地下金屬礦山結(jié)構(gòu)型充填體力學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

譚玉葉，熊朝輝，宋衛(wèi)東

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室, 北京 100083)

0 引言

采礦業(yè)為人類提供了賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，對國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。 “綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念對傳統(tǒng)礦業(yè)提出了更高的要求。充填開采具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點，是綠色開采的發(fā)展方向和必然選擇。膠結(jié)充填工藝因材料來源豐富、制備過程便捷、輸送系統(tǒng)簡單、養(yǎng)護(hù)強度高等優(yōu)勢，已成為地下采空區(qū)處理及地壓管理的首選方法。而充填法中的分段或階段空場嗣后充填法因其安全、高效及自動化程度高等優(yōu)點，逐漸成為地下金屬礦山的首選采礦方法[1]。

膠結(jié)充填體能夠作為人工礦柱起到支撐圍巖、控制地壓的作用，其強度大小是影響二步礦柱安全回采的關(guān)鍵因素。然而，高強度的膠結(jié)充填體成本高昂，為確定合理的充填體強度以降低充填成本，國內(nèi)外學(xué)者圍繞單一完整充填體力學(xué)特性開展了大量研究工作。通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及理論分析得到了不同灰砂比、尾砂級配及類型、膠凝材料等影響因素下的強度計算公式及損傷本構(gòu)模型，用以指導(dǎo)膠結(jié)充填體強度設(shè)計[2-5]。

階段空場嗣后充填法中，一步驟礦房充填結(jié)束后，礦柱與膠結(jié)充填體形成相互交錯包裹的結(jié)構(gòu)[6]；不僅如此，階段空場嗣后充填法中單個采空區(qū)體積高達(dá)數(shù)萬立方米，無法一次連續(xù)充填完畢，受多次充填及間隔時間等因素影響，最終形成的膠結(jié)充填體出現(xiàn)了分層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特征的出現(xiàn)必然會引起膠結(jié)充填體整體強度的變化，其失穩(wěn)破壞機(jī)理與單一或完整膠結(jié)充填體存在較大差異。

近年來，結(jié)構(gòu)型充填體成為新的研究熱點及方向，國內(nèi)外學(xué)者針對結(jié)構(gòu)型充填體強度特征、宏細(xì)觀破壞及其影響因素進(jìn)行了大量研究，取得了許多重要的研究成果與結(jié)論，為科學(xué)合理地設(shè)計和確定階段空場嗣后膠結(jié)充填法中高階段充填體強度及結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。本文對結(jié)構(gòu)型充填體靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 結(jié)構(gòu)型充填體分類及作用方式

1.1 結(jié)構(gòu)型充填體分類

根據(jù)階段空場嗣后充填法的采場布置及充填工藝特點，可將結(jié)構(gòu)型充填體分為以下幾種類型：

a.圍巖包裹充填體(Rock around Backfill)，簡稱“RB組合結(jié)構(gòu)”，如圖1(a)所示；

b.充填體包裹圍巖(Backfill around Rock)，簡稱“BR組合結(jié)構(gòu)”，如圖1(b)所示；

c.分層膠結(jié)充填體(Layered Cemented Backfill)，簡稱“LCB結(jié)構(gòu)”，如圖1(c)所示。

(a) 圍巖包裹充填體

1.2 結(jié)構(gòu)型充填體作用方式

通過對單一完整充填體的研究，目前普遍認(rèn)為，充填體對圍巖的支撐作用包括表面支護(hù)、局部支護(hù)和總體支護(hù)[7-9](見圖2)：

a.表面支護(hù)是指充填體對采場邊界關(guān)鍵塊體起到表面支護(hù)作用，防止巖體在低應(yīng)力條件下發(fā)生空間上的漸進(jìn)破壞；

b.局部支護(hù)是指采場幫壁巖體發(fā)生準(zhǔn)連續(xù)性剛體位移，使充填體發(fā)揮被動抗壓作用；

c.總體支護(hù)是指充填體起到總體支護(hù)構(gòu)件作用，使整個礦山近場區(qū)域中的應(yīng)力降低。

(a)表面支護(hù) (b)局部支護(hù) (c)總體支護(hù)

對不同結(jié)構(gòu)型充填體的作用方式總結(jié)如下：

1) RB組合結(jié)構(gòu)

有學(xué)者[10]通過室內(nèi)三軸試驗，得到了RB組合結(jié)構(gòu)作用方式為：①充填體的存在減緩了圍巖的破壞及變形速度，可阻止巖石塊體的剛性滑移、抵抗圍巖的閉合；②充填體的存在提高了組合試件的殘余強度，防止巖體在低應(yīng)力條件下發(fā)生空間上的漸進(jìn)破壞。

2) BR組合結(jié)構(gòu)

有研究[11]表明，BR組合結(jié)構(gòu)作用方式為：①充填體的存在提高了圍巖的承載能力，可阻止巖石塊體的大變形；②充填體的存在使能量在接觸面發(fā)生循環(huán)反射，巖塊多次破壞，這在開采作業(yè)中可降低相鄰礦柱的大塊率。

3) LCB結(jié)構(gòu)

室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，LCB結(jié)構(gòu)與普通完整充填體的作用方式基本一致，但由于結(jié)構(gòu)面的存在，LCB結(jié)構(gòu)對圍巖的支撐作用隨著分層次數(shù)的增加而降低[12]。

對比分析結(jié)構(gòu)型充填體與完整充填體可知：組合結(jié)構(gòu)抗壓強度更高，對于圍巖的支撐效果更好；而分層結(jié)構(gòu)由于分層面的存在，強度降低，但是更符合現(xiàn)場充填作業(yè)的實際情況。

2 結(jié)構(gòu)型充填體靜態(tài)力學(xué)特性研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)型充填體考慮充填體與圍巖共同作用及實際充填中的充填體分層現(xiàn)象，與完整充填體相比其強度及變形特性受結(jié)構(gòu)特征的影響而發(fā)生改變。充填體起到應(yīng)力吸收及應(yīng)力轉(zhuǎn)移、被動支護(hù)及控制圍巖變形的作用，這就要求結(jié)構(gòu)型充填體需具有與之匹配的強度。開采完畢的采場中，充填體長期處于靜態(tài)應(yīng)力場中，參考單一完整充填體力學(xué)特性的研究思路及方法，國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)型充填體的靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。以下從結(jié)構(gòu)型充填體的應(yīng)力-應(yīng)變特征、損傷本構(gòu)關(guān)系及破壞特征等方面對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征研究

應(yīng)力-應(yīng)變曲線表征了膠結(jié)充填體受外應(yīng)力作用后開始變形，然后逐漸破壞，最終失去承載能力的整個過程。在單一完整充填體的研究中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般通過單軸或三軸試驗得到，在此基礎(chǔ)上開展強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的研究。結(jié)構(gòu)型充填體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線同樣可通過單軸或三軸試驗得到。

2.1.1 RB組合結(jié)構(gòu)

王明旭[13]通過單軸壓縮試驗，得到了RB組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖3)，該曲線可劃分為壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段及峰后強度殘余階段等4個階段。

圖3 RB組合結(jié)構(gòu)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

汪杰等[14]借助PFC模擬了不同圓柱直徑下的單軸壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)：隨著直徑的增大RB模型峰值應(yīng)力以線性方式降低、峰值應(yīng)變以多項式函數(shù)方式降低、彈性模量以線性方式降低；與相同條件下的完整充填體及巖石對比可知，組合結(jié)構(gòu)強度介于兩者之間；與完整充填體相比，組合試件的殘余強度得到了強化，這是因為充填體對結(jié)構(gòu)起到了支撐保護(hù)作用。

宋衛(wèi)東等[10-11]通過三軸壓縮試驗得到了RB組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖4) ，其主要包括以下7個階段：①巖柱試件承載階段AB；②組合試件線彈性破壞階段BC；③彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形且?guī)r石試件發(fā)生破壞階段CD；④巖石試件完全破壞而充填體處于應(yīng)力極限階段DE；⑤破壞后巖石與充填體共同承載且充填體發(fā)生塑性變形階段EF；⑥充填體及巖石試件均發(fā)生破壞階段FG；⑦G點以后進(jìn)入殘余應(yīng)力階段。

圖4 RB組合結(jié)構(gòu)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

YU等[15]對RB組合結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗，得到了軸向和徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖5) 。研究結(jié)果表明，在體積分?jǐn)?shù)相同時，隨著圍壓的增大，試件強度增大，但與完整巖石試件相比，其強度偏小。

圖5 不同圍壓下RB組合結(jié)構(gòu)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

考慮結(jié)構(gòu)接觸面的影響，修占國等[16]通過三軸剪切試驗對不同養(yǎng)護(hù)時間及不同圍壓下充填體和RB組合結(jié)構(gòu)界面的剪切力學(xué)參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角) 進(jìn)行了對比和量化分析，結(jié)果表明：隨著圍壓的增加，界面處的抗剪強度增大；充填體的剪切力學(xué)參數(shù)明顯大于相應(yīng)圍巖-充填體界面的參數(shù)，且RB組合結(jié)構(gòu)試件的整體強度受試件交界面處的剪切力學(xué)參數(shù)的影響。于世波等[17]采用現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬手段，進(jìn)行了圍巖及充填體的耦合作用研究，發(fā)現(xiàn)采礦階段圍巖移動變形以初期的彈性變形及后續(xù)的非線性變形為主；膠結(jié)充填體應(yīng)力吸收效果顯著，能夠較好地控制圍巖變形。

2.1.2 BR組合結(jié)構(gòu)

在不同加載條件下，BR組合結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)力-應(yīng)變特征受灰砂比、巖柱類別、圓柱直徑等的影響，在不同影響因素下表現(xiàn)出不同的特點。譚玉葉等[11]對BR圓形組合試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗，結(jié)果表明：組合試件經(jīng)歷了初始壓密階段、線彈性階段、塑性破壞階段及試件完全破壞階段；對比完整充填體試件及巖石強度，組合試件強度處于兩者之間。在此研究基礎(chǔ)上，汪杰等[14]通過PFC模擬了不同圓柱直徑下的方形BR組合結(jié)構(gòu)的單軸抗壓強度試驗，得到與完整充填體類似的BR組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖6) ，研究發(fā)現(xiàn)：峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量均介于單一充填體和巖石之間；隨著充填體直徑的增大，BR模型峰值應(yīng)力以線性方式降低、峰值應(yīng)變以多項式函數(shù)方式降低、彈性模量以線性方式降低。

圖6 BR組合結(jié)構(gòu)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為探究側(cè)限條件下BR組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變特征，金愛兵等[18-20]對不同灰砂比的BR組合結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了側(cè)限壓縮試驗，得到了應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖7) 。由圖7可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上可以分為4個階段：巖柱試件承載階段OA、巖柱試件的破壞階段AC、充填體-圍巖共同承載直至破壞階段CD、充填體和圍巖散體承壓階段DE。組合結(jié)構(gòu)試件強度介于單一充填體及巖石試件強度之間，充填體提高了巖石試件的殘余強度，采場中充填體能夠?qū)r柱起到較好的支撐保護(hù)作用；隨著充填體強度的增大，巖柱的峰值強度、殘余強度以及破壞時的軸向應(yīng)變逐漸增大。

圖7 BR組合結(jié)構(gòu)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.3 LCB結(jié)構(gòu)

基于單一完整充填體的研究思路及方法，在不同加載路徑下，LCB結(jié)構(gòu)的強度及變形特性受灰砂比、充填次數(shù)、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分層高度、分層面傾角等的影響，在不同條件下表現(xiàn)出獨有的應(yīng)力-應(yīng)變特點。

為探究不同條件下LCB結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變特征，曹帥等[21]通過對不同濃度下LCB結(jié)構(gòu)的單軸壓縮試驗，得到了應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖8) ，發(fā)現(xiàn)LCB結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與巖石類似的4個階段：壓密階段、線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、破壞發(fā)展階段；同一料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(70%)下充填體強度隨著充填次數(shù)的增加而弱化。

圖8 LCB結(jié)構(gòu)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 不同養(yǎng)護(hù)齡期下LCB結(jié)構(gòu)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為進(jìn)一步探究LCB結(jié)構(gòu)的強度與充填次數(shù)之間的關(guān)系，陳國瑞等[22-23]通過單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)：充填體抗壓強度與充填次數(shù)之間滿足多項式函數(shù)關(guān)系，強度隨充填次數(shù)的增加而減??；割線模量與充填次數(shù)呈冪函數(shù)分布并隨充填次數(shù)的增加而逐漸減小?？紤]間隔時間及料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填體強度的影響，曹帥等[24]研究發(fā)現(xiàn)：膠結(jié)充填體峰值抗壓強度隨充填間隔時間的增加呈遞減趨勢；充填間隔時間一定時，膠結(jié)充填體抗壓強度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，且峰值抗壓強度與充填間隔時間呈多項式函數(shù)規(guī)律。

唐亞男等[25-27]通過對改變LCB結(jié)構(gòu)的分層高度及灰砂比的試件進(jìn)行了單軸抗壓強度試驗，結(jié)果表明：分層充填體單軸抗壓強度與高度比呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系、與灰砂比呈多項式函數(shù)關(guān)系；彈性模量與高度比及灰砂比均呈多項式函數(shù)關(guān)系；單軸抗壓強度及彈性模量均隨高度比的增大而減小、隨灰砂比的增大而增大。

為研究不同養(yǎng)護(hù)齡期下LCB結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變特征，王永巖等[28]通過單軸壓縮試驗得到了不同養(yǎng)護(hù)齡期下LCB結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖9) ，其與完整充填體的曲線基本一致；LCB結(jié)構(gòu)的抗壓強度和彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增加；膠結(jié)充填體峰值抗壓強度隨充填間隔時間的增加呈遞減趨勢。

趙康等[29]將兩個不同灰砂比充填體試件直接疊加在一起模擬LCB結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了單軸抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)組合體的整體峰值強度取決于灰砂比較小試件的峰值強度，組合充填體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與峰值強度較小試件的曲線在數(shù)值和變化趨勢上相似。FANG等[30]提出了一種描述充填體-圍巖界面在不同熱力條件下剪切行為的溫度-化學(xué)-力學(xué)ZCM模型，采用數(shù)值模擬方法驗證其可用于預(yù)測界面在不同齡期的斷裂韌性的演化；通過對不同黏結(jié)力界面的模擬研究，發(fā)現(xiàn)黏結(jié)力越強的試件其抗剪能力越強。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要通過室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗獲得結(jié)構(gòu)型充填體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與單一完整充填體相比，組合結(jié)構(gòu)的強度、彈性模量及抗破壞能力更具優(yōu)勢。但是目前對結(jié)構(gòu)型充填體三軸剪切力學(xué)特征的研究較少，后續(xù)需加強此方面的研究。

2.2 本構(gòu)關(guān)系分析

損傷演化特征的研究是充填體力學(xué)最基礎(chǔ)也最重要的研究內(nèi)容之一。目前，針對單一完整充填體損傷本構(gòu)模型方面的研究較多，而針對結(jié)構(gòu)型充填體本構(gòu)模型研究的成果較少，總結(jié)如下。

2.2.1 充填體-巖石組合結(jié)構(gòu)損傷本構(gòu)模型

有學(xué)者對不同組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷本構(gòu)模型的構(gòu)建[31]。基于完整充填體的損傷演化模型，以能量耗散原理為基礎(chǔ)，根據(jù)組合試件的特性，單獨分析充填體與巖石的耗能，得到充填體及巖石破壞時的耗散能分別為G1、G2，代入完整充填體的損傷本構(gòu)方程得到組合結(jié)構(gòu)的損傷本構(gòu)方程[見式(1)]，通過實驗驗證該本構(gòu)方程可以有效描述圍巖-充填體組合結(jié)構(gòu)的損傷演化過程。

(1)

式中：σ為模型應(yīng)力；E0為模型彈性模量；ε為模型應(yīng)變；G為充填體試件總損傷耗散能率；σp1、εp1、E01分別為完整充填體單軸壓縮峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量，σp2、εp2、E02分別為完整巖石單軸壓縮峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量。

2.2.2 分層膠結(jié)充填體損傷本構(gòu)模型

基于單一巖石試件的損傷本構(gòu)模型，F(xiàn)U等[32]考慮了分層面對充填體的影響，提出了一種本構(gòu)模型[見式(2)]，并通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，證明該本構(gòu)模型可用于分層充填體的損傷演化分析。

(2)

式中：σ1為主應(yīng)力；σ3為水平應(yīng)力；En為分層數(shù)為n的充填體彈性模量；ε1、ε3為充填體材料的應(yīng)變量；m、ε0為分布參數(shù)；μn為分層數(shù)為n的充填體泊松比；σf和εf分別為不同層狀充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線極值點處的應(yīng)力和應(yīng)變。

2.3 結(jié)構(gòu)型充填體破壞特征研究

通過研究結(jié)構(gòu)型充填體在不同條件下的損傷破壞特性，能為礦山比較準(zhǔn)確地確定合理的充填體強度及結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)型充填體的破壞特征研究主要基于單一完整充填體的研究手段和方法進(jìn)行，敘述如下。

2.3.1 BR組合結(jié)構(gòu)

汪杰等[14]通過單軸壓縮數(shù)值模擬試驗，發(fā)現(xiàn)BR組合結(jié)構(gòu)試件破壞過程為充填體內(nèi)部先出現(xiàn)微裂紋，然后微裂紋數(shù)量迅速增加，之后逐漸擴(kuò)展至巖石內(nèi)部，最后逐漸貫通形成宏觀裂紋，組合模型失穩(wěn)破壞。王明旭[13]通過三軸剪切試驗發(fā)現(xiàn)，BR組合結(jié)構(gòu)試件的破壞裂紋主要沿著巖石與充填體的接觸面擴(kuò)展，逐漸貫通形成大裂紋，組合模型失穩(wěn)破壞。ZHAO[33]對采場BR組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同充填體傾角下組合結(jié)構(gòu)的破壞特征，發(fā)現(xiàn)充填體傾角在60°～80°時試件破壞是由圍巖的拉剪引起的，而在90°時是由圍巖拉伸引起的。WANG等[34]通過對不同界面角的BR組合結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗，得到界面角為0°、15°、30°的試件強度與破壞特征是由充填體決定的，破壞形式為剪切破壞及拉剪破壞。YU等[15]基于組合結(jié)構(gòu)的三軸壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)巖石試件的剪切及拉伸斷裂與圍巖-充填體界面的滑移破壞同時發(fā)生，表明界面的抗剪強度影響了整個試件的強度。WU等[35]通過三軸抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)界面角決定了組合試件的破壞模式，在低圍壓下，試件發(fā)生滑移破壞，在高圍壓下發(fā)生剪切破壞。

綜上所述，與單一充填體相比，BR組合結(jié)構(gòu)破壞先發(fā)生在內(nèi)部充填體，然后擴(kuò)展至巖石，巖石破壞后整個組合試件發(fā)生破壞；組合結(jié)構(gòu)的破壞主要是剪切破壞及拉剪復(fù)合破壞，破壞模式受到界面傾角的影響，組合結(jié)構(gòu)的強度受到界面抗剪強度的影響。

2.3.2 RB組合結(jié)構(gòu)

汪杰等[14]采用PFC模擬了不同圓柱直徑下RB組合結(jié)構(gòu)單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)充填體內(nèi)部先出現(xiàn)微裂紋，然后微裂紋數(shù)量迅速增加，之后逐漸擴(kuò)展至外部巖石內(nèi)部，最后逐漸貫通形成宏觀裂紋，導(dǎo)致組合模型失穩(wěn)破壞，不同巖柱直徑的破壞趨勢一致。孫光華等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)：在側(cè)限壓力作用下，組合試件中巖柱先發(fā)生塑性破壞，巖柱完全破壞后充填體承載了主要壓力而發(fā)生剪切破壞，最終整個組合試件失穩(wěn)破壞；與單一巖柱試件相比，組合試件中的巖柱試件破壞更徹底，但在充填體的支撐保護(hù)下，組合試件的殘余強度更大。

綜上所述， RB組合結(jié)構(gòu)破壞模式主要為剪切破壞，破壞過程為充填體及巖柱內(nèi)部微裂隙在外荷載下的擴(kuò)展、匯集及貫穿。與單一充填體試件不同， RB組合結(jié)構(gòu)試件的破壞較為復(fù)雜，受結(jié)構(gòu)面影響外圍充填體先破壞，接著引起巖柱試件的塑性破壞，最后整個試件發(fā)生破壞。

2.3.3 LCB結(jié)構(gòu)

LCB結(jié)構(gòu)破壞特征研究可以為二步驟礦柱回采、采場支護(hù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和必要的參數(shù)。

通過對不同充填次數(shù)下的LCB結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)2次充填時主要表現(xiàn)為共軛剪切破壞，3、4次充填時主要表現(xiàn)為貫穿分層面的張拉破壞，且在分層面出現(xiàn)不同程度的分離、錯動，在上分層表現(xiàn)為碎脹破壞[21-22]。

不同充填間隔時間的LCB結(jié)構(gòu)試件試驗研究發(fā)現(xiàn)，充填間隔時間為 12 h 的試件主要表現(xiàn)為貫穿分層面的張拉破壞；間隔時間為24、36 h的試件仍以張拉破壞為主，但靠近加載端的上分層充填體逐漸表現(xiàn)出剪切破壞形式；間隔時間為 48 h 的破壞表現(xiàn)出張拉和剪切共存的破壞形式[24]。針對不同分層高度和灰砂比下LCB結(jié)構(gòu)試件的單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，主要存在3種破壞模式：剪切破壞伴隨次生剪切裂紋、張拉破壞伴隨次生張拉裂紋以及共軛剪切破壞伴隨次生拉剪破壞[25]。

通過聲發(fā)射研究LCB結(jié)構(gòu)在單軸壓縮條件下的損傷破壞特征發(fā)現(xiàn)：在中間層高度較小時，主要為拉伸破壞；在中間層高度較大時，主要為剪切破壞[36]；試件從中間開始破壞向兩端延伸，并隨著灰砂比的降低，破壞模式由拉伸破壞轉(zhuǎn)為拉剪復(fù)合破壞。

綜上所述，LCB結(jié)構(gòu)與完整充填體相比，受分層弱面的影響，不僅抗壓強度減弱，破壞模式也發(fā)生了改變，完整充填體破壞以貫穿張拉破壞及剪切破壞為主，而LCB結(jié)構(gòu)還伴隨著共軛剪切破壞、碎脹破壞等模式。

3 結(jié)構(gòu)型充填體動態(tài)力學(xué)特性研究現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征研究

在嗣后充填二步回采時充填體不可避免地受到爆破擾動，如不加以控制必將影響采場安全，因此開展結(jié)構(gòu)型充填體動態(tài)力學(xué)特性研究對于實現(xiàn)安全高效二步回采具有重要意義。下面將從動載條件下結(jié)構(gòu)型充填體的應(yīng)力-應(yīng)變特征、破壞特征等方面對其動態(tài)力學(xué)特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1) 充填體-巖石組合結(jié)構(gòu)

由于充填體-巖石組合結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特征，目前一般采用循環(huán)加載的方法開展動態(tài)力學(xué)特性研究。王志國等[37]對充填體與圍巖組合模型進(jìn)行了循環(huán)加載試驗，結(jié)果表明：充填體能夠增強圍巖的完整性及強度；組合模型的破裂經(jīng)歷了一個擴(kuò)容的過程；不同側(cè)壓下循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成多塑性滯回環(huán)，巖性越軟滯回現(xiàn)象越顯著；應(yīng)變場在低循環(huán)荷載時近似均勻場，高荷載時在加載非均勻場與卸載均勻場之間變換，漸呈應(yīng)變局部化特征。

2) LCB結(jié)構(gòu)

LCB結(jié)構(gòu)作為人工礦柱，受到來自遠(yuǎn)場及近場礦柱開采的爆破擾動，對其進(jìn)行動態(tài)力學(xué)特征研究很有必要。

通過不同圍壓下組合試件的SHPB沖擊試驗，得到相同動載不同軸壓下的充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖10)。由圖10可知，沖擊荷載下充填體變形主要分為彈性階段(OA)、屈服階段(AB)、破壞階段(BC)、無明顯密實階段[38]。與靜載相比，沖擊荷載作用下充填體快速密實變形，微裂隙壓密階段不明顯。在此基礎(chǔ)上，綜合不同灰砂比充填體的分層特征及與圍巖、非膠結(jié)充填體的相互作用，首次創(chuàng)建了遠(yuǎn)場爆破擾動下LCB結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)模型分析方法，研究了LCB結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明：在遠(yuǎn)場爆破水平應(yīng)力波作用下，灰砂比大小嚴(yán)重影響LCB結(jié)構(gòu)的速度、位移響應(yīng)，進(jìn)而影響充填體的穩(wěn)定性；現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果驗證了該方法計算結(jié)果的可靠性[39]。WANG等[40]開展了4種圍壓下LCB結(jié)構(gòu)試件的三軸循環(huán)加載試驗，結(jié)果表明：當(dāng)圍壓小于0.2 MPa時，試件的抗壓強度升高；當(dāng)圍壓大于0.8 MPa時，試件的抗壓強度降低；當(dāng)圍壓為0.5 MPa時，1、2分層強度升高，3、4分層強度降低?？傮w來說，在動態(tài)荷載下，由于結(jié)構(gòu)型充填體內(nèi)部微裂隙被快速壓實，充填體強度雖然出現(xiàn)了增長，但是失穩(wěn)時間變短了。

(a)動載0.3 MPa

3.2 結(jié)構(gòu)型充填體破壞特征研究

1) RB組合結(jié)構(gòu)

王志國等[41]通過循環(huán)加載試驗，采用聲發(fā)射對RB組合結(jié)構(gòu)的破裂特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力水平越高，每個循環(huán)的AE能率峰值越大；這是因為應(yīng)力水平升高，組合結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性屈服階段，微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通成宏觀大裂紋，最終演化為宏觀裂紋。LI等[42]研究了不同圍壓下爆破擾動對RB組合結(jié)構(gòu)的損傷演化，結(jié)果表明：在圍壓不變的情況下，隨著動載的增大，充填體試件內(nèi)部裂隙先減小后增大，而在圍巖破壞后，組合試件孔隙率急劇增大，說明圍巖的完整性對于整個結(jié)構(gòu)的承壓能力起了決定性作用；隨著圍壓的增大，試件在動載作用下呈脆性破壞。

以上研究成果可為現(xiàn)場爆破參數(shù)優(yōu)化及采場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論參考。

2) LCB結(jié)構(gòu)

陳超等[38]對LCB結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了不同圍壓下的沖擊試驗，研究發(fā)現(xiàn)：在常規(guī)沖擊時，充填體破壞模式為劈裂拉伸破壞，裂紋多沿軸向分布；在不同圍壓的沖擊下，充填體破壞模式表現(xiàn)為剪切破壞。WANG等[40]通過SEM及CT掃描技術(shù)，研究得到循環(huán)加載下，在分層面的孔隙微裂隙被壓實，隨著圍壓的增大，易在孔隙周圍形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部疲勞損傷破壞。以上研究成果為LCB結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了科學(xué)指導(dǎo)。

4 結(jié)構(gòu)型充填體細(xì)微觀損傷力學(xué)特征研究現(xiàn)狀

隨著巖體損傷力學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科如斷裂力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、實驗力學(xué)及計算機(jī)圖像學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，結(jié)構(gòu)型充填體損傷表征尺度從宏觀逐步向細(xì)觀、微觀發(fā)展。目前，對于細(xì)微觀尺度，主要通過裂紋及孔隙數(shù)目、長度、面積、體積等參數(shù)進(jìn)行表征，細(xì)微觀參數(shù)主要通過超聲波檢測法、聲發(fā)射檢測法、CT掃描及核磁共振技術(shù)、掃描電鏡等手段獲得[43-45]。

CT掃描及核磁共振技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①可進(jìn)行細(xì)觀損傷的快速無損識別；②可進(jìn)行細(xì)觀尺度至宏觀尺度內(nèi)損傷的同步識別；③可進(jìn)行巖體內(nèi)部任意斷面處的損傷探測；④可獲得表征斷面損傷特征的高分辨率數(shù)字圖像及相應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合圖像處理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)定量分析。該技術(shù)已在結(jié)構(gòu)型損傷力學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

XUE等[46-47]基于掃描電鏡得到的SEM圖像，分析了摻纖維膠結(jié)充填體中纖維的幾何分布及聯(lián)結(jié)作用，將CT掃描得到的數(shù)據(jù)生成二維圖片，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著試件變形量的增大，纖維表現(xiàn)出滑移、拔出、拉斷等狀態(tài)。YU等[48]基于CT掃描技術(shù)，獲得了三軸壓縮下RB組合結(jié)構(gòu)試件破壞前后的細(xì)觀斷裂數(shù)據(jù)，并將圖像轉(zhuǎn)換為點云，通過點云的三維可視化分析發(fā)現(xiàn)RB結(jié)構(gòu)試件發(fā)生壓裂，而充填體少見壓裂；結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巖石發(fā)生了獨特的斷裂演化過程(見圖11)。LI等[42]基于核磁共振技術(shù)，分析了不同圍壓下爆破擾動對RB組合結(jié)構(gòu)的損傷演化。

圖11 RB組合結(jié)構(gòu)試件巖石孔隙和微缺陷在三軸壓縮作用下的變化情況

5 結(jié)構(gòu)型充填體力學(xué)研究發(fā)展趨勢

目前，對于結(jié)構(gòu)型充填體的靜態(tài)力學(xué)特性已有大量研究，但是動態(tài)力學(xué)特性研究相對較少，組合結(jié)構(gòu)面的細(xì)微觀參數(shù)研究也比較匱乏。因此，建議未來結(jié)構(gòu)型充填體的力學(xué)研究從以下幾個方面展開。

1) 動態(tài)力學(xué)特性研究

目前，關(guān)于結(jié)構(gòu)型充填體動態(tài)力學(xué)特性的研究方法較少，主要以循環(huán)加載試驗居多，然而循環(huán)加載條件并不能完全反映爆破擾動下的動態(tài)應(yīng)力狀態(tài)，因此需要結(jié)合結(jié)構(gòu)型充填體自身特點，探索更為適合的試驗方法。

2) 動態(tài)損傷力學(xué)本構(gòu)方程

本構(gòu)方程是損傷力學(xué)的理論基礎(chǔ)，目前尚無相應(yīng)的本構(gòu)方程對其動態(tài)損傷特性及行為進(jìn)行精確描述，導(dǎo)致理論研究與工程實際應(yīng)用存在一定偏差。因此，構(gòu)建具有工程應(yīng)用價值的動態(tài)損傷本構(gòu)方程是未來結(jié)構(gòu)型充填體損傷力學(xué)研究的重點。

3) 組合結(jié)構(gòu)接觸面細(xì)微觀損傷分析

目前關(guān)于結(jié)構(gòu)型充填體的細(xì)微觀研究，主要是對受外荷載作用下的充填體或圍巖的損傷破壞進(jìn)行分析；結(jié)構(gòu)面作為結(jié)構(gòu)型充填體的重要特征，探究其細(xì)微觀損傷機(jī)理，對于探索結(jié)構(gòu)型充填體力學(xué)特性及損傷變形機(jī)理具有重要意義。

6 結(jié)論

a.現(xiàn)階段針對結(jié)構(gòu)型充填體的力學(xué)特征研究主要圍繞應(yīng)力-應(yīng)變特征、本構(gòu)方程、破壞模式和損傷破裂特征等內(nèi)容開展，考慮靜態(tài)及動態(tài)(爆破擾動)兩種條件，目前已取得了許多有理論價值和工程應(yīng)用意義的成果，為嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)選擇、充填體強度確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

b.現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)型充填體力學(xué)特征研究的手段和方法主要有室內(nèi)單軸或三軸壓縮試驗、SHPB沖擊試驗、剪切試驗、聲發(fā)射監(jiān)測、數(shù)值模擬及理論分析等；隨著細(xì)微觀力學(xué)研究的興起，CT無損掃描、核磁共振技術(shù)、掃描電鏡開始用于結(jié)構(gòu)型充填體細(xì)觀參數(shù)的獲取。該研究方向?qū)⒊蔀槲磥硪欢螘r間的發(fā)展趨勢，必將推動礦山膠結(jié)充填朝著精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

c.在結(jié)構(gòu)型充填體動態(tài)力學(xué)特性研究方面，結(jié)合結(jié)構(gòu)型充填體自身特點，探索適合的試驗研究方法和構(gòu)建具有工程應(yīng)用價值的動態(tài)損傷本構(gòu)方程是未來一段時期的研究重點；同時，結(jié)構(gòu)面作為結(jié)構(gòu)型充填體的重要特征，探究其細(xì)微觀損傷機(jī)理，對于全面揭示結(jié)構(gòu)型充填體力學(xué)特性及損傷變形機(jī)理具有重要意義。