胶结充填体波速-密度双参数强度预测模型研究_程爱平.pdf

胶结充填体波速-密度双参数强度预测模型研究 程爱平 1， 2， 3 董福松 1， 2 张玉山 1， 2 王平 1， 2 戴顺意 1， 2 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081； 3. 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083） 摘要抗压强度是表征胶结充填体力学性质的重要指标， 是确定采场充填方案的基本依据， 快速、 准确地确 定胶结充填体抗压强度值， 对于保障采场安全意义重大。分析了胶结充填体强度的影响因素， 为克服单一预测指 标的不准确性和预测指标过多的复杂性， 选取了较易获取的胶结充填体初始超声波波速和密度两个参数， 构建了 波速-密度双参数预测指标T， 运用预测指标构建了胶结充填体强度预测模型， 并进行了验证。研究表明 ①胶结 充填体单轴抗压强度的影响因素有组成成分、 结构尺寸以及养护环境， 主要影响因素为组成成分； ②将试验数据应 用所构建的强度预测模型、 典型强度预测模型分别进行了曲线拟合， 对比分析得出所构建的强度预测模型拟合结 果良好， 相关系数均达到0.98以上， 可以较好地预测胶结充填体强度。利用波速-密度双参数进行胶结充填体强度 预测具有可行性， 为准确预测胶结充填体强度提供了新的思路。 关键词充填开采胶结充填体超声波波速密度强度预测 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-026-06 DOI10.19614/ki.jsks.201907005 Study on the Prediction Model of the Strength of Cemented Backfill Based on Wave Velocity and Density Cheng Aiping1， 2， 3Dong Fusong1， 2Zhang Yushan1， 2Wang Ping1， 2Dai Shunyi1， 22 （1. School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Key Laboratory of High-efficiency Utilization and Agglomeration of Metallurgical Mineral Resources in Hubei Province， Hubei 430081， China； 3. Key Laboratory of Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal Mines， Beijing 100083， China） AbstractCompressive strength is an important index to characterize the mechanical properties of cemented backfill.It is the basic basis for determining the filling scheme of the stope.Therefore， it is of great significance to determine the compres- sive strength value of cemented backfill quickly and accurately.The influencing factors of the strength of cemented backfill are discussed， in order to overcome the inaccuracy of single prediction factor and complexity of excessive prediction factors， two parameters of initial ultrasonic wave velocity and density of cemented backfill that are easier to obtained are selected.The wave velocity-density double parameter prediction index T is established， then， the strength prediction model of cementation backfill is indicated by using the predictive index， and the perance of the model is verified.The study results show that①the influ- ence factors of the uniaxial compressive strength of cemented backfill including composition， structural size and curing envi- ronment， the main influencing factors is composition； ②curve fitting analysis of the test data is done by using the strength pre- diction model established in this paper and typical strength prediction respectively， the comparative analysis results show that the curve fitting effects of the newly established model is better than the other， the correlative coefficient is above 0.98， which further indicated that the strength prediction model newly established can effectively predict the strength of cemented backfill. The above study results indicated that the it is feasible to predict the strength of cemented backfill with two parameters of wave velocity and density， therefore， the new ideal for accurately predicting the strength of cemented backfill. KeywordsFilling mining， Cemented backfill， Ultrasonic velocity， Density， Strength prediction 收稿日期2019-05-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604195） ， 湖北省自然科学基金项目 （编号 2018CFC818） ， 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验 室开放基金项目 （编号 ustbmslab201704） 。 作者简介程爱平 （1986） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 26 ChaoXing 充填采矿法以高回收率、 低贫化率、 对环境污染 小以及经济效益显著而被广泛应用 ［1-2］。胶结充填体 作为采场结构单元， 对采场的稳定性发挥着重要作 用， 其变形及力学特性至关重要。抗压强度是表征 充填体力学性质最重要的指标， 是确定采场充填方 案的基本依据， 因此快速、 准确地确定充填体抗压强 度值， 对于保障采场安全意义重大。 目前主要采用单轴抗压强度试验方法获取胶结 充填体抗压强度， 该方法对试件尺寸、 表面光滑程度、 加载速度等条件要求较高， 在工程现场无法开展， 且 属于破坏性试验， 故时效性和经济性较差。随着现代 化测试技术的发展， 超声波因其在介质传播时传播距 离大、 能量损失小、 穿透性强， 并在使用过程中快速、 简便等特征 ［3］， 得到了广泛应用。国内外学者利用超 声波测试技术针对充填体力学特性和强度预测开展 了相关研究。邓代强等 ［4］采用声波仪对充填体进行 了声波监测， 反映了胶结充填体内部的孔隙及弱相； Du 等 ［5］对单轴压缩过程中矸石充填体波速的变化规 律进行了监测和分析， 有效反映了充填体裂纹的演化 过程； 程爱平等 ［6］基于超声波波速构建了胶结充填体 损伤演化方程， 该方程能够有效描述充填体损伤演化 规律； 徐淼斐等 ［7］结合超声波波速与神经网络模型预 测了胶结充填体强度； Cao等 ［8］分析了分层胶结充填 体单轴抗压强度与超声波波速的关系； Ercikdi等 ［9］、 Tekin等 ［10］测定了不同龄期胶结充填体的初始超声波 波速， 结合单轴压缩试验， 根据不同超声波波速范围 预测了胶结充填体单轴压缩强度。 上述基于胶结充填体单轴抗压强度预测的研究 中， 对于预测指标选取情况考虑较少， 选取的指标过 多， 会造成预测流程复杂； 选取的指标单一， 又会造 成预测结果不准确。为此， 本研究通过统计分析胶 结充填体单轴抗压强度影响因素， 选取合理的强度 预测指标参数， 构建胶结充填体强度预测模型， 并将 其与典型的幂函数和指数函数预测模型进行对比， 进一步验证胶结充填体强度预测模型的可靠性。 1充填体单轴抗压强度影响因素 本研究通过总结现有的成果 ［11-15］， 认为胶结充填 体单轴抗压强度影响因素主要有灰砂比、 浓度、 养护 环境、 骨料粒径级配、 试样外形尺寸等。 1. 1组成成分 近年来， 大量学者对灰砂比、 浓度对胶结充填体 单轴抗压强度的影响进行了研究。韩斌等 ［13］将Excel 与Spss软件相结合， 运用多元线性回归方法， 得到了 胶结充填体单轴抗压强度与料浆体积分数、 水泥掺 量、 尾砂含量的回归方程； Wei等 ［16］通过多元线性回 归分析， 得到了胶结充填体单轴抗压强度与灰砂比、 浓度的回归方程。此外， 部分学者重点探讨了灰沙 比、 水灰比对充填体强度的影响， 并构建了强度预测 公式， 如表1所示 ［17-21］。由表1可知 胶结充填体组成 成分对强度影响较大， 现有研究主要采用线性函数 和指数函数形式对两者的关系进行表征。 1. 2结构尺寸 胶结充填体单轴抗压强度与试样结构尺寸紧密 相关， 岳哲等 ［14］分析了类岩石材料与试样高径比和 横截面面积之间的关系； 甘德清等 ［22］通过尺寸效应 试验得出胶结充填体单轴抗压强度与试样尺寸效应 成负相关； Yilmaz等 ［23］选取了4种不同胶结充填体浇 筑时的放置条件， 针对圆柱试样研究了尺寸效应对 含水量、 孔隙率以及单轴抗压强度的影响。综合分 析认为， 胶结充填体结构尺寸主要通过试样高径比、 横截面面积、 浇筑试样时的模具放置方式体现。 1. 3养护环境 现有研究主要是将胶结充填体的养护条件设置 为温度 （201） ℃、 湿度大于96， 在标准恒温箱中进 行研究。不少学者研究了养护时间对胶结充填体强 度的影响， 并构建了胶结充填体强度与养护时间之 间的函数模型 （表2） ［15， 24-26］。由表2可知 胶结充填体 强度与养护时间之间的关系主要以幂函数和指数函 数形式进行表征。 2双参数强度预测模型构建 根据本研究胶结充填体强度影响因素分析， 并 结合表1、 表2分析可知 表1充填体强度预测模型的 变量系数值明显大于表2充填体强度预测模型的变 量系数， 表明充填体单轴抗压强度随着水灰比 （或灰 程爱平等 胶结充填体波速-密度双参数强度预测模型研究2019年第7期 27 ChaoXing 砂比） 增大而增大的趋势明显于随养护时间增大而 增大的趋势。因此， 胶结充填体单轴抗压强度的主 要影响因素为组成成分。 由于胶结充填体试样在浇筑过程中骨料粒径级 配、 水灰比、 灰砂比以及胶结剂不同， 制作的试样之 间存在的差异为 ①在浇筑过程中， 胶结充填体内部 产生的孔隙及弱相大小不同， 使其初始损伤不同， 从 而使得胶结充填体试样强度存在差异； ②在养护过 程中， 胶结充填体内部水化反应的剧烈程度不同， 产 生的黏聚力不同， 致使胶结充填体试样强度出现差 异。 为进一步分析胶结充填体试样之间强度的差异 性， 选取初始超声波波速和密度表征其差异性。这 是由于超声波在胶结充填体内部会发生折射、 反射、 衰减等现象， 能够有效反应其初始损伤。密度能够 反映充填体在养护过程中水化反应的剧烈程度， 若 水化反应剧烈， 在反应过程中消耗的水量增多， 则充 填体密度大； 反之， 则充填体密度小。此外， 初始超 声波波速和密度两个参数值在试验中容易获取。 Komlos等 ［27］假定超声波以固定频率穿过材料， P 波与材料物理力学参数之间的关系可表示为 vP E1-μ ρ1-μ1-2μ ，（1） 式中，vP为纵波波速；ρ为密度；E为弹性模量；μ 为泊松比。 对式 （1） 进行化简， 可得 vP2ρ E1-μ 1-μ1-2μ .（2） 胶结充填体抗压强度， 即为试样在加载过程中 获得的应力应变曲线的应力峰值。在应力峰值 前， 胶结充填体内部损伤处于累积期， 内部没有形成 贯穿裂纹。本研究认为对于任一试样， 其单轴抗压 强度参数 （弹性模量、 泊松比） 在应力峰值前保持不 变， 令TvP2ρ，T值可有效表征胶结充填体强度特 性。为此， 本研究将T值作为胶结充填体波速-密度 双参数强度预测指标。假定胶结充填体单轴抗压强 度σc与预测指标T之间满足幂函数关系， 即 σcaTbc，（3） 式中，a、b为无量纲待定系数；c为胶结充填体初始 强度。 3试验 3. 1试样制作及养护 本研究试验骨料选用程潮铁矿选矿全尾砂， 尾 砂颗粒直径组成如表3所示， 胶结剂为32.5普通硅酸 盐水泥。试验中分别采用了宽度 （W） 100 mm、 高度 （H） 100 mm的标准正方体模具 （试样及模具见图1） 和直径 （D） 50 mm、 高度 （H） 100 mm的标准圆柱形模 具 （试样及模具见图2） 。制备了灰砂比分别为1 ∶ 4、 1 ∶ 6、 1 ∶ 8、 1 ∶ 10的全尾砂胶结充填体， 浓度约68， 24 h脱模后使用YH-40B型标准恒温养护箱养护28 d， 养护期间湿度控制在96以上。 3. 2胶结充填体基础物理参数获取 采用电子秤获取试样质量m， 采用游标卡尺获 取试样实际尺寸 （可计算出试样的体积V） ， 通过公 式 ρ m V（4） 计算试样的密度ρ。 运用超声回弹综合测强法测定胶结充填体试样 的初始超声波波速。为使得超声波探头与试样之间 金属矿山2019年第7期总第517期 28 ChaoXing 紧密贴合， 超声波探头与试样之间涂耦合剂 （凡士 林） 。 3. 3试验设备与加载 加载设备采用WAW-300微机电液伺服万能试 验系统 （图3） ， 正方体试样与圆柱型试样的加载速率 分别为0.05 kN/s和0.02 kN/s。该型试验机可以进行 破坏力学全过程试验， 并在加载过程中实时记录应 力、 荷载、 应变和位移， 并同步绘制应力应变、 时间 荷载、 位移荷载、 时间位移曲线， 为试验结果 分析提供便利条件。为消除在加载过程中试样与加 载台的端部效应， 接触位置涂抹耦合剂 （凡士林） 。 通过单轴压缩试验获得的充填体试样的物理参 数如表4所示。 4模型验证 采用本研究构建的胶结充填体强度预测模型拟 合表4数据， 结果如图4所示。 由图4可知 不同尺寸胶结充填体试样的单轴抗 压强度与预测模型的拟合曲线相关系数 （R2） 均在 0.98以上， 表明该模型具有一定的可靠性。 为进一步验证本研究构建的模型性能， 分别采 用指数型函数模型和幂函数模型对表4数据进行了 拟合， 结果如图5和图6所示。 将图4分别与图5、 图6进行对比可知 本研究波 速-密度双参数预测模型拟合得到的相关系数均高 于典型强度预测模型 （指数型函数模型和幂函数模 型） 拟合得到的相关系数， 可见， 采用该模型拟合表4 数据， 能够更好地反映数据的规律性。 5结论 （1） 影响胶结充填体单轴抗压强度的因素有组 成成分、 结构尺寸以及养护环境， 每种因素的影响机 制不同， 通过分析得出主要影响因素为组成成分。 （2） 采用胶结充填体基本物理参数建立了波速- 密度双参数预测指标， 并通过强度预测指标构建了 胶结充填体强度预测模型。通过将试验数据分别采 用本研究强度预测模型、 典型强度预测模型 （指数型 函数模型、 幂函数模型） 进行曲线拟合。本研究模型 的相关系数均达到0.98以上， 优于其余两种模型， 采 用该模型对胶结充填体的单轴抗压强度进行预测， 具有可行性。 程爱平等 胶结充填体波速-密度双参数强度预测模型研究2019年第7期 29 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 参 考 文 献 张吉雄， 张强， 巨峰， 等.深部煤炭资源采选充绿色化开采理 论与技术 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （2） 377-389. 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