采場充填分層次數對充填體強度的折減效應*

沈慧明吳愛祥焦華喆,3王貽明

（1.北京科技大學土木與資源工程學院；2.中鎢高新材料股份有限公司；3.河南理工大學土木工程學院）

充填采礦法在礦山中應用廣泛，其不但對控制采空區塌陷成效顯著，而且使選礦廢棄尾砂可以得到有效處置［1-2］。充填體的力學特性是該領域中的研究重點，一直倍受國內外學者關注。傳統充填體力學研究往往通過室內實驗進行強度預測，未考慮分層作用對充填體力學性能的影響［3-5］。在厚大礦體采場或大型采空區回填時，由于充填能力的限制和充填過程的不連續，大型采空區往往經多次充填過程，充填體是多次或多層累積形成，內部存在若干結構面。Cao等［6］通過對充填體分層數及充填角度等因素進行研究，探索充填體力學特性與其關系。Xu等［7］研究不同配比下分層充填體力學性能，對充填體結構面強度效率進行評價。張愛卿等［8-9］基于不同充填體試驗參數，構建結構面與荷載耦合作用下的損傷本構模型。葛海源等［10］針對超細全尾砂充填體的強度試驗，揭示了充填體的力學特性及其強度變化規律。陳國瑞等［11］對比不同配比的尾砂膠結充填體單軸抗壓強度，驗證了分層充填體破壞時端部效應機理的正確性；薛改利等［12］針對階段嗣后充填過程，研究采場穩定性和充填體之間的關系。汪杰等［13］開展水平分層充填體力學性能試驗，研究了其分層效應和荷載耦合對充填體損傷的劣化效應；宋衛東等［14］針對不同充填次數的分層充填體，得出充填體能量損耗與充填次數間的關系。

隨著數值模擬軟件快速發展，越來越多專家學者采用數值模擬軟件對材料的性能進行模擬計算，分析總結物理實驗所無法獲取的結果。于永純等［15］采用FLAC3D軟件得出充填體在其極限穩定狀態下，確定采場充填體強度和結構設計；吳振坤等［16］應用ANSYS軟件模擬充填體的爆破響應特征，為充填采礦起爆設計提供依據。目前，運用顆粒離散元法對巖石、水泥類材料的研究已廣泛發展。通過離散元法，將顆粒材料模擬為球形顆粒，研究顆粒間運動和相互作用，從而揭示材料特性［17-19］。馬乾天等［20］基于PFC顆粒離散元對廢石膠結充填體模型進行單軸壓縮模擬，研究其破壞規律；唐亞男等［21］借助PFC分析膠結充填體的內部裂紋演化規律；程愛平等［22］運用顆粒流數值模型從宏細觀角度對充填體裂紋擴展模式進行驗證。秦緒忠等［23］利用PFC2D軟件對不同灰砂比的多層充填體進行3點抗彎試驗，分析分層充填體的抗彎特性。辛杰［24］根據充填材料掃描電鏡圖像建立充填材料的細觀結構PFC2D模型，獲取孔隙率、接觸力鏈等微觀信息。

二步驟采礦或者殘礦回采時充填體暴露，且爆破振動對充填體擾動會進一步造成其劣化。香爐山鎢礦礦體厚度較大，使用水平分層充填法進行礦體的回采和礦柱的回收。在二步驟回采、礦柱回收過程中，分層現象顯著。部分薄弱區域產生充填體片幫或坍塌現象，對正常的回采產生較大的安全隱患。因此，研究分層充填體的強度特性具有較高的理論價值和工程意義。

本研究在確定較優充填體配比基礎上，對不同分層數充填體進行單軸抗壓強度試驗，得到不同分層數量充填體的單軸抗壓強度及其破壞特征，分析分層數對充填體強度失效模式的影響。并采用數值模擬軟件PFC2D對充填試件進行模擬計算，研究其內部細觀裂紋演化規律。通過物理實驗與數值模擬結合的方法，探究分層充填體的破壞特征，將研究結果應用于礦山充填，對于充填體目標強度設計與優化和礦山建設有重要意義。

1 室內實驗

1.1 實驗原料

（1）中鎢高新香爐山鎢礦的礦物成分主要為石英、斜長石、輝石和云母，其化學成分如表1所示，其中SiO2的含量最高，達69.52%，SO3的含量僅有0.03%。尾礦粒度分析結果見表2，鎢尾礦的粒級為-0.15～+0.074 mm的產率高達23.45%。

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（2）膠固粉取自湖南某膠固粉廠，其化學成分見表1，從表中可看出含量最高化學成分為CaO，其含量為66.3%，其次為SiO2，其含量為22.50%。而SO3的含量最少，僅含0.31%。

1.2 分層充填體實驗

實驗模具采用定做內徑為50 mm、高度為100 mm的透明亞克力管，因其為透明模具，可保持較好的可視性，從而容易觀察到試件的分層充填。試塊制作完成后，需進行28 d養護，養護環境為恒溫恒濕環境，溫度控制在20℃左右，濕度控制保持于95%左右，灰砂比設定為1∶12。質量濃度采用65%、70%、75%這3種濃度，分層次數選定1～4層，試件每層高度依次為100，50，33.3，25 mm，分層澆筑時間間隔48 h（圖1）。

1.3 實驗步驟

（1）實驗材料混合攪拌。首先將尾砂、膠固粉以及水按照實驗設計比例混合，然后把混合的料漿攪拌均勻備用充填。

（2）模具分層充填。按照不同分層數的充填體的分層高度向模具內充填料漿，不同層間時間間隔48 h后，繼續按照預定高度向模具充填料漿，直至充填頂層料漿至模具頂口高度。

（3）充填體脫模及其養護。充填完成后，將試件置于養護箱內，恒溫恒濕環境下養護3 d，之后取出脫模，并將脫模后的充填體試塊再次置于養護箱內直至28 d養護期；對于分層試件，其養護周期以頂部充填體養護周期為準。

（4）強度檢測。采用電液伺服控制壓力機對試件養護完成后的充填體試塊進行單軸壓縮試驗。壓力機加載方式采用位移加載形式，加載速率調至0.5 mm/min，每組試件測試3個強度，并計算每組試件的平均強度。

1.4 實驗結果與討論

單軸抗壓強度實驗結果見圖2，其強度為每組相同試件的平均強度。分析圖中數據得出，完整試塊的單軸抗壓強度普遍較高，最高為2.786 MPa，而分層試塊強度普遍較完整試塊強度小，由此得其強度規律：伴隨填充次數的逐步增多，充填體試塊單軸抗壓強度整體呈減小趨勢。針對相同分層數的充填體試塊，隨濃度增大，單軸抗壓強度逐步增大。

在我國，無論是分層開采還是分段、嗣后開采，充填體強度的理論計算通常是基于完整充填體的強度值。在超大采空充填體時，無法一次充填，因此，研究充填體的分層強度破壞規律至關重要。圖2中的數據發現，填充次數對填充體的強度有明顯的削弱作用。也就是說，伴隨分層充填體的層數增多，其單軸抗壓強度則變小。鑒于目前研究成果的不足，考慮了充填體強度折減系數（k）概念，對其折減規律進行研究，將分層填充試件強度與整體填充試件強度進行比值：

運用式（1）對試驗充填體抗壓強度進行折減計算，結果見表3。

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由表3可知，當填充料漿濃度恒定時，抗壓強度折減系數隨填充次數的增加而減少。隨著充填次數的增加，充填體強度折減所產生的的弱化作用愈加明顯。相同充填次數情況下，料漿濃度從65%增至75%時，折減系數呈增大趨勢。當充填體質量濃度在65%～75%時，其對應的折減系數k值在0.613～0.929。

單軸壓縮實驗中試件破壞形式如圖3所示，通過對不同分層充填體試件破壞形式分析發現，1層填充的完整試件以平行于加載方向的貫穿張拉破壞和半貫穿的剪切破壞形式為主；2層填充充填體試件破壞則主要表現為靠近加載端的上分層充填體的共軛剪切破壞形式，部分出現了貫穿分層面的裂紋。對于3、4層填充形成的充填體，試件的破壞形式主要表現為貫穿分層面的拉伸破壞。伴隨料漿質量濃度的增加，相同層數的充填體的破壞程度減弱，但其相較于層數對于充填體破壞所產生的影響較小。

綜合分析得到，充填體試件破壞形式主要為共軛剪切破壞以及貫穿分層面的張拉破壞，完整充填體破壞裂紋呈現整體貫穿，而分層充填體裂紋多集中于上部分層。不同填充次數的試件在加載試驗完成后，破壞充填體試件分別在其分層面出現程度不一的分離、錯動現象。此現象是因充填過程中，時間間隔造成其分層面之間形成低強度夾層，在加載試驗時，該面呈現易破壞狀態，從而使充填體的整體抗壓強度降低。由此，在進行充填強度設計時，需充分考慮充填分層對強度造成的弱化作用。

2 分層膠結充填體破裂的細觀機理

利用PFC顆粒離散元軟件建立尾砂和膠固粉2種顆粒模型。PFC軟件其本質是從細觀角度對介質的力學特性進行研究，在軟件中，顆粒為剛性顆粒，在力學關系的基礎上其相互之間可以重疊，從而達到對顆粒間接觸力的模擬。但在軟件中，需要對顆粒材料的細觀參數進行標定，包括顆粒級配、摩擦力等微力學參數。尾砂顆粒模型之間無黏結作用，膠固粉顆粒模型間構建平行黏結模型，從而模擬因水化反應而產生的膠凝體。對照室內試驗，對在不同分層數下的不同濃度試件依次進行建模，并進行加載模擬，分析其破壞形式。

2.1 模型顆粒分布

尾砂顆粒大小經簡化處理應用于數值模型中，顆粒級配與真實保持一致。膠固粉顆粒半徑為3.0×10-4mm，略小于尾砂顆粒半徑中最小顆粒。通過PFC2D軟件，將尾砂與膠固粉顆粒隨機均勻分布于所建模型中。

2.2 參數標定

通過建立單軸壓縮命令，實現對所建立模型的單軸壓縮實驗，從而達到與物理單軸壓縮實驗的同等效果。數值計算模型大小與室內試驗試塊大小一致，其高度為100 mm，寬度為50 mm，上下界面運動速率設定為0.02 m/s。

2.3 模型構建

采用PFC進行模擬時，需要對充填體的尾砂顆粒、膠固粉顆粒以及分層接觸面間的細觀力學參數進行標定，接觸模型參數如表4中所示。

2.4 分層膠結充填體破裂機理分析

通過利用PFC數值仿真軟件加載，研究分析充填體內部破壞特征，分層充填體單軸壓縮破壞形式數值模擬結果如圖4所示。

模型加載初期階段，模型顆粒間的接觸力大小相比其黏結鍵強度較小；隨著加載的逐步進行，顆粒間的接觸力逐步緩慢增大，黏結鍵受力破壞，充填體開始逐漸產生裂紋，其數量開始呈現波動上升；繼續對充填體施加荷載，接觸力大于黏結強度的顆粒逐漸增加，內部裂紋開始緩慢形成；持續施加荷載，裂紋數目出現拐點且迅速上升；最終裂紋數目保持增長狀態并穩定于較高水平。

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綜合分析可知，分層充填體試件主要表現為剪切破壞和張拉破壞。在灰砂比固定的情況下，隨分層數的增加，試件內部裂紋密度越大，且內部裂紋集中于分層軟弱層，分層面存在明顯的弱化效應。充填體內部裂紋多集中于分層充填體上層，下層充填體基本上保持完好。加載完成后，充填體模型呈現明顯的脫落現象，且脫落現象跟隨分層結構因素的出現，大都出現在上層中，底層充填體基本保持完好狀態，而上層及中間層充填體均呈現不同程度的脫落分離，且隨充填體質量濃度的增加，脫落程度呈加劇趨勢。

通過采用PFC數值模擬，對充填體內部裂紋的發展規律及其數目增長形式進行研究，得出內部裂紋多集中于分層面，且裂紋增長趨勢先呈現波動增長，進而緩慢增加，繼而轉變為快速增長，最后保持于較高狀態，且分層現象會造成充填體脫落分離，裂紋集中體現于上部充填層，下部充填層大都保持完整性。將數值模擬結果與室內試驗對比，結果基本相同，驗證了顆粒離散元PFC2D數值模擬對充填體建模模擬的正確性。

3 現場充填建議

針對充填體的分層結構因素所開展的研究，對于香爐山鎢礦采空區充填具有重要意義。依據室內實驗和數值仿真模擬結果，發現充填體的強度與充填次數所產生的多層分層面有密切關系，充填次數的多少直接影響分層對充填體所產生的折減效應強弱。因此，減少采空區的充填次數，對礦山充填至關重要，需要實現充填站的連續造漿，以此消除多次充填所產生的折減影響。但考慮連續造漿技術對礦山的充填擋墻建設要求和采空區大小等問題，該解決手段實施過程難度巨大。結合目前香爐山鎢礦的生產實際，建議縮短充填周期以及增加單次充填量來降低分層所產生的影響。通過實際充填改造，采空區充填體整體強度較之前有明顯增加，為安全回采創造了有利條件。

4 結論

（1）通過對灰砂比為1∶12的充填體試件壓縮試驗，發現充填次數的增多會導致充填體強度的劣化。對強度折減后，折減系數隨著分層數的增加而上升，當充填體濃度為65%～75%時，充填體分2～4次進行充填，強度折減系數范圍為0.613～0.929，分層數對強度產生明顯折減效果。

（2）分析充填體破壞后的裂紋特征，發現充填體試件的破壞模式主要以共軛剪切破壞以及貫穿分層面張拉破壞為主，而整體充填體裂紋貫穿明顯，分層充填體裂紋多集中于上部充填層，且在分層面處出現不同程度的分離、錯動現象，降低了充填體的整體承壓能力。分層面存在明顯的弱化效應。

（3）運用顆粒離散元軟件從細觀角度對充填體的裂紋擴展形式進行探究，分層充填體模型的破壞裂紋多發生于上部充填層，下部充填層大都保持完整性，與室內實驗對比，驗證了數值模擬結果正確性，為礦山采空區充填體強度提供參考依據，提高礦山建設的安全性。