料浆峰后抗弯性能的影响将试验所记录下的各个试件的峰值荷载进行平均化处理,得出各组试件的峰值荷载如表2所示。(1)峰值荷载分析。根据表绘制不同料浆配比下的峰值荷载变化曲线,如图2所示,并得出如下结论:一是当灰砂比为1∶4的料浆所占的比重为0和1时,即灰砂比为1∶8和1∶4时的非分层试件,其峰值荷载分别为265N和1194N。二是当灰砂比为1∶4的料浆所占的比重为不等于0和1,即为分层试件时,随着灰砂比为1∶4料浆所占比重的增加,其处于下层时的峰值荷载分别为476,635和862N,而处于上层时的峰值荷载分别为340,442和724N。由此说明,在各料浆所占的比重相等时,灰砂比为1∶4的料浆处于下层时的峰值荷载明显高于上层时的峰值荷载。(2)荷载-挠度曲线分析。根据试验记录的中心荷载和挠度数据绘制荷载-挠度曲线,如图3所示,该曲线与坐标轴所围成的封闭区域反映了试件从开始加载到完全破坏所需的能量由图3和图4可得出以下结论:一是当灰砂比为1∶4的充填料浆处于上层时,随着其比重从25%增加至75%,峰后面积所占的比重从18%增加至80%,当灰砂比为1∶4的充填体料浆的比重达到1时,峰后面积所占的比重骤减至42%。由此说明,当高灰砂比的充填体料浆处于上层时,可以极大地改善充填体的峰后抗弯性能,并且改善程度随着其比重的增加而愈发明显。二是当灰砂比为1∶4的充填料浆处于下层时,随着其比重的增加,峰后面积所占的比重从18%增加至35%,增幅仅为17%,而其峰值荷载从265N上升至1194N,上升率高达3.5倍。由此说明,在各灰砂比料浆所占比重相等的情况下,当高灰砂比的充填体料浆处于下层时,可以大幅提高充填体的峰值荷载,并且提高程度随着其比重的增加而明显上升。2罗马不夫微观分析2.1颗粒流pfc的加载为了对本次试验中的试件破坏进行微观分析与研究,运用颗粒流PFC利用3个圆形的Wall单元模拟试验机的加载支架,并赋予足够的刚度防止颗粒穿过墙体2.2参数校正按照试验试件编号对图6的模拟试件进行赋值。通过PFC2.3加载破坏过程为了提高研究效率,本次模拟只针对具有代表性的1号、3号和7号试件进行模拟分析。由图7可知,数值模拟与试验所得的峰值荷载非常接近,误差很小,说明本次PFC数值模拟能较准确地还原充填体试件的破坏过程。图8～图10分别为1号、3号和7号试件的破坏过程。图8中,随着试件上部圆形加载墙体不断下移,使得中心荷载逐渐变大。加载至点a时,在试件下端出现如箭头所指的拉伸破坏裂纹,并且由于该裂纹不断向上发育,荷载增加速率明显放缓。直至点b时,如箭头所指,拉伸裂纹已发育至试件上部,试件达到峰值荷载。此后该裂纹加速发育,使得荷载急剧下降,c点时,微观裂纹已经发育成宏观裂缝,荷载为0,试件完全破坏。与图8不同的是,图8所示的3号试件(分层充填体试件)的破坏过程,由于试件上层为1∶8的低灰砂比充填料浆,偏低的力学性能使得加载初期(点a处)在试件上部出现了剪切裂纹,荷载增速放缓并且伴有小幅度的波动。剪切裂纹不断向下发育,当发育至充填料浆的分界线时,下层的高灰砂比料浆阻止其继续向下,并使其沿着分界线向两侧不断蔓延,最终在b点处形成三角形状裂纹分布带。与此同时,不断加载使试件在下部出现了如箭头所指的初始拉伸裂纹,并且随着该裂纹的不断发育,荷载骤减为0(d点)。图10所模拟试件的结构布置与图7正好相反。点a时,下端拉伸裂纹的不断发育使得荷载开始大幅下降。与图9所示相似,上层高灰砂比的料浆使得向上发育的拉伸裂纹开始沿着分界线发展,最终形成倒三角形状的裂纹分布带。2.4拉伸接触力分析PFC中试件的宏观强度源于颗粒间的相互接触力由图11～图13可知,充填体试件受到弯曲破坏时,在加载初期颗粒间的接触力类型为拉伸力和压缩力2种,压缩区从受载3点开始呈“人”字形延伸分布,并且在受载点最为密集;拉伸区在中心线以下呈三角形分布,并且沿着试件下部边缘从中心向两侧逐渐变疏。当试件不存在分层时(图11),颗粒速度从上部加载点逐渐向下转移,使得在试件下部边缘的中心点出现初始拉伸裂纹,并且裂纹处的颗粒速度大小高于其他颗粒、方向指向裂纹两侧,导致初始裂纹加速发育。随着新裂纹(颜色最浅处)不断向上发育,前期裂纹颜色逐渐变深,说明此处颗粒间的接触力急剧减小至0,同时拉伸接触力也逐渐消失。当试件存在分层且低灰砂比的充填料浆处于上层时(图12),随着不断加载,在上部加载单元处开始出现剪切裂纹,并且呈发散状向下发育,使得裂纹下部的颗粒速度逐渐变大。试件下部边缘出现初始拉伸裂纹,并不断向上发育至分界线时,与破坏前期的剪切裂纹共同加速了试件的完全破坏。当试件存在分层且高灰砂比的充填料浆处于上层时(图13),加载初期不存在剪切裂纹,初始拉伸裂纹从试件下部开始发育,并且发育至分界线时,试件下层颗粒间的接触力基本为0,说明此时下层已基本破坏。上层底部开始出现的拉伸接触力是试件具有峰后荷载的主要原因。随着不断加载,试件上层也因拉伸裂纹而破坏。3分层充填体试件(1)当充填体试件存在分层,且灰砂比为1∶4的充填料浆处于下层时,在其所占比重为25%、50%和75%下的峰值荷载分别为476,635和862N;而处于上层时,在相同比重下的峰值荷载分别为340,442和724N,明显低于下层时的强度。因此,在各灰砂比料浆所占比重相等的情况下,当高灰砂比的充填体料浆处于下层时,可以提高充填体的峰值荷载,并且提高程度随着其比重的增加而上升。(2)当灰砂比为1∶4的充填料浆处于上层时,随着其比重的增加,峰后面积所占的比重从18%增加至80%,当灰砂比为1∶4的充填料浆的比重达到1时,峰后面积所占的比重骤减至42%。因此,当高灰砂比的充填体料浆处于上层时,可以极大地改善充填体的峰后抗弯性能,并且提高程度随着其比重的增加而愈发明显。(3)试件在3点加载的弯曲破坏过程中,按颗粒的接触类型可以划分为拉伸区和压缩区。试件的破坏主要是由颗粒间拉伸裂纹的产生与发育引起,并