分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 唐亚男付建新宋卫东张永芳 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill TANG Ya-nan,FU Jian-xin,SONG Wei-dong.ZHANG Yong-fang 引用本文： 唐亚男，付建新，宋卫东，张永芳.分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律).工程科学学报，2020.4210)：1286-1298.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2019.12.29.003 TANG Ya-nan,FU Jian-xin,SONG Wei-dong,ZHANG Yong-fang.Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(10):1286-1298.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2019.12.29.003 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.29.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphide- containing backfill 工程科学学报.2018.401)：9 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.01.002 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报.2019,41(11)：1433 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.23.002 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报.2019,41(12：1618htps:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.12.14.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018,40(7)：776 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.07.002 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 Effect of low temperature on early strength of cemented paste backfill from a copper mine and engineering recommendations 工程科学学报.2018,40(8)：925htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.005 胶结充填用冶金渣协同垃圾焚烧飞灰固镉机理 Mechanisms of solidification of cadmium in municipal solid waste incineration fly ash usinga slag cemented backfill agent 工程科学学报.2018,40(9外：1027htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.09.002

分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 唐亚男 付建新 宋卫东 张永芳 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill TANG Ya-nan, FU Jian-xin, SONG Wei-dong, ZHANG Yong-fang 引用本文: 唐亚男, 付建新, 宋卫东, 张永芳. 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律[J]. 工程科学学报, 2020, 42(10): 1286-1298. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003 TANG Ya-nan, FU Jian-xin, SONG Wei-dong, ZHANG Yong-fang. Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(10): 1286-1298. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2019.12.29.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphide￾containing backfill 工程科学学报. 2018, 40(1): 9 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.002 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报. 2019, 41(11): 1433 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报. 2019, 41(12): 1618 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.14.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 Effect of low temperature on early strength of cemented paste backfill from a copper mine and engineering recommendations 工程科学学报. 2018, 40(8): 925 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.005 胶结充填用冶金渣协同垃圾焚烧飞灰固镉机理 Mechanisms of solidification of cadmium in municipal solid waste incineration fly ash usinga slag cemented backfill agent 工程科学学报. 2018, 40(9): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.002

工程科学学报.第42卷.第10期：1286-1298.2020年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.10:1286-1298,October 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003;http://cje.ustb.edu.cn 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 唐亚男，2)，付建新1,2)区，宋卫东12)，张永芳12) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 通信作者.E-mail:fujune0011@126.com 摘要在进行大尺寸采空区嗣后充填过程中，胶结充填体易出现分层等结构现象.为深人分析结构特征对胶结充填体力学 特性及裂纹演化规律的影响，首先制作中间层高度比为0.2、0.4、0.6和0.8，灰砂比为1：4、1：6、1：8和1：10的分层胶结 充填体试件，然后利用GAW-2000伺服试验系统开展单轴压缩试验，最后借助二维颗粒流软件(PFC-2D),分析胶结充填体 内部裂纹分布规律.结果表明：(1)分层充填体单轴抗压强度与高度比呈指数函数关系、与灰砂比呈多项式函数关系：弹性模 量与高度比及灰砂比均呈多项式函数关系：单轴抗压强度及弹性模量均随高度比的增加而减小、随灰砂比的增大而增大，且 两者对灰砂比敏感度更高.(2)充填体内部裂纹演化曲线先缓慢上升，达到单轴抗压强度的80%左右时快速上升.且灰砂比 越大、高度比越大，上升速度越快，拐点到来越早，充填体试件越易发生破坏，超过单轴抗压强度后曲线开始迅速下降。(3)分 层充填体主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏，且破坏主要集中于中间软弱层：高度比越大，试件内部裂纹越密 集，灰砂比越大，裂纹越易向两端演化. 关键词阶段嗣后充填：分层胶结充填体：单轴抗压强度：裂纹演化规律 分类号TD853 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill TANG Ya-nan2),FU Jian-xin2,SONG Wei-dong2,ZHANG Yong-fang2) 1)School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:fujun0011@126.com ABSTRACI In the process of filling a large-scale goaf,due to the limitations in the capacity of the mixing tank,it is difficult to completely filling the goaf all once,but multiple fillings of a goaf can easily produce a layered structure in the cemented tailings backfill. This layered structure has a significant effect on the mechanical properties of the cemented tailings backfill.To analyze the influence of these structural characteristics on the mechanical properties and evolution of cracks in cemented tailings backfill,the layered cemented tailings backfill specimens with height ratios of 0.2,0.4,0.6 and 0.8,and cement-tailing ratios of 1:4,1:6,1:8 and 1:10 were made,and then the uniaxial compression test was carried out by using a GAW-2000 servo test system,and finally the crack distribution inside the cemented tailings backfill were analyzed by using 2D particle flow software(PFC-2D).The results show that:(1)the relationship between the uniaxial compressive strength and the height ratio of the layered backfill can be represented by an exponential function,and the relationship between the uniaxial compressive strength and the cement-tailing ratio can be represented by a polynomial function.The relationship between the elastic modulus and the height ratio and the cement-tailing ratio can be represented by a polynomial function.The uniaxial compressive strength and the elastic modulus are found to decrease with increase in the height ratio, and increase with increase in the cement-tailing ratio,with both being more sensitive to the cement-tailing ratio.(2)The evolution curve 收稿日期：2019-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804016)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP19-014A3)

分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 唐亚男1,2)，付建新1,2) 苣，宋卫东1,2)，张永芳1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：fujun0011@126.com 摘    要    在进行大尺寸采空区嗣后充填过程中，胶结充填体易出现分层等结构现象. 为深入分析结构特征对胶结充填体力学 特性及裂纹演化规律的影响，首先制作中间层高度比为 0.2、0.4、0.6 和 0.8，灰砂比为 1∶4、1∶6、1∶8 和 1∶10 的分层胶结 充填体试件，然后利用 GAW–2000 伺服试验系统开展单轴压缩试验，最后借助二维颗粒流软件（PFC–2D），分析胶结充填体 内部裂纹分布规律. 结果表明：（1）分层充填体单轴抗压强度与高度比呈指数函数关系、与灰砂比呈多项式函数关系；弹性模 量与高度比及灰砂比均呈多项式函数关系；单轴抗压强度及弹性模量均随高度比的增加而减小、随灰砂比的增大而增大，且 两者对灰砂比敏感度更高. （2）充填体内部裂纹演化曲线先缓慢上升，达到单轴抗压强度的 80% 左右时快速上升，且灰砂比 越大、高度比越大，上升速度越快，拐点到来越早，充填体试件越易发生破坏，超过单轴抗压强度后曲线开始迅速下降. （3）分 层充填体主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏，且破坏主要集中于中间软弱层；高度比越大，试件内部裂纹越密 集，灰砂比越大，裂纹越易向两端演化. 关键词    阶段嗣后充填；分层胶结充填体；单轴抗压强度；裂纹演化规律 分类号    TD853 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill TANG Ya-nan1,2) ，FU Jian-xin1,2) 苣 ，SONG Wei-dong1,2) ，ZHANG Yong-fang1,2) 1) School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: fujun0011@126.com ABSTRACT    In  the  process  of  filling  a  large-scale  goaf,  due  to  the  limitations  in  the  capacity  of  the  mixing  tank,  it  is  difficult  to completely filling the goaf all once, but multiple fillings of a goaf can easily produce a layered structure in the cemented tailings backfill. This layered structure has a significant effect on the mechanical properties of the cemented tailings backfill. To analyze the influence of these structural characteristics on the mechanical properties and evolution of cracks in cemented tailings backfill, the layered cemented tailings backfill specimens with height ratios of 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8, and cement-tailing ratios of 1∶4, 1∶6, 1∶8 and 1∶10 were made, and then the uniaxial compression test was carried out by using a GAW–2000 servo test system, and finally the crack distribution inside  the  cemented  tailings  backfill  were  analyzed  by  using  2D  particle  flow  software(PFC-2D).  The  results  show  that:  (1)  the relationship between the uniaxial compressive strength and the height ratio of the layered backfill can be represented by an exponential function, and the relationship between the uniaxial compressive strength and the cement-tailing ratio can be represented by a polynomial function.  The  relationship  between  the  elastic  modulus  and  the  height  ratio  and  the  cement-tailing  ratio  can  be  represented  by  a polynomial function. The uniaxial compressive strength and the elastic modulus are found to decrease with increase in the height ratio, and increase with increase in the cement-tailing ratio, with both being more sensitive to the cement-tailing ratio. (2) The evolution curve 收稿日期: 2019−12−29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51804016）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-19-014A3） 工程科学学报，第 42 卷，第 10 期：1286−1298，2020 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 10: 1286−1298, October 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003; http://cje.ustb.edu.cn

唐亚男等：分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 1287 of cracks in the cemented tailings backfill increases gradually at first,and then rapidly increases to about 80%of the peak strength, whereby the larger is the cement-tailing ratio,the lager is the height ratio.Furthermore,the earlier the fast-rising inflection point occurs, the more easily is the backfill specimen damaged,and the curve begins to decline rapidly after exceeding the peak strength.(3)The layered backfill fails primarily by mainly shear failure,tensile failure and conjugate shear failure,and the failure is mainly concentrated in the middle weak layer.The larger is the height ratio,the denser are the cracks,the bigger is the cement-tailing ratio,and the more easily the cracks evolve to both ends. KEY WORDS stage subsequent filling;interbedded cemented tailings backfill:uniaxial compressive strength;crack evolution law 充填采矿法不仅能有效控制采空区塌陷，而 保持充填体自立安全稳定，还能节约充填成本.然 且能合理处置选矿废弃尾砂，因而被广泛应用于 而，分层充填易导致充填体出现分层等结构特性， 金属非金属矿山-.胶结充填体作为采场的重要 结构特征的出现会导致充填体力学性能出现一定 组成部分，对维持采空区安全稳定、防止地表构筑 程度劣化.Cao等3-刀重点考虑结构面数量、结构 物塌陷等方面发挥着不可替代的作用.因而研究 面角度等因素，认为充填体力学特征与结构面状 荷载作用下胶结充填体力学特性与内部裂纹演化 态密切相关.Xu等建立了结构面数量与单轴抗 规律具有重要意义 压强度之间的定量函数关系.WANG等9-20基于 尾砂胶结充填体是一种由胶结剂、尾砂和水 不同试验参数，构建了结构面与荷载耦合作用下 泥混合而成的多相复合材料，其强度通常介于土 的损伤本构模型，同时对分层充填体能量演化规 与岩石之间，国内外研究学者对于其流动特性、力 律进行了深人分析.Zhang等I基于霍普金森压 学特性、微观结构特性及宏观破坏模式的研究相 杆试验，研究了不同应变速率对分层充填体动态 对较多，在充填体力学领域取得了丰硕的成果 力学特性及破坏模式的影响.基于以上研究，结构 徐文彬等B-6借助TIR红外监测系统及电阻率测 特性对胶结充填体力学特征、能量演化规律及破 量系统对充填体单轴压缩下的应力-应变行为、电 坏模式具有重大影响，而由于采矿方法或充填能 阻率变化规律及红外热力学特性进行了深入研 力的影响，胶结充填体出现分层等结构现象不可 究.程爱平等-1针对不同尺寸胶结充填体，开展 避免，因而研究和分析结构型充填体力学特性、掌 单轴压缩试验同时全程监测胶结充填体声发射信 握其内部破裂机理对矿山生产意义重大， 号，重点研究了胶结充填体损伤演化尺寸效应及 在其他学者的研究基础之上0-，本文聚焦于 破裂纹时空演化规律，同时对充填体破裂行为进 分层胶结充填体（本文定义分层充填体20为高灰 行了有效预测.李长洪等基于能量守恒理论， 砂比与低灰砂比充填体组合体)试件，通过制作高 探索胶结充填体与矿石合理匹配关系，同时发现 度比（中间层高度与试件高度的比值）为0.2、0.4、 胶结充填体强度具有空间差异性.宋卫东等- 0.6和0.8.灰砂比（指中间层灰砂比）为1：4、 模拟井下开挖及爆破等动载行为，开展胶结充填 1:6、1:8和1：10的16组充填体试件，开展单 体循环冲击试验，研究了胶结充填体的动载力学 轴压缩试验，探讨其力学特性.同时基于二维颗粒 行为及破坏特征 流软件(PFC-2D)模拟分层充填体单轴压缩过程， 以上研究主要聚焦结构完整的充填体，而对 分析其内部裂纹演化机理 于采用阶段嗣后充填的矿山，采场往往划分为矿 1分层胶结充填体力学特性实验研究 房和矿柱，一步回采矿房，胶结充填完毕，二步回 采矿柱.由于阶段高度较大（达40m),如果全阶段 1.1试验材料 采用高灰砂比尾砂胶结充填，将会大大增加充填 本次试验尾砂来自于山东省某金矿，采用SA-CP3 成本，若全阶段采用低灰砂比尾砂胶结充填，虽可 粒径分析仪对烘干过后的尾砂样品进行粒径测 大大节约成本，但当二步矿柱开挖，胶结充填体出 试，得到尾砂粒径分布曲线如图1所示.分析图1 现单侧或双侧揭露，由于强度不足，可能导致充填 发现，粒径小于129.48um的细颗粒体积占比超过 体出现垮落，这样不仅增大安全风险而且还会导 50%,平均粒径为144.26um.尾砂密度和质量比表 致混入贫化.而分层充填可很好地解决这一问题， 面积分别为2.65gm-3和92.37m2-kg. 即底部和顶板采用高灰砂比尾砂胶结充填，而中 利用X射线衍射仪对试验尾砂化学成分进行 间部位采用低灰砂比尾砂胶结充填，这样不仅可 分析，结果如表1所示.尾砂主要矿物成分为SO2

of  cracks  in  the  cemented  tailings  backfill  increases  gradually  at  first,  and  then  rapidly  increases  to  about  80% of  the  peak  strength, whereby the larger is the cement-tailing ratio, the lager is the height ratio. Furthermore, the earlier the fast-rising inflection point occurs, the more easily is the backfill specimen damaged, and the curve begins to decline rapidly after exceeding the peak strength. (3) The layered backfill fails primarily by mainly shear failure, tensile failure and conjugate shear failure, and the failure is mainly concentrated in the middle weak layer. The larger is the height ratio, the denser are the cracks, the bigger is the cement-tailing ratio, and the more easily the cracks evolve to both ends. KEY WORDS    stage subsequent filling；interbedded cemented tailings backfill；uniaxial compressive strength；crack evolution law 充填采矿法不仅能有效控制采空区塌陷，而 且能合理处置选矿废弃尾砂，因而被广泛应用于 金属非金属矿山[1−2] . 胶结充填体作为采场的重要 组成部分，对维持采空区安全稳定、防止地表构筑 物塌陷等方面发挥着不可替代的作用. 因而研究 荷载作用下胶结充填体力学特性与内部裂纹演化 规律具有重要意义. 尾砂胶结充填体是一种由胶结剂、尾砂和水 泥混合而成的多相复合材料，其强度通常介于土 与岩石之间，国内外研究学者对于其流动特性、力 学特性、微观结构特性及宏观破坏模式的研究相 对较多，在充填体力学领域取得了丰硕的成果[3−4] . 徐文彬等[5−6] 借助 TIR 红外监测系统及电阻率测 量系统对充填体单轴压缩下的应力–应变行为、电 阻率变化规律及红外热力学特性进行了深入研 究. 程爱平等[7−8] 针对不同尺寸胶结充填体，开展 单轴压缩试验同时全程监测胶结充填体声发射信 号，重点研究了胶结充填体损伤演化尺寸效应及 破裂纹时空演化规律，同时对充填体破裂行为进 行了有效预测. 李长洪等[9−10] 基于能量守恒理论， 探索胶结充填体与矿石合理匹配关系，同时发现 胶结充填体强度具有空间差异性. 宋卫东等[11−12] 模拟井下开挖及爆破等动载行为，开展胶结充填 体循环冲击试验，研究了胶结充填体的动载力学 行为及破坏特征. 以上研究主要聚焦结构完整的充填体，而对 于采用阶段嗣后充填的矿山，采场往往划分为矿 房和矿柱，一步回采矿房，胶结充填完毕，二步回 采矿柱. 由于阶段高度较大（达 40 m），如果全阶段 采用高灰砂比尾砂胶结充填，将会大大增加充填 成本，若全阶段采用低灰砂比尾砂胶结充填，虽可 大大节约成本，但当二步矿柱开挖，胶结充填体出 现单侧或双侧揭露，由于强度不足，可能导致充填 体出现垮落，这样不仅增大安全风险而且还会导 致混入贫化. 而分层充填可很好地解决这一问题， 即底部和顶板采用高灰砂比尾砂胶结充填，而中 间部位采用低灰砂比尾砂胶结充填，这样不仅可 保持充填体自立安全稳定，还能节约充填成本. 然 而，分层充填易导致充填体出现分层等结构特性， 结构特征的出现会导致充填体力学性能出现一定 程度劣化. Cao 等[13−17] 重点考虑结构面数量、结构 面角度等因素，认为充填体力学特征与结构面状 态密切相关. Xu 等[18] 建立了结构面数量与单轴抗 压强度之间的定量函数关系. WANG 等[19−20] 基于 不同试验参数，构建了结构面与荷载耦合作用下 的损伤本构模型，同时对分层充填体能量演化规 律进行了深入分析. Zhang 等[19] 基于霍普金森压 杆试验，研究了不同应变速率对分层充填体动态 力学特性及破坏模式的影响. 基于以上研究，结构 特性对胶结充填体力学特征、能量演化规律及破 坏模式具有重大影响，而由于采矿方法或充填能 力的影响，胶结充填体出现分层等结构现象不可 避免，因而研究和分析结构型充填体力学特性、掌 握其内部破裂机理对矿山生产意义重大. 在其他学者的研究基础之上[20−25] ，本文聚焦于 分层胶结充填体 (本文定义分层充填体[20] 为高灰 砂比与低灰砂比充填体组合体）试件，通过制作高 度比（中间层高度与试件高度的比值）为 0.2、0.4、 0.6 和 0.8， 灰 砂 比 （ 指 中 间 层 灰 砂 比 ） 为 1∶4、 1∶6、1∶8 和 1∶10 的 16 组充填体试件，开展单 轴压缩试验，探讨其力学特性. 同时基于二维颗粒 流软件（PFC-2D）模拟分层充填体单轴压缩过程， 分析其内部裂纹演化机理. 1    分层胶结充填体力学特性实验研究 1.1    试验材料 本次试验尾砂来自于山东省某金矿，采用SA–CP3 粒径分析仪对烘干过后的尾砂样品进行粒径测 试，得到尾砂粒径分布曲线如图 1 所示. 分析图 1 发现，粒径小于 129.48 μm 的细颗粒体积占比超过 50%，平均粒径为 144.26 μm. 尾砂密度和质量比表 面积分别为 2.65 g·m−3 和 92.37 m2 ·kg−1 . 利用 X 射线衍射仪对试验尾砂化学成分进行 分析，结果如表 1 所示. 尾砂主要矿物成分为 SiO2 唐亚男等： 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 · 1287 ·

·1288 工程科学学报，第42卷，第10期 12 100 间层灰砂比为1：4、1：6、1：8和1：10、中间层 Incremental 10 -o-Cumulative 高度比为0.2、0.4、0.6和0.8，本次实验采用了小模 80 具进行实验研究，模具内径为50mm,高度为100mm. 8 60 养护龄期为58d,采用恒温恒湿养护箱进行养护， 6 温度为20±5℃、相对湿度为95%±5% 分层充填体制作过程（图2）为：(1)混合搅拌： 4 首先将水泥、尾砂和水按设定比例混合，然后将混 2 合料浆放在搅拌机下搅拌均匀备用：(2)模具充 填：首先按设定高度充填底层料浆，间隔24h后按 10 100 1000 Tailings particle size/um 设定高度充填中间层料浆，再间隔24h充填顶层 图1尾砂粒径分布曲线 料浆至100mm高度；(3)脱模养护：将充填完成的 Fig.I Distribution curve of tailings particle size 试件放入养护箱，养护3d后拿出脱模继续养护至 58d备用.单轴压缩试验是获得充填体试件力学 和Al203,质量分数分别为65.7%和14.3%.这些主 参数的最直接方式.利用GAW-2000微机控制电 要成分(SiO2、Al2O3、CaO等)通常有利于充填体 液伺服压力机对不同分层充填体试件开展单轴压 凝聚力和强度的增加 缩试验.采用位移控制方式进行加载，速率为 矿山采用42.5R普通硅酸盐水泥作为胶结剂， 0.5 mm'min,电脑会自动记录加载过程中应力-应 试验用水泥的化学成分如表1所示.该金矿采用 变曲线，最后以Excel格式输出.GAW-2000试验 当地自来水作为混合水来源进行充填料浆制备， 系统如图2所示 由于实验在北京科技大学实验室完成，采用矿山 当地自来水进行试验研究非常不方便，且自来水 2试验结果及分析 成分差别不大，成分的差异对充填体力学性质 2.1分层充填体试件单轴抗压强度 的影响可忽略不计，因此本次实验采用实验室自 单轴抗压强度被认为是充填体最重要的力学 来水. 参数之一，而充填体灰砂比及高度比均对其单轴 1.2分层充填体试件制作及单轴压缩试验 抗压强度(UCS)有很大影响.因此本文试验设置 为研究分层充填体中间层高度比（以下简称 两个变量，分别为灰砂比和高度比，每个变量设置 高度比)和中间层灰砂比对其力学特性的影响规 4个水平，共16组分层充填体试件，每组试件制作 律，保持顶层和底层灰砂比为1：4不变，设置中 3个，共48个试件 表1尾砂和水泥化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of tailings and cement(mass fraction) Component SiO2 Al203 CaO Mgo P Fe Au Fe2O3 SO3 Tailing 65.7 14.3 1.88 0.49 3.05 0.13 0.08 <0.01 Cement 21.36 4.92 62.33 3.41 3.21 1.92 Cement Layered backfill Curing Tailings 1:4 14 Control unit 16 1:8 Stirring 1:4 1:4 Layered backfill specimens 图2分层充填体试件制作与单轴压缩试验 Fig.2 Making and uniaxial compression test of layered backfill specimens

和 Al2O3，质量分数分别为 65.7% 和 14.3%. 这些主 要成分（SiO2、Al2O3、CaO 等）通常有利于充填体 凝聚力和强度的增加. 矿山采用 42.5R 普通硅酸盐水泥作为胶结剂， 试验用水泥的化学成分如表 1 所示. 该金矿采用 当地自来水作为混合水来源进行充填料浆制备， 由于实验在北京科技大学实验室完成，采用矿山 当地自来水进行试验研究非常不方便，且自来水 成分差别不大，成分的差异对充填体力学性质 的影响可忽略不计，因此本次实验采用实验室自 来水. 1.2    分层充填体试件制作及单轴压缩试验 为研究分层充填体中间层高度比（以下简称 高度比）和中间层灰砂比对其力学特性的影响规 律，保持顶层和底层灰砂比为 1∶4 不变，设置中 间层灰砂比为 1∶4、1∶6、1∶8 和 1∶10、中间层 高度比为 0.2、0.4、0.6 和 0.8，本次实验采用了小模 具进行实验研究，模具内径为 50 mm，高度为 100 mm. 养护龄期为 58 d，采用恒温恒湿养护箱进行养护， 温度为 20±5 ℃、相对湿度为 95%±5%. 分层充填体制作过程（图 2）为：（1）混合搅拌： 首先将水泥、尾砂和水按设定比例混合，然后将混 合料浆放在搅拌机下搅拌均匀备用；（2）模具充 填：首先按设定高度充填底层料浆，间隔 24 h 后按 设定高度充填中间层料浆，再间隔 24 h 充填顶层 料浆至 100 mm 高度；（3）脱模养护：将充填完成的 试件放入养护箱，养护 3 d 后拿出脱模继续养护至 58 d 备用. 单轴压缩试验是获得充填体试件力学 参数的最直接方式. 利用 GAW-2000 微机控制电 液伺服压力机对不同分层充填体试件开展单轴压 缩试验. 采用位移控制方式进行加载 ，速率为 0.5 mm∙min−1，电脑会自动记录加载过程中应力–应 变曲线，最后以 Excel 格式输出. GAW–2000 试验 系统如图 2 所示. 2    试验结果及分析 2.1    分层充填体试件单轴抗压强度 单轴抗压强度被认为是充填体最重要的力学 参数之一，而充填体灰砂比及高度比均对其单轴 抗压强度（UCS）有很大影响. 因此本文试验设置 两个变量，分别为灰砂比和高度比，每个变量设置 4 个水平，共 16 组分层充填体试件，每组试件制作 3 个，共 48 个试件. 1 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 Incremental Cumulative Tailings particle size/μm Percentage of incremental volume/ % Percentage of cumulative volume/ % 图 1    尾砂粒径分布曲线 Fig.1    Distribution curve of tailings particle size Cement Curing Tailings Stirring Layered backfill specimens 1:4 1:4 1:4 1:4 1:6 1:8 Layered backfill Control unit 图 2    分层充填体试件制作与单轴压缩试验 Fig.2    Making and uniaxial compression test of layered backfill specimens 表 1 尾砂和水泥化学成分（质量分数） Table 1  Chemical composition of tailings and cement (mass fraction) % Component SiO2 Al2O3 CaO MgO P S Fe Au Fe2O3 SO3 Tailing 65.7 14.3 1.88 0.49 3.05 0.13 0.08 <0.01 Cement 21.36 4.92 62.33 3.41 3.21 1.92 · 1288 · 工程科学学报，第 42 卷，第 10 期

唐亚男等：分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 1289 21.1高度比的影响 (R)均明显低于指数函数，其平均值分别为0.845 为分析分层充填体高度比对其单轴抗压强度 和0.882.因此认为分层充填体高度比与其单轴 的影响规律，以高度比为横坐标、单轴抗压强度为 抗压强度之间存在较好的指数函数关系，其表达 纵坐标，得到高度比与单轴抗压强度关系，如图3 式为 所示. UCS exp(A1+Bh+Cih2) (1) 由图3可知，分层充填体单轴抗压强度随高度 比增加而降低.以灰砂比为1：4进行说明，当分 其中，UCS为分层充填体单轴抗压强度，MPa;h为 层充填体试件高度比为0.2时，其单轴抗压强度为 分层充填体中间层高度比；A1、B1和C1表示与高 6.15MPa,当高度比从0.2增加到0.4时，对应的单 度比及灰砂比有关的参数 轴抗压强度为5.98MPa,强度降低约2.8%，高度比 2.1.2灰砂比的影响 继续增加至0.6时，其单轴抗压强度降低至5.95MPa, 充填体灰砂比对单轴抗压强度有重要影响， 当高度比增加至08时，此时分层充填体单轴抗压 图4所示为分层充填体单轴抗压强度与灰砂比关 强度为5.57MPa,对比高度比为0.6时降幅约 系曲线 6.4%,对比高度比为0.2时降幅达9.4% 观察图4发现，分层充填体单轴抗压强度随灰 分别采用线性函数、指数函数及多项式函数 砂比增大而增大.当灰砂比为1：4时，高度比为 对分层充填体单轴抗压强度与高度比之间的关系 0.2的试件单轴抗压强度为6.15MPa,高度比为 进行拟合，拟合复相关系数()如表2所示 0.4、0.6和0.8的试件单轴抗压强度分别为5.98、 表2结果显示，当灰砂比分别为1：4、1：6、 5.95和5.57MPa;当灰砂比减小为1：6时，对应的 1:8和1：10时，指数函数拟合复相关系数(R2) 单轴抗压强度分别为5.23、5.14、5.13和4.94MPa, 分别为0.892、0.968、0.996和0.953，平均值达 较灰砂比为1：4时的试件单轴抗压强度分别降 0.952.线性函数和多项式函数拟合复相关系数 低15.0%、14.0%、13.8%和11.3%：灰砂比减小为 (a) =exp(1.81+0.08r0.23r2 6 J=6.36-0.89 1=5 -0.44 1.65+0.04x0.12r2 127 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 Height ratio Height ratio (c) =6.09+0.43r-1.31x2 Cement-tailing ratio of 1:4 521+01 063 Cement-tailing ratio of 1:6 Cement-tailing ratio of 1:8 95-0. Cement-tailing ratio of 1:10 52 0.2 0.4 0.6 0.8 Height ratio 图3高度比与单轴抗压强度关系.(a)线性拟合：(b)指数拟合：(c)多项式拟合 Fig.3 Relationship between height ratio and uniaxial compressive strength:(a)linear fitting.(b)exponential fitting,(c)polynomial fitting

2.1.1    高度比的影响 为分析分层充填体高度比对其单轴抗压强度 的影响规律，以高度比为横坐标、单轴抗压强度为 纵坐标，得到高度比与单轴抗压强度关系，如图 3 所示. 由图 3 可知，分层充填体单轴抗压强度随高度 比增加而降低. 以灰砂比为 1∶4 进行说明，当分 层充填体试件高度比为 0.2 时，其单轴抗压强度为 6.15 MPa，当高度比从 0.2 增加到 0.4 时，对应的单 轴抗压强度为 5.98 MPa，强度降低约 2.8%，高度比 继续增加至 0.6 时，其单轴抗压强度降低至 5.95 MPa， 当高度比增加至 0.8 时，此时分层充填体单轴抗压 强 度 为 5.57  MPa， 对 比 高 度 比 为 0.6 时 降 幅 约 6.4%，对比高度比为 0.2 时降幅达 9.4%. 分别采用线性函数、指数函数及多项式函数 对分层充填体单轴抗压强度与高度比之间的关系 进行拟合，拟合复相关系数（R 2 ）如表 2 所示. 表 2 结果显示，当灰砂比分别为 1∶4、1∶6、 1∶8 和 1∶10 时，指数函数拟合复相关系数（R 2 ） 分 别 为 0.892、 0.968、 0.996 和 0.953， 平 均 值 达 0.952. 线性函数和多项式函数拟合复相关系数 （R 2 ）均明显低于指数函数，其平均值分别为 0.845 和 0.882. 因此认为分层充填体高度比与其单轴 抗压强度之间存在较好的指数函数关系，其表达 式为： UCS = exp( A1 + B1h+C1h 2 ) （1） 其中，UCS 为分层充填体单轴抗压强度，MPa；h 为 分层充填体中间层高度比；A1、B1 和 C1 表示与高 度比及灰砂比有关的参数. 2.1.2    灰砂比的影响 充填体灰砂比对单轴抗压强度有重要影响. 图 4 所示为分层充填体单轴抗压强度与灰砂比关 系曲线. 观察图 4 发现，分层充填体单轴抗压强度随灰 砂比增大而增大. 当灰砂比为 1∶4 时，高度比为 0.2 的试件单轴抗压强度为 6.15 MPa，高度比为 0.4、0.6 和 0.8 的试件单轴抗压强度分别为 5.98、 5.95 和 5.57 MPa；当灰砂比减小为 1∶6 时，对应的 单轴抗压强度分别为 5.23、5.14、5.13 和 4.94 MPa， 较灰砂比为 1∶4 时的试件单轴抗压强度分别降 低 15.0%、 14.0%、 13.8% 和 11.3%；灰砂比减小为 Cement-tailing ratio of 1:4 Cement-tailing ratio of 1:6 Cement-tailing ratio of 1:8 Cement-tailing ratio of 1:10 0.2 0.4 0.6 0.8 4 5 6 7 UCS/MPa Height ratio y=6.36−0.89x y=5.33−0.44x y=4.85−0.27x y=4.85−1.07x (a) 0.2 0.4 0.6 0.8 4 5 6 7 UCS/MPa Height ratio y=exp(1.81+0.08x−0.23x 2 ) y=exp(1.65+0.04x−0.12x 2 ) y=exp(1.60−0.16x−0.10x 2 ) y=exp(1.56−0.11x−0.14x 2 ) (b) 0.2 0.4 0.6 0.8 4 5 6 7 UCS/MPa Height ratio y=6.09+0.43x−1.31x 2 y=5.21+0.19x−0.63x 2 y=4.95−0.77x+0.50x 2 y=4.75−0.57x−0.50x 2 (c) 图 3    高度比与单轴抗压强度关系. （a）线性拟合；（b）指数拟合；（c）多项式拟合 Fig.3    Relationship between height ratio and uniaxial compressive strength: (a) linear fitting; (b) exponential fitting; (c) polynomial fitting 唐亚男等： 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 · 1289 ·