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SO2of  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 ·