摘要
对于深井矿山而言,高地温是一个不容忽视的影响井下开采环境的因素。研究高温环境下养护的充填体其力学性质和破坏特征会发生何种变化,对探明充填体失稳破坏的机理,提高深部采场生产安全性具有重要意义。本文以金川二矿自制棒磨砂、325号水泥为原料,制作充填体和充填体-围岩组合试样,并分别在20℃、40℃、60℃、80℃温度条件下养护28d,测定其基本物理参数,进行单轴压缩和声发射监测试验、不同法向应力的直剪试验、剪切断面电镜扫描试验和剪切断面形貌扫描试验,获取不同养护温度充填体和充填体-围岩组合试样的力学性质、变形特性和声发射数据,以及剪切断面的分形维数、形貌特征,探究不同养护温度对充填体及充填体-围岩胶结面破坏特征的影响。研究成果如下:(1)充填体试样的密度、含水率和纵波波速均与养护温度关系密切,其中密度随养护温度的提高先增大后减小,40℃时充填体密度达到最大,60℃与80℃时密度近似且低于20℃;饱和含水率随养护温度的提高先减小后增大,40℃时降至最低;纵波波速随养护温度的提高先增大后减小,40℃时波速最高,80℃波速最低。(2)充填体的抗压强度、弹性模量随养护温度的升高先增大后减小,在40℃时抗压强度和弹性模量达到最大值,60℃、80℃时二者又明显降低,峰值应变则与抗压强度、弹性模量的变化规律相反;充填体在单轴压缩过程中的声发射活动具有明显的阶段性特征,可分为压密及微裂隙萌生阶段、损伤发展阶段和破裂阶段三个阶段;相较于常温,40℃时声发射累积振铃计数和累计能量增大,60℃和80℃时又大幅减小,声发射活跃程度明显降低。(3)随着养护温度提升,充填体和充填体-围岩组合试样的抗剪强度和黏聚力先增大再减小,二者在40℃时达到最大值,80℃时降至最小值;温度一定时,试样抗剪强度和法向应力呈正相关;内摩擦角的大小与养护温度的变化无明显关联;试样剪应力-应变曲线具有明显的阶段性特征,可分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段和破坏阶段。(4)不同养护温度和法向应力下破坏的充填体-围岩剪切断面具有良好的自相似性,且断面分形维数大小与法向应力呈负相关;养护温度提升,断面分形维数先降低再升高,40℃时分形维数最低,60℃和80℃时分形维数近似,且高于20℃和40℃。养护温度和法向应力对断面形貌有较大影响,法向应力为0时,断面损伤类型主要为剥落破坏;施加法向应力后,损伤类型向摩擦损伤转变,且法向应力越大,摩擦损伤区域越广,点高度分布越集中,粗糙度降低;养护温度40℃,断面剥落损伤程度明显降低,点高度分布集中度最高,继续提高温度则损伤程度增大,高度分布集中度降低,粗糙度提高。断面三维形貌特征参数中,S_p、S_v、S_z、S_a和S_q均随着法向应力的提高而降低,养护温度变化时其大小关系总体为40℃<20℃<60℃<80℃,而S_(sk)并未表现出与养护温度和法向应力的明显关联,S_(ku)则随着法向应力的提高而增大,温度变化时其大小关系为20℃<60℃≈80℃<40℃。