10 工程科学学报，第40卷，第1期 充填体的单轴抗压强度为主要指标.配比试验中发 分析力学强度与分形维数的关联关系，从细观角度 现，含硫充填体试件随着养护龄期延长存在显著的 定量解释了内部结构对宏观力学性能的影响机理. 变形行为，表面会出现裂隙并伴有体积膨胀，部分试 吴爱祥等]以全尾砂膏体内部结构的形貌特征为 件还会膨胀崩解.充填体试件的单轴抗压强度试验 研究对象，将分形维数作为膏体微观结构特性的表 多依照岩体、岩石及混凝土力学试验的标准及规 征指标，以此构造膏体微观结构时间演化过程的数 程1].制样标准中对试件端面平行度、高度/边长、学模型，为膏体料浆结构的研究提供了重要方法 角度、平整度、端面轴线间的垂直偏差设置上限，同 薛振林等[)以堆浸体系的孔隙和裂隙为研究对象 时要求试件表面光滑平整，但对于存在裂隙试件的 得到了孔隙率和渗透率随浸出时间的演化规律，建 试验要求并不详细明确.试验证明，以表面存在明 立了分形双重介质渗流模型，从而揭示了溶浸液渗 显裂隙的试件作为单轴抗压强度测试的试验对象， 流过程的一般规律.上述研究表明，分形理论的确 同组（相同配比）试件的试验结果十分离散，不能获 是裂隙定量化研究的一个有效手段，覆岩采动裂隙 得单轴荷载下完整的应力-应变曲线，也就不能有 是岩层在应力作用下形成的张拉裂隙，岩石冻融裂 效地计算力学刚度数据（如：弹性变形阶段的弹性 隙是岩石中原生裂隙冻融作用下的二次演化，土体 模量)和荷载形变数据（如：泊松比等）.没有可靠 干缩裂隙是因土体失水固相凝聚形成的收缩裂隙， 的力学参数无法进行力学分析与数值模拟研究，难 混凝土断面和膏体内部结构特性的分形演变源于固 以对采矿方法、采场结构参数、矿块回采顺序和矿柱 相团状结构合聚与分散，矿堆溶浸裂隙分形维数的 临界厚度等进行有效优化，也很难进行充填体采动 增加来自裂隙尺寸的扩展，而对于低胶砂比砂浆材 扰动损伤、充填体围岩间的相互作用等充填体稳定 料（如：充填体）由膨胀应力引起的表面裂隙的分形 性分析工作，使得充填采矿法应用回到了经验类比 研究少有报道. 阶段，为此，如何提高含硫充填体强度试验的可靠性 本文以含硫充填体配比试验中的裂隙充填体为 变得十分重要. 研究对象，分析试件表面在内应力作用下形成的膨 试验中发现，充填体表面裂隙特征与单轴抗压 胀裂隙的分形特性，分析裂隙分形维数与试件力学 强度的试验结果存在一定的相关关系，若能够利用 强度间的联系，以分形维数评判充填体试件的完整 裂隙的发育程度判定试件的完整性，进而就可以评 程度，进而评价其单轴抗压试验结果的有效性，为含 价单轴抗压强试验的有效性.但要将裂隙特征与强 硫及其他具有膨胀特性的充填体强度研究提供新的 度建立数值上的联系，就需要将裂隙特性参数化、定 思路和方法 量化.在文献中发现，分形理论在评价岩土类材料 1充填体膨胀及裂隙分析试验 裂隙发展和演化的研究中应用广泛[6-】，可以定量 给出裂隙的分形维数值.分形维数是以量化裂隙自 1.1试验材料 相似性为基础的定量指标，实现了裂隙发育程度从 胶结材料为矿山使用最多廉价易得的普通硅酸 定性描述向定量表征的转变.李树刚等[]利用分形 盐水泥，结合东同矿业全尾砂胶结工艺的生产实际， 几何理论研究采动下覆岩裂隙发育的演化规律，确 选用有万年青牌普通硅酸盐水泥(PC32.5).试验 定了裂隙煤层分形维数与工作面前支撑压力峰值间 用尾砂取自尾矿库选矿厂排料口处的尾砂，硫精矿 的数值关系.李宏艳等[)利用数值图像处理技术和 为选刊矿后的硫产品 分形理论，提出判别采动覆岩裂隙时空演化的评判 充填料的物理力学性质有密度、堆密度（容 标准，实现覆岩裂隙形成和发展过程中其发育程度 重)、孔隙率/孔隙比、含水率、颗粒级配等.尾砂物 的定量化表征.李杰林等o]以冻融后岩石的孔隙 理性质试验操作参考土工试验规程SL237一1999， 特征为研究对象，证明冻融作用下的岩体裂隙演化 试验结果见表1.利用winner.2000型激光粒度分析 具有自相似性，分形维数越大，孔隙越发育.唐朝生 仪进行尾砂和硫精矿的粒度分析，结果见图1~ 等以土体的干缩裂隙为研究对象，为了量化裂隙 图2.全尾砂平均粒径118.47m,d1。=44.31um, 网格的几何特征，提出了一整套包括分形维数在内do=111.48m,do=200.3m,(d,x=10,50, 的度量指标体系，对于定量评价裂隙土的工程性质 90,指粒径累计到达x%时对应的粒径值).不均匀 具有重要意义.刘红彬等2]以低水胶比混凝土的 系数C。=2.7075,曲率系数C。=1.662,级配良好. 强度及其细观结构为研究对象，揭示不同配比下混 硫精矿平均粒径94.902μm,d1o=40.88m,ds0= 凝土断面扫描电镜图像的分形维数的变化规律，并 86.62um,d0=142.73um,不均匀系数C。=工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 充填体的单轴抗压强度为主要指标. 配比试验中发 现,含硫充填体试件随着养护龄期延长存在显著的 变形行为,表面会出现裂隙并伴有体积膨胀,部分试 件还会膨胀崩解. 充填体试件的单轴抗压强度试验 多依照岩体、岩石及混凝土力学试验的标准及规 程[1鄄鄄5] . 制样标准中对试件端面平行度、高度/ 边长、 角度、平整度、端面轴线间的垂直偏差设置上限,同 时要求试件表面光滑平整,但对于存在裂隙试件的 试验要求并不详细明确. 试验证明,以表面存在明 显裂隙的试件作为单轴抗压强度测试的试验对象, 同组(相同配比)试件的试验结果十分离散,不能获 得单轴荷载下完整的应力鄄鄄 应变曲线,也就不能有 效地计算力学刚度数据(如:弹性变形阶段的弹性 模量)和荷载形变数据(如:泊松比等). 没有可靠 的力学参数无法进行力学分析与数值模拟研究,难 以对采矿方法、采场结构参数、矿块回采顺序和矿柱 临界厚度等进行有效优化,也很难进行充填体采动 扰动损伤、充填体围岩间的相互作用等充填体稳定 性分析工作,使得充填采矿法应用回到了经验类比 阶段,为此,如何提高含硫充填体强度试验的可靠性 变得十分重要. 试验中发现,充填体表面裂隙特征与单轴抗压 强度的试验结果存在一定的相关关系,若能够利用 裂隙的发育程度判定试件的完整性,进而就可以评 价单轴抗压强试验的有效性. 但要将裂隙特征与强 度建立数值上的联系,就需要将裂隙特性参数化、定 量化. 在文献中发现,分形理论在评价岩土类材料 裂隙发展和演化的研究中应用广泛[6鄄鄄7] ,可以定量 给出裂隙的分形维数值. 分形维数是以量化裂隙自 相似性为基础的定量指标,实现了裂隙发育程度从 定性描述向定量表征的转变. 李树刚等[8]利用分形 几何理论研究采动下覆岩裂隙发育的演化规律,确 定了裂隙煤层分形维数与工作面前支撑压力峰值间 的数值关系. 李宏艳等[9]利用数值图像处理技术和 分形理论,提出判别采动覆岩裂隙时空演化的评判 标准,实现覆岩裂隙形成和发展过程中其发育程度 的定量化表征. 李杰林等[10] 以冻融后岩石的孔隙 特征为研究对象,证明冻融作用下的岩体裂隙演化 具有自相似性,分形维数越大,孔隙越发育. 唐朝生 等[11]以土体的干缩裂隙为研究对象,为了量化裂隙 网格的几何特征,提出了一整套包括分形维数在内 的度量指标体系,对于定量评价裂隙土的工程性质 具有重要意义. 刘红彬等[12] 以低水胶比混凝土的 强度及其细观结构为研究对象,揭示不同配比下混 凝土断面扫描电镜图像的分形维数的变化规律,并 分析力学强度与分形维数的关联关系,从细观角度 定量解释了内部结构对宏观力学性能的影响机理. 吴爱祥等[13]以全尾砂膏体内部结构的形貌特征为 研究对象,将分形维数作为膏体微观结构特性的表 征指标,以此构造膏体微观结构时间演化过程的数 学模型,为膏体料浆结构的研究提供了重要方法. 薛振林等[14]以堆浸体系的孔隙和裂隙为研究对象, 得到了孔隙率和渗透率随浸出时间的演化规律,建 立了分形双重介质渗流模型,从而揭示了溶浸液渗 流过程的一般规律. 上述研究表明,分形理论的确 是裂隙定量化研究的一个有效手段,覆岩采动裂隙 是岩层在应力作用下形成的张拉裂隙,岩石冻融裂 隙是岩石中原生裂隙冻融作用下的二次演化,土体 干缩裂隙是因土体失水固相凝聚形成的收缩裂隙, 混凝土断面和膏体内部结构特性的分形演变源于固 相团状结构合聚与分散,矿堆溶浸裂隙分形维数的 增加来自裂隙尺寸的扩展,而对于低胶砂比砂浆材 料(如:充填体)由膨胀应力引起的表面裂隙的分形 研究少有报道. 本文以含硫充填体配比试验中的裂隙充填体为 研究对象,分析试件表面在内应力作用下形成的膨 胀裂隙的分形特性,分析裂隙分形维数与试件力学 强度间的联系,以分形维数评判充填体试件的完整 程度,进而评价其单轴抗压试验结果的有效性,为含 硫及其他具有膨胀特性的充填体强度研究提供新的 思路和方法. 1 充填体膨胀及裂隙分析试验 1郾 1 试验材料 胶结材料为矿山使用最多廉价易得的普通硅酸 盐水泥,结合东同矿业全尾砂胶结工艺的生产实际, 选用有万年青牌普通硅酸盐水泥( PC32郾 5). 试验 用尾砂取自尾矿库选矿厂排料口处的尾砂,硫精矿 为选矿后的硫产品. 充填料的物理力学性质有密度、堆密度 ( 容 重)、孔隙率/ 孔隙比、含水率、颗粒级配等. 尾砂物 理性质试验操作参考土工试验规程 SL237—1999, 试验结果见表 1. 利用 winner2000 型激光粒度分析 仪进行尾砂和硫精矿的粒度分析,结果见图 1 ~ 图 2. 全尾砂平均粒径 118郾 47 滋m,d10 = 44郾 31 滋m, d50 = 111郾 48 滋m,d90 = 200郾 3 滋m,( dx, x = 10, 50, 90,指粒径累计到达 x% 时对应的粒径值). 不均匀 系数 Cu = 2郾 7075,曲率系数 Cc = 1郾 662,级配良好. 硫精矿平均粒径 94郾 902 滋m,d10 = 40郾 88 滋m,d50 = 86郾 62 滋m, d90 = 142郾 73 滋m, 不 均 匀 系 数 Cu = ·10·