金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述_闫保旭.pdf

收稿日期2019-11-29 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801607） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51525402， 51874069， 51761135102） ， 中央高 校基本科研业务费专项（编号 N170108028， N170106003， N180115009， N180101028）， 辽宁省 “兴辽英才计划” 项目（编号 XLYC1802031） 。 作者简介闫保旭 （1992） ， 男， 博士研究生。通讯作者朱万成 （1974） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 523 期 2020 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE 金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述 闫保旭朱万成侯晨魏晨慧 1 （东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要尾矿库失稳和采空区地表沉陷是采矿生产过程的主要伴生灾害， 充填采矿法的运用可同时解决上述 难题。充填体以自流、 泵送或混合输送至地下采场可确保采场围岩体稳定性。其中， 充填体如何与围岩体相互作 用以维持围岩体的稳定性， 是实现充填采矿安全开采的核心问题。从充填体充入采场后受采场条件的影响其自身 发生的硬化机理和如何维持围岩稳定性两方面入手， 重点论述了当前在充填体与围岩体相互作用关系方面国内外 研究现状及其产生的机理， 分析了充填体作为自立型人工矿柱、 充填体与矿柱组合系统对围岩体的承载能力特性， 并对未来重点研究方向进行了总结和展望。研究表明 研究充填体充入采场后与围岩体的相互作用过程， 需充分 理解充填体充入采场后所体现出的多场环境影响下的材料力学行为； 分析充填体的稳定性及其功能， 需要探究其 力学性质的多元信息表征方法， 这是实现对充填体失稳灾害可靠性预警的前提和基础； 充填体充入采场后可对围 岩体产生局部和区域支护作用， 充填体与围岩体的相互作用关系可间接通过充填体的应力分布特征、 变形特征反 演围岩体的活动信息， 充填体可有效控制围岩体的冒顶片帮及其岩爆灾害； 通过监测充填体内部应力等信息， 实现 对岩体活动信息的反演和预测是未来需要研究的重点， 地下采场动力扰动特性对充填体内部应力演化的影响、 充 填体与矿柱组合系统的稳定性和承载特性需要进一步研究， 最终实现对深地充填开采方案的改进和优化， 为深地 矿产资源安全高效开采保驾护航。 关键词金属矿山充填开采充填体应力分布硬化过程矿柱相互作用 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -01-1007-19 DOI10.19614/ki.jsks.202001002 Interaction between Backfill and Rock during Metal Mining A Review Yan BaoxuZhu WanchengHou ChenWei Chenhui2 （School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractThe instability of tailing dam and the surface subsidence of goaf are the associated disasters of mining activi- ties. Application of backfill mining can solve the above problems simultaneously. The prepared backfill materials are transported into the underground stope by gravity flow，pumping or mixing to realize the stability of the surrounding rock mass. Among them，how the backfill interacts with the rock to maintain stability of rock mass and achieve safe mining is the core problem. This paper mainly discusses the progress of current research status from domestic and abroad related two as- pects existing in backfilled stopes，i.e.，the hardening mechanism of backfill in backfilled stope and the interaction with sur- rounding rock mass. The bearing capacity of backfill to surrounding rock mass as a combination system of self-supporting artifi- cial pillar is analyzed，besides that，the key directions in the future is also summarized and discussed. The results show that when analyzing the mechanism of the interaction between backfill and rock mass， it is necessary to understand the mechanical behavior of materials under the influence of multi-field environment； the analysis of the stability of backfill and its function need to explore the multi-ination characterization of its mechanical properties，which is the premise and founda- tion of realizing the reliability early warning of backfill instability disaster； after filling stope， the filling body can produce lo- cal and regional support to the surrounding rock mass，the interaction between backfill and surrounding rock mass can invert the activity ination of surrounding rock mass indirectly through the stress distribution characteristics and deation Series No. 523 January2020 7 ChaoXing 金属矿山总第523期 characteristics of backfill，and it can effectively control the roof collapse and rockburst of surrounding rock mass；based on the monitoring of backfill internal stress and other ination，the inversion and prediction of rock mass activity ination is the focus of future study；it is necessary to further study the influence of the dynamic disturbance characteristics of under- ground stope on the internal stress evolution of backfill， the stability and bearing characteristics of backfill and pillar combina- tion system. Finally， the improvement and optimization of deep backfill mining scheme can be realized， which will protect the safe and efficient mining of deep mineral resources. KeywordsMetal mine， Filling mining， Backfill， Stress distribution， Hardening process， Ore pillar， Interaction 金属矿山开采过程中产生的采空区和大量尾矿 如何处置是当前的研究热点。尾矿处置方面主要有 利用废弃尾砂制备建筑材料 ［1-4］、 利用尾砂吸收大气 中的二氧化碳缓解温室效应 ［5］、 地表堆存［6］和制备成 充填体回填至地下采场 ［7］等。其中， 将尾矿制备成充 填体充入地下采场或采空区不仅有益于环境及其区 域动植物保护 ［8］， 而且可降低开采过程的矿石损失贫 化， 既可为矿山带来显著的经济效益， 又可解决采矿 引起的大量地表沉降问题， 可谓 “一废治两害” ［9］。文 献 ［10］ 汇总了充填体充入采场后所产生的各种作 用， 得出了充填体的功能主要在于能够改善围岩体 的稳定性。然而， 充填采矿过程也会面临新的问题， 例如， 强度需求与充填成本之间如何有效协调可达 最大经济效益， 充填挡墙失稳灾害如何控制， 充填体 自立稳定性 ［11-13］， 充填体作为人工矿柱或顶柱的稳定 性如何保证 ［14-16］等。充填体作为支撑单元， 其支护作 用主要有 第一， 局部支护作用， 对围岩体承载能力、 冒顶、 片帮及岩爆等灾害的控制； 第二， 区域支护作 用， 对区域地表沉降进行控制。 充填采矿技术发展至今， 其应用已经相对成熟， 目前为了追求最大的经济效益， 逐渐向精细化充填 方向发展。针对采场条件的个性化差异， 需因地制 宜制定相应的实施方案 ［17］。因此有必要首要理解充 填体充入采场后的行为及其如何与围岩体相互作 用， 方可实施有效充填， 从而达到精准充填的目标。 针对地下矿山充填开采中的充填体力学作用机 理方面的问题， 近年来， 国内外相关学者分别从沉积 学、 土力学、 岩石力学、 材料力学、 热化水力多 场耦合、 金属矿采矿方法和充填体力学等不同分析 视角， 借助理论分析、 实验测试、 物理测试、 数值模 拟、 现场监测等多种手段， 对采场充填料浆的流动沉 积、 离析分层和固结排水、 水化硬化过程， 采场充填 体与围岩的接触应力成拱分布， 采场充填体稳定性， 充填体围岩组合系统的力学作用机理和地压控制 效果， 采场充填体对区域及地表岩层移动控制等问 题进行了有益探索。本研究基于上述研究成果， 主 要从充填体充入采场后受采场条件影响下的力学特 性演变及其硬化过程中如何与围岩体产生相互作 用， 以维持采场围岩体稳定性的关系入手， 论述充填 体充入采场后所体现出的相互作用力学行为， 为工 程技术人员进行相关工程实践提供理论参考。 1充填体充入采场后的硬化过程 总体上， 充填体制备、 成功运输到采场发挥作用 的过程主要包含三大部分 （图 1） ①充填体制备过 程， 主要问题是充填体的材料性能； ②充填体输送过 程， 主要问题是充填体的流动特性； ③充填体与围岩 体相互作用过程。其中， 对充填体充入采场后硬化 过程的研究是分析充填体如何发挥作用的关键， 该 过程既涉及到充填体自身复杂的物理化学性质， 又 涉及到充填采场周边围岩体的条件， 需要综合考虑。 1. 1充填体分类 矿山用充填体按照胶结与否可分为胶结充填体 和非胶结充填体。胶结充填体主要有膏体、 似膏体、 高水充填、 水砂充填 （全尾砂和分级尾砂） 、 废石胶结 等， 非胶结充填主要有废石充填和水力充填。矿山 充填发展初期， 由于非胶结充填成本较低， 易于分级 和脱水， 得到了广泛应用。但其同时存在着地下巷 道出现大量积水， 且水泥的作用得不到充分发挥， 流 失严重， 使得水泥成本占据充填体的成本高达60～ 70。随着泵送能力的显著提升， 高浓度充填和膏体 充填应势而生， 1979年， 膏体充填首次在德国巴德格 隆德 （Bad Grund） 铅锌矿成功实现， 随后迅速在加拿 大、 澳大利亚、 南非、 美国、 英国、 奥地利、 俄罗斯等国 的金属矿山推广和使用。图 2所示为三大主要充填 体的宏观和微观形态， 从该图可以看出， 膏体颗粒更 加圆滑且在管道输送过程中为满管输送， 不发生离 2020年第1期 8 ChaoXing 闫保旭等 金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述 析、 沉降， 可降低对管道的磨损。图 3所示为截至目 前膏体充填在国内和国际上的发展概况。研究充填 体与围岩体的相互作用过程， 应结合具体的充填体 类型进行分析。 1. 2配合比及其水泥替代材料 De等 ［21］研究表明， 每一以充填采矿为主的矿业 公司年消费水泥高达10万t左右， 占据矿山充填成本 的80以上， 因此很有必要研究水泥替代物来降低矿 山充填成本。针对水泥替代材料， 国内外学者进行了 大量研究工作。主要替代物有粉煤灰 ［22-24］、 高炉矿 渣 ［25-26］、 硅灰［27］、 CH 二水磷石膏［28］、 赤泥［17］、 胶固 粉 ［29］、 改性剂如纤维［30-36］等。研究表明 矿渣活性在 经过磨细和碱激发后， 可形成高强度胶凝材料； 粉煤 灰虽然对充填体的早期强度不利， 但是可改善充填体 的流动性且对后期强度贡献较大； 赤泥能够显著改善 充填体的早期强度； 胶固粉是一种新型的、 具有广阔 前景的胶凝材料， 原因在于其不仅可以改善料浆流动 性， 而且能够使得充填体的早期和后期强度满足要 求， 同时兼备干缩小、 成本低， 抗硫酸盐侵蚀等优点； CH二水磷石膏新型胶凝材料具有不脱水、 早强、 成本 低廉的突出优点， 可实现对废弃物的高效利用； 充填 体中加入纤维可显著改善充填体的抗拉性能， 这对于 在采场内承担以拉破坏为主的充填体十分有利。 因此， 充填体胶凝材料应结合其优势与充填作 用进行选定。研究适合具体采场的围岩体条件， 得 到更适合矿山充填的胶凝材料代替水泥， 既有助于 增加矿山充填料来源， 改善井下充填环境， 提高充填 体力学性能， 又能降低矿山充填成本。因此， 针对不 同采场环境、 不同充填功能选用不同的胶凝材料， 是 精细化充填领域的重要研究内容。 1. 3充填体充入采场后沉降、 固结排水 充填体充入采场后， 在重力作用下， 尾砂颗粒会 发生重新排布， 导致过余的水分通过采场挡墙排出 或在采场上部以泌水的形式形成一定面积的积水。 因此， 尾砂颗粒在采场内部如何运动， 与围岩体几何 形态、 粗糙度以及变形程度有关， 尾砂的粒径分布也 是影响其在采场内重新排布沉积的关键因素 ［37-41］。 此外， 由于充填体中添加胶结剂， 会使得内部产生水 2020年第1期 9 ChaoXing 金属矿山总第523期 化反应， 该过程影响着尾砂颗粒的运动和排布形式， 从 SEM 的扫描结构可以看出这一特征。如图 4 所 示， 随着养护龄期的增大， 水化产物CSH凝胶连 接尾砂颗粒形成簇状结构 ［42］。受沉降固结排水过程 的影响， 充填体从一开始的饱和状态至最终的非饱 和状态， 孔隙水压力从超孔隙水压至负孔隙水压演 化， 该过程涉及到作用于尾砂上的有效应力演化， 进 而影响接续的尾砂运动方式， 形成最终的微观结构 以及强度 ［43-44］。因此， 采用试验、 数值模拟方式再现 不同配比、 不同养护条件及其添加剂等影响下的充 填体充入采场的行为， 有助于更有效地改进充填材 料的设计方案， 优化充填体强度分布和大小 ［45］。 在充填体充入采场后的沉降固结过程理论分析 方面， 相关学者借助于Gibson一维固结理论 ［46］分析 了充填体内部的孔压分布形式， 给出了解析表达 式 ［47］， 并考虑了水泥水化作用对固结程度的影响［48］， 且通过数值模拟工具再现了充填体固结过程中内部 的孔压分布形式 ［37， 43-44， 49-55］。研究表明 充填体内部 的孔压受到采场渗漏边界条件、 充填速率等影响， 分 布形式有所不同， 充填率越大， 内部的孔压相对越 大， 但不会超过自重压力， 渗透边界处的孔压接近0。 此外， 充填体充入采场后， 沉降固结排水过程需 要考虑热流固耦合效应。该方面Ghirian等 ［56-58］从试 验角度得到了充填体在早期凝结过程中在多场条件 下的应力应变行为； Chen等 ［39］通过室内物理模型， 研 究了充填体充入采场后的流动形式， 得到了沉降固 结过程在其内部体现出的分区特征； Fahey等 ［43］、 He- linski等 ［53-55］基于 Gibson固结理论， 提出了表征胶结 充填体中存在沉降固结的理论表达式， 但该式未能 考虑伴随着固结而产生的拱效应； Doherty等 ［44， 50， 59］建 立了充填体沉降固结过程的本构模型， 该模型考虑 了充填体水化过程中渗透系数、 尾砂颗粒间黏聚力 等对孔压分布的影响， 指出胶结充填体在固结过程 中其潜水面位置位于充填体表面下方， 充填体顶部 的孔隙水压力为负值， 并通过澳大利亚 Kanowna Belle矿的原位监测数据进行了验证； Cui等 ［51］建立了 THMC多场耦合下影响充填体固结过程的本构模型。 但要较好地表征胶结充填体的固结问题， 还须研究 二维固结和三维固结的区别问题、 充填采场的渗透 边界条件问题、 固结与充填成拱效应的伴随问题、 水 化反应数学表征问题等。充填料浆的固结系数受水 泥胶结的影响较大， 水泥水化反应导致了料浆自干 燥过程， 该过程使得充填体即使不发生固结也会产 生孔隙水压力降低的现象。 1. 4强度和刚度的演化及其表征方法 充填体最为关键的工业指标当属于其强度和刚 度。影响其特性的主要因素可分为 ［60］ ①外在因素， 包括充填速率与充填方案、 充填采场几何形状、 与围 岩体接触特性、 沉降固结排水特性、 围岩体节理裂隙 发育情况、 相邻采场开采扰动、 围岩体岩温； ②内在 因素， 所有涉及到影响尾砂、 拌合水、 胶结剂的条件， 包括选矿流程、 制备、 输送以及养护过程。图 5所示 为充填体充入采场后其强度和刚度获得机理示意 图， 可以看出， 强度和刚度的获得具有显著的THMC 多场耦合特性。针对充填体强度和刚度的演化， 近 年来， 学者们进行了大量的室内试验 ［22， 39， 60-65］， 但受采 场条件影响， 室内试验和原位取芯所得的强度有所 不同， 如图 6所示。因而如何表征充填体硬化过程， 实现充填体强度的原位实时反馈和在线监测是实现 精准充填的关键。 目前， 表征充填体硬化过程的主要方法是其单 轴抗压强度在不同配比条件、 不同养护样条件、 不同 制备条件下的演化规律。Fall等 ［65］研究了胶结充填 体在单轴和常规三轴作用下其组成成分、 强度、 养护 时间、 侧限压力对变形行为的影响， 认为其应力应变 行为受侧限压力、 养护时间、 组成成分的影响较大， 侧压增加会改变失稳破坏模式、 刚度和强度； Nasir 等 ［67-68］基于FLAC实现了充填体单轴抗压强度受水化 反应影响下的模拟分析， 得出 “大体积充填体受水化 热的影响其强度也较大” 的结论； Galaa等 ［69］认为充填 体强度和刚度的获得受多因素协同控制， 基于水泥 的水化反应、 产生的基质吸力和相对湿度条件， 研究 2020年第1期 10 ChaoXing 闫保旭等 金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述 得出充填体强度演变与P波、 S波具有较强的相关性； Ghirian等 ［56， 58］基于室内圆柱模型试验， 采用表面张力 计、 温度传感器、 振弦式渗压计、 位移传感器、 电导率 传感器实现了对充填体内部力学参数演化的监测， 得到了充填体在多场条件下早期凝结过程中的力学 行为； Fu等 ［70］研究了尾砂胶结充填体的单轴抗压强 度与充填体的固相质量分数、 灰砂比、 养护时间之间 的关系， 认为胶结充填体试样的单轴抗压强度随着 固相质量分数和养护时间的增大而成指数增长， 随 着灰砂比的增大成线性增长， 胶结充填体试样侧限 压力增大， 峰值和残余强度增大， 弹性模量降低； Niroshan等 ［22］基于试验研究发现， 水泥基膏体的弹性 模量和强度随着养护龄期的发展均逐渐增大， 但二 者比值能够保持一定的比例关系； Fang等 ［71］分析了 养护温度及养护龄期对膏体围岩体界面间的剪切 变形和强度的影响， 认为温度对剪切位移和强度有 较大影响， 较高的温度 （35℃） 增强了界面的水化反应 和自干燥效应， 提高了界面间的强度。 相关研究表明 超声波P波与充填体的单轴抗压 强度有较强的相关性， 由于其具有无损检测特性， 可 方便用于间接预测充填体的强度 ［69， 72-75］。充填体受 到水泥水化作用的影响， 其内部发生自干燥效应， 引 起基质体在基质吸力作用下发生自收缩变形， 该过 程与充填体的强度具有相关性。Li等 ［64， 76］得到了含 硫膏体及矿渣基膏体内部基质吸力随着养护龄期的 演化规律， 提出了基质吸力与膏体强度存在着内在 联系， 可间接通过监测膏体的基质吸力预测强度的 发展变化； Thompson等 ［40］基于现场监测结果， 得到了 膏体内受自干燥效应和基质吸力的影响， 其内部的 有效应力在一定范围内逐渐增大， 进而强化了拱效 应的发展， 降低了挡墙的受力； Hou等 ［77］和Yan等［78］ 等通过在充填体内埋光纤光栅得到了内部应变随着 养护龄期的演化规律； Fridjonsson等 ［79］通过 NMR研 究了胶结充填体的孔隙结构随水化反应时间发生的 变化特征， 研究表明， 随着水化反应时间增大， 孔隙 降低且与渗透率成一定比例， 宏观孔隙网控制着渗 2020年第1期 11 ChaoXing 金属矿山总第523期 透率的变化； Zhang等 ［80］基于SEM技术， 研究了胶结 充填体的孔隙结构特性， 认为充填体的孔隙大小、 形 状和方向随着养护龄期的增大发生显著变化， 养护 龄期增大， 孔隙方向从混沌状态到具有明显的方向 性， 孔隙形态更加光滑， 充填体的单轴抗压强度随着 孔隙平均球度的增加近乎线性增大； Liu 等 ［81］基于 NMR和SEM技术研究了膏体内孔隙结构变化与强度 发展的相关性， 研究表明， 单轴抗压强度与孔隙率成 负指数关系， 与孔隙的分形维数成负线性关系； 徐文 彬等 ［82］借助自主设计的电阻同步采集系统以及红外 成像系统， 研究了充填体中的应力应变、 电阻率以 及温度变化规律， 分析了充填体在破坏失稳应力 应变、 电阻率以及热效应异常等方面的前兆特征。 结果表明 充填体的电阻率和热红外信息的时空演 化进程与其压缩变形破坏的整个过程基本相符， 且 具有明显的阶段性； 在整个加载破坏过程中， 观测到 的电阻率前兆信息点要早于热红外前兆点、 应力前 兆点； 与应力应变、 温度变化相比， 电阻率变化规 律具有明显的反对称性； 电阻率变化规律能详细地 表现出充填体受压过程中每个阶段内部结构变化特 征， 热红外信息则主要体现出充填体塑性屈服前表 面结构的温度演化特性。 1. 5充填体硬化过程本构关系 由于采场形状各异， 条件复杂， 因此， 研究充填 体充入采场后与围岩体的相互作用关系， 通过数值 模拟再现充填体的硬化过程， 可进一步理解充填体 充入采场的力学行为。而数值模拟的关键在于其本 构关系如何准确、 合理地建立。 Cui等 ［51， 83-84］提出了考虑热流固耦合效应下力学 特性随养护龄期发展变化的本构模型， 并用Comsol 软件进行了数值分析； Doherty ［44］建立了考虑充填体 内部自收缩应变与基质吸力的本构模型， 用于分析 胶结充填体内部的应力分布形式， 但未考虑养护温 度的影响， 而相关研究表明， 养护温度对基质吸力和 内部应变都有较大的影响 ［64， 78］； Helinski等［53-54］基于 二维有限元分析软件建立了考虑充填体水化过程内 部应力分布形式的本构模型， 该模型考虑了充填率 及其水化过程损伤演化等对充填体内部应力分布的 影响； Nasir等 ［67］通过FLAC软件建立了描述充填体硬 化过程强度分布形式的本构模型； 陈绍杰等 ［85］基于 试验研究得出充填膏体在长期承载下表现出硬化特 性， 其蠕变强度大于单轴抗压强度， 在无扰动、 水侵 蚀作用下， 充填体长期承载发生硬化， 有利于围岩体 长期稳定。然而， 充填体硬化过程本构关系的建立 还需要在如何精确描述材料内部物理化学过程方面 进行深入研究， 尤其是在微观演化机理与宏观强度 响应方面如何对应还需要进一步讨论。 2充填体充入采场后与围岩体相互作用 研究充填体充入采场后与围岩体相互作用时， 充 填体内部应力分布及其时间相关性不容忽视， 原因在 于充填体充入采场后沉降固结排水、 强度获得及微结 构演变存在显著的多场效应和时间效应， 该过程伴随 着其与围岩体相互作用过程中力学性质的转变和演 化发展； 深部围岩体变形发展对充填体内部应力分布 的影响并非瞬时完成， 而是在开挖顺序及高应力、 高 低温条件等因素影响下的逐渐演化。充填体充入采 场后与围岩体的相互作用关系如图7所示。 此外， 充填体作为一种支撑结构体， 充入采场后 即刻与围岩体 （矿柱、 人工矿柱） 发生相互作用。 Brady等 ［86］认为充填体对围岩发挥支护作用的3种形 式包括对卸载岩块的滑移趋势提供侧向压力、 支撑 破碎岩体和原生碎裂岩体、 抵抗采场围岩的闭合， 如 图 8所示。于学馥等 ［87］通过对充填作用机理的研究 得出， 充填体作用主要有应力吸收与转移、 接触支撑 和应力隔离3种。 2. 1充填体与围岩体接触成拱作用 充填体充入采场后， 其与围岩的相互作用关系受 到采场形状、 原岩应力、 围岩温度、 开采条件等影响， 呈现出了应力成拱结构。出现拱效应的原因是由于 充填体内部及与围岩体的摩擦作用， 使得充填体自重 会有一部分向围岩体发生应力转移 ［40， 88-92］。研究充填 体内部应力分布可间接反映围岩体的活动信息， 且充 填挡墙的稳定性与充填体内部应力分布及大小直接 相关。充填挡墙是维持充填料浆于充填采场内的必 2020年第1期 12 ChaoXing 闫保旭等 金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述 要构筑物， 不合理的设计可能发生严重的灾害， 如巷 道淹没、 设备损害、 工人受伤甚至死亡等 ［93］。 拱效应最初由Janssen于1985年提出， 用于分析 粮仓的受力情况。后来由美国土木工程学会主席 Marston ［94］引入土木工程中设计深埋管道， 并提出计 算深埋管道受到上覆土层压力的理论公式。后来由 Terzaghi ［95］进行了修改， 将其应用在评价土体的应力 分布中， 且通过活动门试验证明了拱效应的存在。 加拿大学者Aubertin等 ［89］在美国举行的第三十九届 岩石力学论坛上阐述了充填体中拱效应产生的机 理， 随后Li等 ［96］又通过有限差分程序FLAC直观得到 了充填体内部的应力分布， 研究表明， 由于拱效应的 存在， 充填体在底板处的应力小于自重应力且非均 匀分布。随后， 为建立充填体内部应力分布的解析 表达式， 相关学者运用微分单元法、 离散元法， 考虑 了采场几何形状、 侧压力系数等给出了其内部应力 分布表达式。例如， Li等 ［97］给出了垂直采场充填体 内部的应力分布三维解答； Ting等 ［98-99］提出了可以适 用于任何垂直采场形状的理论表达式； Widisinghe ［100］ 从离散元角度， 假设充填体由大小相同的圆盘拼接 在一起， 得出了 “竖向应力在横截面上呈三角形分 布” 的结论； Singh等 ［101］和Xu等［102］等采用最小主应力 迹线形成的圆弧微分单元分析了充填体内部的应力 分布规律， 考虑了围岩体变形对充填体挤压主被动 模式的影响； Jahanbakhshzadeh等 ［103］研究得到了考虑 采场倾角的平面应变解答； Yan等 ［104］和Deb等［105］研 究了考虑充填采场倾角的三维应力分布理论解答； Ting等 ［92］和Pirapakaran等［90］研发了分析充填体应力 成拱效应的试验装置， 该装置可分析充填体充入采 场时充填速率、 充填体与围岩体界面摩擦力对其应 力分布的影响； Rajeev等 ［106］根据试验数据， 提出了一 个考虑充填体与围岩接触面之间的剪应力公式， 该 公式可反映出剪切应力随着采场深度增加而增大的 现象。 充填体充入采场后与围岩体界面产生的剪切力 与时间和温度具有相关性， 因此不同的养护龄期及 养护条件会产生不同的应力分布， 进而与围岩体产 生不同的相互作用。Yang等 ［107］通过理论分析， 研究 了充填体充入采场初期与围岩体产生的拱效应， 研 究表明， 胶结充填体充入采场后即可视为宾汉姆流 体， 具有一定的初始屈服应力， 也会产生一定程度的 拱效应， 随着充填体的硬化， 其与围岩体的剪应力增 强 ［81， 108］， 进而在充填体内部产生显著的应力成拱效 应， 将充填体的部分自重应力向围岩体内进行转移； Cui等 ［109］通过Comsol模拟了充填体在多场耦合条件 下应力成拱效应随时间的发展变化规律； Liu等 ［110］通 过在充填体与围岩交界面处设置等边三角形的凸台 来代表围岩表面的粗糙度， 研究了围岩表面不同粗 糙度对充填体应力分布的影响规律， 认为当围岩表 面过于粗糙时， 交界面的内摩擦角对应力分布的影 响较小； Fang等 ［71， 111］分别从界面含硫及养护温度角 度讨论了含硫和养护温度对界面剪切特性的影响， 结果表明 养护初期 （1 d左右） 含硫弱化了界面摩擦 力， 而养护7 d时， 含硫量可增大或降低界面摩擦力； 养护温度有利于增大界面摩擦力， 但在长期高温养 护下 （35， 大于28 d） ， 会弱化界面的摩擦力， 从而对 充填体内部的应力分布产生影响。 2020年第1期 13 ChaoXing 2. 2充填体作为人工假顶或自立型人工矿柱的稳 定性 2. 2. 1充填体人工假顶的稳定性 在上向充填采矿或回收大量顶柱时， 通常用充 填体作为人工假顶提供后续的安全作业空间。人工 假顶的稳定性是其中的关键性问题， 对此， 学者们通 过现场测量、 室内试验、 理论分析和数值模拟相结合 的手段进行了系统分析。在现场测量方面， 美国幸 运星期五矿 （Lucky Friday Mine） 通过安设围岩体变形 收敛计来测量围岩体变形对充填体的挤压行为， 进 而优化开采方案， 避免充填体发生失稳破坏 ［15］， 如图 9所示。 Mitchell ［112］通过建立物理离心试验模型， 研究了 充填体作为人工假顶时可能发生的破坏模式， 并给 出了4种可能发生破坏模式下的经验公式， 如表1所 示。Souza等 ［113］通过离心试验， 采用理论分析和数值 模拟相结合的方法对比分析了充填体作为人工假顶 的稳定性， 研究表明， 离心试验得到的结果中1 3～ 1 2为滑动剪切破坏， 而数值模拟结果表明在下盘围 岩处通常会发生转动破坏。Caceres等 ［114］用经典的 弹性梁理论及数值模拟方法研究了充填体作为人工 假顶时， 受下部采场开采扰动引发失稳破坏的条件， 得到了 Mitchell给出人工假顶发生弯曲破坏公式的 适用范围为宽高比大于8～10， 作者进一步指出， 典型 矿山顶柱宽高比通常小于8， 因此有必要从理论上给 出该范围内顶柱失稳破坏的计算公式。此外， Sobhi 等 ［115］及 Pag等［16］分别通过数值模拟研究了下部采 场开挖对上部采场充填体及其人工假顶应力分布的 影响， 结果显示， 下部采场开挖会引起围岩进一步发 生变形， 导致上部采场充填体及人工水平矿柱内的 水平应力都会增大。 2. 2. 2充填体作为自立型人工矿柱的稳定性 二步开采中， 充填体作为自立型人工矿柱来替 换回收一步开采预留的矿柱， 在回收矿柱过程中如 何能够避免充填体暴露面过大而导致失稳是关键所 在， 因为充填体失稳可导致回收矿柱过程中矿石损 失、 贫化增大。因此， 回收矿柱需在保证充填体稳定 性的前提下进行。充填体作为自立型人工矿柱受开 挖暴露及其动力扰动影响如图 10 （a） 所示， Darlot gold 矿充填体受到爆破扰动后发生失稳破坏的激光 扫描结果如图 10 （b） 所示 ［11， 116］。 近年来， 学者们运用了理论分析、 数值模拟和室 内试验相结合的手段对充填体自立稳定性进行了研 究。对于室内试验， 最初由Mitchell等 ［117-120］设计了不 同尺寸的相似模型试验， 分析了充填体自立时发生失 稳破坏的条件， 并根据试验结果提出了三维受限块体 理论模型。图 11所示为其室内试验结果及理论模型。 该模型一直被工程设计人员用于预估充填体所 需的强度， 并且成功应用于很多矿山 ［7， 121-123］， 在很大 程度上降低了充填体胶结剂的使用量。Zhu ［124］总结 的影响充填体自立稳定临界高度的因素主要包括充 填体与围岩体的弹性模量、 充填体泊松比、 充填体密 度等。随着充填体弹性模量的增大， 临界暴露高度 可增大， 随着围岩弹性模量增大， 临界暴露高度降 低； 随着充填体泊松比增大， 临界高度增大； 充填体 密度增大会导致临界高度降低， 因此设计者应考虑 采用密度较小的材料来增加其自立稳定性。Dirige 金属矿山总第523期 注L为人工顶柱的宽度， m；γ为人工顶柱的密度， kg/m3；σt、σc分 别为人工顶柱的抗拉强度和抗压强度， Pa；σv为人工顶柱的顶部承受 的竖向应力， Pa；d为人工顶柱的竖向高度， m；τs为人工顶柱与围岩体 界面间的剪应力， Pa；β为围岩体上盘或下盘倾角，（） 。 2020年第1期 14 ChaoXing 等 ［125］研究了相邻充填采场中间矿柱的开挖， 提出了 考虑充填采场在不同倾角下充填体保持自立稳定性 时所需内聚力的解析方法， 其理论模型如图12所示。 研究表明 充填体作为滑移块体， 除了受到充填体内 部失稳滑移面间的摩擦阻力之外， 还受到下盘围岩 体对滑移块体的摩擦阻力。由于采场倾角的存在， 上盘围岩体对滑移块体的摩擦阻力较弱。 Helinski等 ［126］用可靠度理论和数值模拟方法研 究了充填体具有暴露面时保持稳定性的概率， 得出 了 Mitchell楔体极限平衡分析法与数值模拟解答存 在差异的原因， 给出了运用楔体极限平衡理论解时， 安全系数的修正值应为1.44； Deng ［127］也用可靠度理 论推导了充填体稳定性的解答； Li等 ［121-123］通过分析 楔形块体滑移面的位置以及充填体中含有巷道等因 素， 较全面地分析了充填体的自立稳定性； Nanthan-