矸石集料承載力學(xué)特性模擬研究

楊 科，魏 禎，何 祥，周光華，陳登紅，張繼強(qiáng)

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.國(guó)家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)公司，寧夏 銀川 751410)

煤炭資源長(zhǎng)期持續(xù)性高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)與利用，造成地表沉陷與固體廢棄物堆積，已嚴(yán)重影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與資源開(kāi)采的高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展。充填開(kāi)采是深化煤炭資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，解決煤電基地廢棄物污染生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，促進(jìn)固體廢棄物源頭減量減災(zāi)及資源化利用的重要舉措。矸石散體材料作為充填采煤中巖層控制的主要因素，散體充填材料的承壓變形特性決定充填采煤效果與質(zhì)量，直接影響地表沉陷、采空區(qū)煤自燃、頂板管理等工程問(wèn)題。因此，研究矸石集料的壓實(shí)變形特性、揭示散體材料的微細(xì)觀破裂演化機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。

目前，關(guān)于散體充填材料的承壓變形與破壞特征研究已取得一定進(jìn)展，普遍認(rèn)為散體充填材料構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu)是充填體力學(xué)特性的關(guān)鍵，研究主要集中在骨料混合物、粒徑級(jí)配、孔隙結(jié)構(gòu)、應(yīng)力環(huán)境等方面。張吉雄對(duì)矸石壓縮過(guò)程應(yīng)變、碎脹系數(shù)、壓實(shí)度與應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究；馬占國(guó)等開(kāi)展破碎煤體壓實(shí)過(guò)程的滲透特性研究，獲得了軸向應(yīng)力、滲透壓差與滲流速度的函數(shù)關(guān)系；張振東等研究了循環(huán)載荷下破碎巖體的變形破壞，分析堆石集料的顆粒破碎特性與碎脹系數(shù)的演變規(guī)律；蘇承東等試驗(yàn)獲得破碎砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析了巖性、粒徑、軸向應(yīng)力對(duì)破碎巖塊的壓實(shí)特性影響；褚廷湘等試驗(yàn)分析了破碎煤體在應(yīng)力、溫度、水分作用下的碎脹系數(shù)演變規(guī)律與機(jī)制；LI等通過(guò)試驗(yàn)將煤矸石壓縮變形分為快速壓縮、緩慢壓縮和穩(wěn)定壓縮3個(gè)階段；ZHOU等基于能量守恒原理，研究了粒徑大小、加載速率對(duì)矸石壓縮變形的影響；郁邦永等探討了級(jí)配飽水狀態(tài)破碎泥巖的壓縮變形與分形特征，建立破碎泥巖軸向應(yīng)力與壓縮模量的關(guān)系式?；谏Ⅲw堆積體的宏觀孔隙結(jié)構(gòu)，研究了煤矸石-粉煤灰、煤矸石-黃土、煤矸石-風(fēng)積沙、煤矸石-鈣質(zhì)砂的壓縮變形特性，完善了散體材料的承壓變形機(jī)制。張?zhí)燔姷炔捎梅旨?jí)加載的方式，開(kāi)展了不同粒徑矸石的蠕變滲流試驗(yàn)，得到各級(jí)應(yīng)力水平下破碎矸石滲透參數(shù)的演化規(guī)律；陳紹杰等制備了特定配比的充填膏體試樣，進(jìn)行單軸壓縮蠕變與電鏡掃描等系列試驗(yàn)，研究了充填體的蠕變硬化特性。閆浩等采用掃描電鏡、數(shù)字圖像及顆粒流數(shù)值模擬，研究了矸石集料細(xì)觀參數(shù)與宏觀變量間的函數(shù)關(guān)系；HUANG等基于三維重構(gòu)技術(shù)，研究不同顆粒級(jí)配、不同圍壓、不同加載速率下松散矸石塊體的宏觀力學(xué)特性與微觀破裂形式；劉展采用顆粒流數(shù)值軟件模擬了矸石集料的壓實(shí)特性，有效實(shí)現(xiàn)了矸石集料細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)換；吳疆宇等建立考慮粒徑與介質(zhì)屬性的顆粒流數(shù)值模型，探討了單軸載荷下充填體全程能量、裂紋及顆粒破碎的演變規(guī)律，揭示了粒徑級(jí)配對(duì)充填體能量演化與裂紋擴(kuò)展的影響機(jī)制。采空區(qū)支承壓力分布隨工作面的推進(jìn)動(dòng)態(tài)演化。迄今，相比矸石集料壓實(shí)力學(xué)特性研究，關(guān)于散體充填材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少，對(duì)矸石充填體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與承壓變形機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不清晰。

筆者通過(guò)散體矸石集料的側(cè)向受限壓縮試驗(yàn)，研究粒徑、軸向應(yīng)力、加載速率等對(duì)散體矸石壓縮變形特性與微觀結(jié)構(gòu)演變的影響，量化粒徑分布分形維數(shù)與軸向應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)結(jié)合PFC顆粒流數(shù)值軟件，探討矸石集料壓實(shí)變形過(guò)程的能量、力鏈、破裂演化規(guī)律，進(jìn)而從微細(xì)觀層面揭示矸石充填體的承壓變形機(jī)制，為優(yōu)化散體矸石空間結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)，進(jìn)一步提高充填開(kāi)采巖層移動(dòng)控制效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

煤矸石取自寧夏回族自治區(qū)任家莊煤礦-400 m工作面，平均單軸抗壓強(qiáng)度34.19 MPa。采用PEX顎式破碎機(jī)將大塊煤矸石破碎后，依次篩分成6種不同粒徑(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 mm)。為了消除含水率對(duì)矸石集料壓縮特性影響，將破碎煤矸石置入DHG-9030A型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干處理，制備的試驗(yàn)材料如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test material

1.2 試驗(yàn)方案與裝置

為了研究軸向應(yīng)力、粒徑級(jí)配和加載速率3種因素影響下破碎矸石的承壓變形特性，共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，分為平均級(jí)配和不完全級(jí)配，平均級(jí)配由6種粒徑矸石等質(zhì)量均勻混合；不完全級(jí)配根據(jù)缺失的粒徑分為3類：小粒徑級(jí)配(0～10 mm)由粒徑0～5 mm和5～10 mm的矸石組成；中等粒徑級(jí)配(10～20 mm)由粒徑10～15 mm和15～20 mm的矸石組成；大粒徑級(jí)配(20～30 mm)由粒徑20～25 mm和25～30 mm的矸石組成。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用破碎煤巖體承壓變形試驗(yàn)缸筒內(nèi)徑170 mm、高150 mm，缸筒內(nèi)壁經(jīng)淬火處理，滿足試驗(yàn)要求的硬度與耐磨性。試驗(yàn)時(shí)為減小缸筒內(nèi)壁的摩擦阻力，每次試驗(yàn)前在筒壁涂抹潤(rùn)滑油，另外在缸筒底部放置毛氈，避免細(xì)小顆粒溢漏造成試驗(yàn)誤差。將制備好的煤矸石稱重混合均勻，分次輕微振動(dòng)裝入缸筒，減少裝料引起的人工誤差。試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 51019—2014《固體充填材料壓實(shí)特性測(cè)試方法》，嚴(yán)格按照“設(shè)計(jì)方案—制備材料—組裝模具—裝填試樣—設(shè)置參數(shù)—加載測(cè)試—結(jié)果分析”等步驟進(jìn)行，每次試驗(yàn)試樣總質(zhì)量為5.4 kg。

表1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用RMT-150B巖石伺服加載試驗(yàn)機(jī)，該系統(tǒng)主要用于測(cè)試高強(qiáng)度固體材料的力學(xué)性能，具有剛度大、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，最大壓力為1 000 kN。試驗(yàn)前根據(jù)方案設(shè)置加載參數(shù)，并對(duì)破碎試樣進(jìn)行預(yù)加載。試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)采集軸向應(yīng)力與應(yīng)變，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)結(jié)束加載，試驗(yàn)結(jié)束后取出破碎矸石進(jìn)行篩分稱重。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 矸石集料壓實(shí)力學(xué)特性

不同級(jí)配的矸石集料壓實(shí)特性如圖2所示。矸石集料壓縮破碎過(guò)程中，應(yīng)變隨加載應(yīng)力的增加而快速增大，但增加速率逐漸減小。加載初期(0～2 MPa)應(yīng)變快速增大，占總應(yīng)變的50%～60%，而加載后期(2～10 MPa)試樣變形模量逐漸增大，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率變緩。矸石集料初期加載時(shí)克服顆粒間的摩擦阻力，發(fā)生大范圍的滑動(dòng)、移位與填充，顆粒孔隙逐漸被壓密。當(dāng)軸向加載應(yīng)力為2～10 MPa時(shí)，矸石集料應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩，加載時(shí)伴隨著矸石顆粒破碎的噼啪聲響，顆粒間不再發(fā)生滑動(dòng)移位，顆粒與顆粒間的孔隙逐漸減小，矸石集料整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，壓縮變形越來(lái)越難，故應(yīng)變?cè)黾臃入S載荷的增大而減小，且最終趨于穩(wěn)定。

圖2 不同級(jí)配矸石集料壓縮特性曲線Fig.2 Compression characteristic curves of gangue aggregate with different gradation

由圖2可知，小粒徑級(jí)配穩(wěn)定性優(yōu)于大粒徑級(jí)配，平均級(jí)配穩(wěn)定性優(yōu)于非完全級(jí)配，即隨著大粒徑顆粒占比增大，試樣穩(wěn)定性降低。中等粒徑級(jí)配與大粒徑級(jí)配的應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動(dòng)明顯，主要是大粒徑矸石承壓面較多，且大粒徑顆粒含量越多，試樣的孔隙、空隙空間越大，在相同載荷作用下大粒徑矸石易發(fā)生擠壓破碎；平均級(jí)配的矸石集料應(yīng)力-應(yīng)變曲線較平滑，主要是載荷作用下各粒徑相互補(bǔ)充，形成穩(wěn)定的承載密實(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部矸石顆粒不易發(fā)生滑動(dòng)移位，減少了矸石顆粒間的擠壓與摩擦，因而平均級(jí)配的矸石集料變形小、承載性能好。

試驗(yàn)獲得不同軸向應(yīng)力下矸石集料的壓縮特性曲線如圖3所示。從圖3可以看出，矸石集料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為3個(gè)階段。第Ⅰ階段：孔隙壓密階段(～)，矸石集料處于松散狀態(tài)，孔隙率高，在軸向應(yīng)力作用下矸石顆粒間的大量孔隙發(fā)生閉合，壓縮模量逐漸增大，表現(xiàn)出變形大、承載性能差的特征；第Ⅱ階段：結(jié)構(gòu)調(diào)整階段(～)，經(jīng)過(guò)初始的孔隙壓密，矸石集料的顆粒間緊密接觸，顆粒棱角相互擠壓形成不同形式的宏觀結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部顆粒與顆粒間存在力鏈，外載荷作用下，矸石顆粒相互擠壓重新排列，導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)；第Ⅲ階段：彈塑性變形階段(～)，該階段矸石顆粒存在面-面、點(diǎn)-面、點(diǎn)-點(diǎn)3種接觸形式，矸石棱角主要以點(diǎn)接觸的形式相互嚙合，接觸點(diǎn)位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，矸石顆粒發(fā)生彈塑性變形，擠壓破碎的細(xì)小顆粒填充孔隙，試樣孔隙率逐漸降低，承載能力顯著增強(qiáng)。外部載荷加載過(guò)程中，試樣發(fā)生大顆粒骨架破壞、中等顆粒滑動(dòng)移位、小顆粒填充孔隙。因此，承壓破碎矸石顆粒的滑動(dòng)、移位、再破碎及重排列是造成軸向應(yīng)力-應(yīng)變階段特征的主要原因。

圖3 不同軸向應(yīng)力下矸石集料的壓縮特性曲線Fig.3 Compression characteristic curves of gangue aggregate under different axial stress

由圖3可知，不同軸向應(yīng)力矸石集料軸向應(yīng)變曲線似指數(shù)函數(shù)分布，變化趨勢(shì)差別不大。當(dāng)矸石集料軸向加載應(yīng)力為2.5，5.0，7.5 MPa時(shí)，軸向應(yīng)變分別為27.45，35.00，39.56，即軸向應(yīng)變隨著加載應(yīng)力的增大而減小。2.5 MPa時(shí)的加載曲線光滑且緩慢上升，只經(jīng)歷孔隙壓密和早期結(jié)構(gòu)調(diào)整階段；5.0 MPa時(shí)的加載曲線出現(xiàn)跌宕式上升，經(jīng)歷孔隙壓密和結(jié)構(gòu)調(diào)整2個(gè)階段；7.5 MPa和10.0 MPa的加載曲線經(jīng)歷了孔隙壓密、結(jié)構(gòu)調(diào)整和彈塑性變形3個(gè)階段。粒徑級(jí)配與加載速率相同的情況下，不同軸向應(yīng)力作用下破碎矸石壓縮曲線軌跡存在差異，主要因?yàn)樯罨旌享肥目臻g粒徑分布不一致，形成不同的承載結(jié)構(gòu)，致使軸向壓力作用下壓縮曲線軌跡不一致，但不同階段的壓縮模量變化一致。

從矸石的結(jié)構(gòu)看，礦物顆粒無(wú)序緊密排列，當(dāng)某個(gè)礦物顆粒受到載荷時(shí)，相鄰礦物間傳遞載荷，在最弱的位置產(chǎn)生裂隙。不同加載速率下矸石集料的壓縮曲線如圖4所示。由圖4可以看出，破碎矸石的軸向應(yīng)變隨加載速率的增大而減小，不同加載速率下，矸石軸向應(yīng)力與應(yīng)變服從=+型冪函數(shù)分布，且相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99。

圖4 不同加載速率下矸石集料的壓縮特性曲線Fig.4 Compression characteristic curves of gangue aggregate under different loading rates

加載速率與時(shí)間密切相關(guān)，影響介質(zhì)與時(shí)間相關(guān)的力學(xué)行為，因此，建立軸向應(yīng)力與時(shí)間的曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，隨著加載速率增大，破碎矸石的承載時(shí)間逐漸減小，其內(nèi)部的微裂隙來(lái)不及充分?jǐn)U展，試樣的壓縮變形較小。破碎矸石在軸向應(yīng)力作用下顆粒結(jié)構(gòu)優(yōu)化，矸石顆粒結(jié)構(gòu)在高加載速率下尚未發(fā)生充分的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)調(diào)整就已達(dá)到預(yù)加載值，導(dǎo)致試樣在高加載速率下的變形量較小。

2.2 矸石集料壓實(shí)粒徑分布

矸石集料在一定的壓力作用下顆粒發(fā)生滑動(dòng)移位，使矸石顆粒的空間排列和孔隙空隙分布發(fā)生變化排列方式。由于試驗(yàn)所采用的缸筒剛度很大，加載過(guò)程不考慮矸石顆粒的徑向變形。根據(jù)分形理論在巖石破碎中的應(yīng)用研究，試樣中粒徑小于的巖石顆粒質(zhì)量與試樣總質(zhì)量之比可表示為

(1)

式中，為粒徑小于的顆粒質(zhì)量；為試樣的總質(zhì)量；為破碎矸石顆粒的粒徑；為破碎矸石顆粒的最小粒徑；為破碎矸石顆粒的最大粒徑；為破碎矸石顆粒的分形維數(shù)。

圖5 不同加載速率下矸石集料的應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.5 Stress time curves of gangue aggregate under different loading rates

假設(shè)破碎矸石顆粒的最小粒徑=0，則式(1)可表示為

(2)

對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù)得

(3)

由式(3)可以看出直線斜率與分形維數(shù)的關(guān)系，對(duì)壓實(shí)前后的破碎矸石進(jìn)行篩分稱重，根據(jù)式(3)計(jì)算出質(zhì)量比與粒徑比的對(duì)數(shù)關(guān)系，獲得不同軸向應(yīng)力下的破碎矸石粒徑分布的分形維數(shù)，如圖6所示，擬合方程相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97以上。

圖6 不同加載應(yīng)力下試樣粒徑分布分形維數(shù)擬合過(guò)程Fig.6 Fitting process of fractal dimension of sample particle size distribution under different loading stresses

根據(jù)直線方程的斜率與分形維數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得到不同軸向應(yīng)力下破碎矸石承壓后的分形維數(shù)，分形維數(shù)與軸向應(yīng)力關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出，曲線隨軸向應(yīng)力增大呈上升趨勢(shì)，但上升幅度逐漸減緩，曲線斜率逐漸減小。破碎矸石的分形維數(shù)與軸向應(yīng)力呈=+ln(-)型對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.974 6。軸向加載初始階段，軸向應(yīng)力從0增至5 MPa，分形維數(shù)從2.29增到2.48。這主要是由于初始階段破碎矸石中含大粒徑顆粒較多，大粒徑矸石具有棱角鮮明、接觸面積小等特點(diǎn)，在軸向應(yīng)力作用下接觸位置受力較大，極易發(fā)生破碎，導(dǎo)致破碎矸石粒徑分形維數(shù)快速上升。

圖7 試樣粒徑分布分形維數(shù)-軸向應(yīng)力擬合曲線Fig.7 Fractal dimension axial stress fitting curve of sample particle size distribution

軸向加載初始階段產(chǎn)生的小顆粒矸石在軸向應(yīng)力作用下，克服顆粒間的摩擦阻力，產(chǎn)生滾動(dòng)和滑動(dòng)，移動(dòng)到孔隙較大的地方，孔隙體積壓縮，破碎矸石更加密實(shí)。當(dāng)軸向應(yīng)力大于5 MPa時(shí)，破碎矸石的分形維數(shù)逐漸趨于平緩，這是由于破碎矸石經(jīng)歷了初始加載，顆粒間接觸面積增大，接觸點(diǎn)增多，散狀矸石的孔隙結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。此時(shí)破碎矸石抵抗變形的能力較強(qiáng)，隨著軸向應(yīng)力的增大，只有少量矸石發(fā)生破碎，表現(xiàn)為分形維數(shù)減緩上升。

圖8 不同加載速率下試樣粒徑分布分形維數(shù)擬合過(guò)程Fig.8 Fitting process of fractal dimension of sample particle size distribution under different loading rates

不同加載速率下破碎矸石分形維數(shù)如圖8所示，擬合方程相關(guān)系數(shù)較高。根據(jù)直線斜率與分形維數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得出分形維數(shù)與加載速率關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，曲線隨加載速率的增大呈下降趨勢(shì)。破碎矸石的分形維數(shù)與軸向應(yīng)力呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)軸向加載速率從0.05 mm/s增至1 mm/s時(shí)，分形維數(shù)從2.658降至2.452。這主要是由于采用位移控制加載，加載速率越大破碎矸石的承載時(shí)間越短，破碎程度較低，從而導(dǎo)致破碎矸石粒徑分形維數(shù)減小。

圖9 不同加載速率下試樣粒徑分布分形維數(shù)- 加載速率擬合曲線Fig.9 Fitting curve between fractal dimension of sample particle size distribution and loading rate under different loading rates

3 矸石集料壓實(shí)變形細(xì)觀分析

3.1 矸石集料壓實(shí)變形能量演化

矸石顆粒在上覆巖層作用下逐漸被壓實(shí)，發(fā)生明顯的滑移破碎現(xiàn)象，顆粒間的相互咬合抑制滑動(dòng)與移位，對(duì)矸石顆粒的承壓變形具有較大影響?；赑FC顆粒流模擬軟件建立不同形狀的矸石塊體如圖10所示，試驗(yàn)?zāi)M分析矸石顆粒壓實(shí)變形過(guò)程的能量演化與力鏈結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖10 部分不同形狀矸石塊體模型Fig.10 Some gangue models with different shapes

不同粒徑級(jí)配矸石壓縮應(yīng)變能演化特征如圖11所示。從圖11可以看出，相同軸向應(yīng)力、加載速率下，破碎矸石的壓縮應(yīng)變能隨加載應(yīng)力的增大而增大。不同粒徑矸石集料的應(yīng)變能起始變化時(shí)刻不同，大粒徑矸石集料的應(yīng)變能起始變化最早，小粒徑矸石集料最晚。軸向載荷作用下不同矸石顆粒應(yīng)變能的增大速率不同，大粒徑和中等粒徑矸石顆粒的應(yīng)變能增大速率最大，矸石集料持續(xù)壓縮變形吸收能量。

圖11 不同粒徑級(jí)配矸石壓縮應(yīng)變能演化特征Fig.11 Evolution characteristics of compressive strain energy of gangue with different particle size gradation

不同粒徑級(jí)配矸石壓縮摩擦能演化特征如圖12所示。從圖12可以看出，初始加載階段小粒徑矸石變形摩擦能緩慢增大，達(dá)到一定載荷時(shí)，矸石摩擦能迅速增大，大粒徑矸石加載過(guò)程中摩擦能快速增大。不同粒徑級(jí)配矸石壓縮側(cè)向應(yīng)力演化特征如圖13所示，相同軸向應(yīng)力作用下，0～10 mm粒徑的矸石集料初始加載階段側(cè)向應(yīng)力緩慢增大，20～30 mm粒徑的矸石集料初始加載階段側(cè)向應(yīng)力快速增大。結(jié)合矸石壓縮的摩擦能演化特征，當(dāng)矸石集料中大粒徑占比大時(shí)，試樣的孔隙、空隙空間大，相同載荷下大粒徑矸石易發(fā)生擠壓破碎，矸石顆粒結(jié)構(gòu)克服變形消耗摩擦能，表明大粒徑矸石顆粒有利于增強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)的摩擦效應(yīng)。平均級(jí)配的矸石集料在外載荷作用下各粒徑相互調(diào)整補(bǔ)充，逐漸形成穩(wěn)定密實(shí)的承載結(jié)構(gòu)，試樣摩擦能緩慢增大；小粒徑級(jí)配的矸石集料在外載荷作用下顆粒相互填充，試樣內(nèi)部顆粒不易發(fā)生滾動(dòng)移位，顆粒間及顆粒與缸筒內(nèi)壁的擠壓摩擦較少，初始加載階段試樣摩擦能緩慢增大，加載后期摩擦能增大速率逐漸加快。

圖12 不同粒徑級(jí)配矸石壓縮摩擦能演化特征Fig.12 Evolution characteristics of compression friction energy of gangue with different particle size gradation

圖13 不同粒徑級(jí)配矸石側(cè)向應(yīng)力演化特征Fig.13 Lateral stress evolution characteristics of gangue with different particle size gradation

3.2 矸石集料壓實(shí)變形力鏈演化

矸石堆積體松散分布，巖塊間孔隙較大，隨著軸向應(yīng)力的逐漸增加，松散矸石逐漸被壓實(shí)，巖塊間空隙不斷減小。顆粒流模型采用力鏈表示顆粒間的相互作用，分布密集表明結(jié)構(gòu)密實(shí)性好，力鏈數(shù)值大的區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的主要承載區(qū)。0～10 mm模型由粒徑0～5 mm和5～10 mm的矸石塊體等比例混合；10～20 mm模型由粒徑10～15 mm和15～20 mm的矸石塊體等比例混合；20～30 mm模型由粒徑20～25 mm和25～30 mm的矸石塊體等比例混合。圖14為不同粒徑下矸石集料承載力鏈演化，從圖14可以看出，巖塊間相互接觸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)力通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自上而下傳遞，當(dāng)矸石顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上傳遞的應(yīng)力大于平均接觸力時(shí)，稱為強(qiáng)力鏈結(jié)構(gòu)，反之為弱力鏈。當(dāng)軸向應(yīng)力較小時(shí)，試樣主要承載區(qū)位于上部，隨著軸向應(yīng)力的增大，試樣主要承載區(qū)逐漸向下發(fā)展，范圍逐漸擴(kuò)大，最終貫穿整個(gè)試樣。矸石顆粒間相互作用關(guān)系如圖15所示，顆粒間的接觸點(diǎn)隨外載荷的增大而增多，由銳角接觸轉(zhuǎn)為鈍角或球面接觸，顆粒抵抗變形能力逐漸增強(qiáng)，演變成連續(xù)介質(zhì)，壓縮模量快速增大。

矸石集料壓實(shí)變形力鏈演化與軸向加載應(yīng)力與粒徑級(jí)配密切相關(guān)。相同軸向應(yīng)力下，矸石集料力鏈表現(xiàn)出：小粒徑矸石密集分布，密實(shí)性好，大粒徑矸石稀疏分布，密實(shí)性較差，中等粒徑矸石數(shù)值最大。相同粒徑級(jí)配下，矸石集料力鏈表現(xiàn)出：矸石顆粒尖端隨外載荷的增大逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒間網(wǎng)絡(luò)狀力鏈局部失效進(jìn)而劣化其承載性能；軸向應(yīng)力較小時(shí)，小粒徑矸石集料的主要承載區(qū)位于上部，大粒徑矸石集料的主要承載區(qū)覆蓋范圍大，幾乎遍布試樣。矸石顆粒的力鏈方向與載荷方向一致，外部載荷主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)狀力鏈自上向下傳遞，力鏈長(zhǎng)度隨載荷的增大逐漸增長(zhǎng)，覆蓋范圍逐漸增大，高應(yīng)力范圍自上而下逐漸擴(kuò)展。矸石集料形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨外載荷的增大逐漸斷裂失效，小粒徑矸石顆粒可以弱化斷裂失效，力鏈長(zhǎng)度增大。

破碎矸石不同層位空隙率如圖16所示(為筒的高度)，由圖16可知，不同層位的破碎矸石空隙率存在差異。相同軸向應(yīng)力下，破碎矸石試樣頂部至底部的空隙率逐漸升高，即試樣密實(shí)性逐漸降低，這是由于軸向加載過(guò)程中，力鏈自上向下傳遞，顆粒的移位、破碎、填充程度從頂部至底部逐漸降低，最終導(dǎo)致試樣空隙被壓縮和填充程度從頂部至底部逐漸降低。不同軸向應(yīng)力下，破碎矸石試樣空隙率隨軸向應(yīng)力的增大而減小，頂部空隙率變化較小，底部空隙率變化較大，表明矸石顆粒在軸向應(yīng)力作用下，試樣頂部區(qū)域受載荷影響大，底部區(qū)域受載荷影響小。

圖14 不同粒徑下矸石集料承載力鏈演化特征Fig.14 Evolution characteristics of bearing capacity chain of gangue aggregate under different particle sizes

圖15 不同粒徑下矸石顆粒相互作用形式Fig.15 Interaction forms of gangue particles under different particle sizes

圖16 破碎矸石不同層位空隙率分布Fig.16 Distribution of voids in different layers of broken gangue

4 矸石集料承載壓縮力學(xué)響應(yīng)機(jī)制

破碎矸石顆粒在外載荷作用下逐漸壓縮變形，克服試驗(yàn)缸筒內(nèi)壁及顆粒間的摩擦阻力，顆粒產(chǎn)生滑動(dòng)移位，運(yùn)動(dòng)到更加平穩(wěn)的位置，試樣孔隙體積逐漸減小，矸石集料更加密實(shí)。隨著軸向應(yīng)力的進(jìn)一步增大，矸石顆粒整體破裂、棱角破碎，細(xì)小顆粒填充到大顆粒孔隙中，試樣整體體積減小。矸石顆粒的主要破碎類型如圖17所示，矸石顆粒自身蘊(yùn)含著大量缺陷，在外載荷作用下分解細(xì)化成不均勻的小顆粒，如圖17(a)所示；當(dāng)矸石顆粒棱角較多時(shí)，顆粒間以點(diǎn)接觸為主，接觸位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中，致使矸石棱角破碎脫落，如圖17(b)所示；當(dāng)矸石顆粒外形規(guī)整表面粗糙時(shí)，外載荷作用下矸石顆粒相互擠壓研磨，使其表面光滑、形狀規(guī)則，如圖17(c)所示。

圖17 矸石顆粒破碎類型Fig.17 Types of gangue particle crushing

結(jié)合對(duì)破碎矸石滑動(dòng)移位、空隙率演化等的分析，將破碎矸石壓縮變形分為快速變形和緩慢變形2個(gè)階段?？焖僮冃坞A段，試樣變形速度快，軸向變形占破碎矸石總變形的50%～60%。這是由于初始狀態(tài)下的破碎矸石試樣松散，存在大量的空隙；在較低的軸向應(yīng)力下，矸石塊體沒(méi)有形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑動(dòng)移位；軸向應(yīng)力下矸石塊體的少量軟弱棱角破碎細(xì)化，破碎現(xiàn)象隨加載載荷的增大更加顯著，但細(xì)小顆粒對(duì)矸石孔隙的填充不夠充分。因此，該階段試樣變形主要是由于矸石塊體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整排列導(dǎo)致的。緩慢變形階段，試樣變形速度逐漸變緩，這是由于該階段試樣中應(yīng)力較大，矸石塊體由于應(yīng)力集中發(fā)生大量破碎，導(dǎo)致試樣骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；快速變形階段試樣空隙被大幅度壓縮，另外破碎的細(xì)小顆粒填充空隙，試樣整體粒徑分布處于理想狀態(tài)，顆粒之間充分緊密接觸，矸石顆粒的滑動(dòng)移位、二次破碎、重新排列等難以發(fā)生，試樣變形逐漸趨于穩(wěn)定。因此，這個(gè)階段試樣變形主要是由于矸石塊體破碎導(dǎo)致的。

5 討 論

綜上，獲得了不同粒徑級(jí)配、軸向應(yīng)力、加載速率下矸石集料的瞬時(shí)壓實(shí)特性。軸向加載過(guò)程中矸石顆粒不斷發(fā)生滑動(dòng)移位與二次破碎，逐漸形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)?；谄扑轫肥中尉S數(shù)與模擬分析可知，不同層位的破碎矸石空隙率存在差異，從頂部至底部空隙率逐漸升高。工程現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)矸石分布著大量孔隙、空隙，為固廢注漿充填提供了有利的空間條件，因此基于破碎矸石瞬時(shí)壓實(shí)的演化特征，未來(lái)將開(kāi)展矸石堆注漿的時(shí)空關(guān)系與矸石固結(jié)體的蠕變特性研究，為采空區(qū)注漿充填提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)破碎矸石集料的承壓變形特征，將其壓實(shí)過(guò)程分為孔隙壓密階段、結(jié)構(gòu)調(diào)整階段和彈塑性變形階段?？紫秹好茈A段矸石顆粒發(fā)生孔隙閉合，壓縮模量逐漸增大，表現(xiàn)出變形大、承載性能差等特征，結(jié)構(gòu)調(diào)整階段矸石顆粒相互擠壓重新排列，試樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，壓實(shí)曲線呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)，彈塑性變形階段矸石顆粒以點(diǎn)接觸的形式相互嚙合，矸石顆粒擠壓破碎成細(xì)小顆粒填充孔隙，試樣孔隙率逐漸降低，承載能力顯著增強(qiáng)。

(2)外載荷加載過(guò)程中，矸石集料的大顆粒骨架破壞、中等顆粒滑動(dòng)移位、小顆粒填充孔隙，是矸石顆粒承壓變形呈現(xiàn)階段特征的主要原因；隨著載荷的增大顆粒間的接觸點(diǎn)逐漸增多，接觸方式由銳角接觸轉(zhuǎn)為鈍角或球面接觸，顆粒抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)，壓縮模量快速增大，逐漸演變成連續(xù)介質(zhì)。

(3)破碎矸石的壓縮應(yīng)變能隨加載應(yīng)力的增大而增大，不同粒徑矸石應(yīng)變能的增大速率不同；相同軸向應(yīng)力作用下，大粒徑矸石易發(fā)生擠壓破碎，矸石顆粒結(jié)構(gòu)克服變形消耗摩擦能，有利于增強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)的摩擦效應(yīng)；小粒徑級(jí)配的矸石集料在外載荷作用下顆粒相互填充，顆粒間及顆粒與缸筒內(nèi)壁的擠壓摩擦較少，初始加載階段試樣摩擦能緩慢增大。

(4)軸向載荷下巖塊間相互接觸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)力通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自上而下傳遞，相同加載應(yīng)力下，小粒徑矸石密集分布，密實(shí)性好，大粒徑矸石稀疏分布，密實(shí)性較差；軸向應(yīng)力作用下小粒徑的主要承載區(qū)位于上部，大粒徑矸石集料的主要承載區(qū)覆蓋范圍較大，幾乎遍布試樣。力鏈長(zhǎng)度隨載荷的增大逐漸增長(zhǎng)，覆蓋范圍逐漸增大，高應(yīng)力范圍自上而下逐漸擴(kuò)展。矸石集料形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨外載荷的增大逐漸斷裂失效，小粒徑矸石顆粒具有弱化斷裂失效作用。