閆保旭 朱萬(wàn)成 侯 晨 魏晨慧

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

金屬礦山開采過(guò)程中產(chǎn)生的采空區(qū)和大量尾礦如何處置是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。尾礦處置方面主要有利用廢棄尾砂制備建筑材料［1-4］、利用尾砂吸收大氣中的二氧化碳緩解溫室效應(yīng)［5］、地表堆存［6］和制備成充填體回填至地下采場(chǎng)［7］等。其中，將尾礦制備成充填體充入地下采場(chǎng)或采空區(qū)不僅有益于環(huán)境及其區(qū)域動(dòng)植物保護(hù)［8］，而且可降低開采過(guò)程的礦石損失貧化，既可為礦山帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又可解決采礦引起的大量地表沉降問(wèn)題，可謂“一廢治兩害”［9］。文獻(xiàn)［10］匯總了充填體充入采場(chǎng)后所產(chǎn)生的各種作用，得出了充填體的功能主要在于能夠改善圍巖體的穩(wěn)定性。然而，充填采礦過(guò)程也會(huì)面臨新的問(wèn)題，例如，強(qiáng)度需求與充填成本之間如何有效協(xié)調(diào)可達(dá)最大經(jīng)濟(jì)效益，充填擋墻失穩(wěn)災(zāi)害如何控制，充填體自立穩(wěn)定性［11-13］，充填體作為人工礦柱或頂柱的穩(wěn)定性如何保證［14-16］等。充填體作為支撐單元，其支護(hù)作用主要有：第一，局部支護(hù)作用，對(duì)圍巖體承載能力、冒頂、片幫及巖爆等災(zāi)害的控制；第二，區(qū)域支護(hù)作用，對(duì)區(qū)域地表沉降進(jìn)行控制。

充填采礦技術(shù)發(fā)展至今，其應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，目前為了追求最大的經(jīng)濟(jì)效益，逐漸向精細(xì)化充填方向發(fā)展。針對(duì)采場(chǎng)條件的個(gè)性化差異，需因地制宜制定相應(yīng)的實(shí)施方案［17］。因此有必要首要理解充填體充入采場(chǎng)后的行為及其如何與圍巖體相互作用，方可實(shí)施有效充填，從而達(dá)到精準(zhǔn)充填的目標(biāo)。

針對(duì)地下礦山充填開采中的充填體力學(xué)作用機(jī)理方面的問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者分別從沉積學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、材料力學(xué)、熱—化—水—力多場(chǎng)耦合、金屬礦采礦方法和充填體力學(xué)等不同分析視角，借助理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、物理測(cè)試、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種手段，對(duì)采場(chǎng)充填料漿的流動(dòng)沉積、離析分層和固結(jié)排水、水化硬化過(guò)程，采場(chǎng)充填體與圍巖的接觸應(yīng)力成拱分布，采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性，充填體—圍巖組合系統(tǒng)的力學(xué)作用機(jī)理和地壓控制效果，采場(chǎng)充填體對(duì)區(qū)域及地表巖層移動(dòng)控制等問(wèn)題進(jìn)行了有益探索。本研究基于上述研究成果，主要從充填體充入采場(chǎng)后受采場(chǎng)條件影響下的力學(xué)特性演變及其硬化過(guò)程中如何與圍巖體產(chǎn)生相互作用，以維持采場(chǎng)圍巖體穩(wěn)定性的關(guān)系入手，論述充填體充入采場(chǎng)后所體現(xiàn)出的相互作用力學(xué)行為，為工程技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)工程實(shí)踐提供理論參考。

1 充填體充入采場(chǎng)后的硬化過(guò)程

總體上，充填體制備、成功運(yùn)輸?shù)讲蓤?chǎng)發(fā)揮作用的過(guò)程主要包含三大部分（圖1）：①充填體制備過(guò)程，主要問(wèn)題是充填體的材料性能；②充填體輸送過(guò)程，主要問(wèn)題是充填體的流動(dòng)特性；③充填體與圍巖體相互作用過(guò)程。其中，對(duì)充填體充入采場(chǎng)后硬化過(guò)程的研究是分析充填體如何發(fā)揮作用的關(guān)鍵，該過(guò)程既涉及到充填體自身復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)，又涉及到充填采場(chǎng)周邊圍巖體的條件，需要綜合考慮。

1.1 充填體分類

礦山用充填體按照膠結(jié)與否可分為膠結(jié)充填體和非膠結(jié)充填體。膠結(jié)充填體主要有膏體、似膏體、高水充填、水砂充填（全尾砂和分級(jí)尾砂）、廢石膠結(jié)等，非膠結(jié)充填主要有廢石充填和水力充填。礦山充填發(fā)展初期，由于非膠結(jié)充填成本較低，易于分級(jí)和脫水，得到了廣泛應(yīng)用。但其同時(shí)存在著地下巷道出現(xiàn)大量積水，且水泥的作用得不到充分發(fā)揮，流失嚴(yán)重，使得水泥成本占據(jù)充填體的成本高達(dá)60%～70%。隨著泵送能力的顯著提升，高濃度充填和膏體充填應(yīng)勢(shì)而生，1979 年，膏體充填首次在德國(guó)巴德格隆德（Bad Grund）鉛鋅礦成功實(shí)現(xiàn)，隨后迅速在加拿大、澳大利亞、南非、美國(guó)、英國(guó)、奧地利、俄羅斯等國(guó)的金屬礦山推廣和使用。圖2 所示為三大主要充填體的宏觀和微觀形態(tài)，從該圖可以看出，膏體顆粒更加圓滑且在管道輸送過(guò)程中為滿管輸送，不發(fā)生離析、沉降，可降低對(duì)管道的磨損。圖3 所示為截至目前膏體充填在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的發(fā)展概況。研究充填體與圍巖體的相互作用過(guò)程，應(yīng)結(jié)合具體的充填體類型進(jìn)行分析。

1.2 配合比及其水泥替代材料

De 等［21］研究表明，每一以充填采礦為主的礦業(yè)公司年消費(fèi)水泥高達(dá)10萬(wàn)t左右，占據(jù)礦山充填成本的80%以上，因此很有必要研究水泥替代物來(lái)降低礦山充填成本。針對(duì)水泥替代材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。主要替代物有粉煤灰［22-24］、高爐礦渣［25-26］、硅 灰［27］、CH 二 水 磷 石 膏［28］、赤 泥［17］、膠 固粉［29］、改性劑如纖維［30-36］等。研究表明：礦渣活性在經(jīng)過(guò)磨細(xì)和堿激發(fā)后，可形成高強(qiáng)度膠凝材料；粉煤灰雖然對(duì)充填體的早期強(qiáng)度不利，但是可改善充填體的流動(dòng)性且對(duì)后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大；赤泥能夠顯著改善充填體的早期強(qiáng)度；膠固粉是一種新型的、具有廣闊前景的膠凝材料，原因在于其不僅可以改善料漿流動(dòng)性，而且能夠使得充填體的早期和后期強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)兼?zhèn)涓煽s小、成本低，抗硫酸鹽侵蝕等優(yōu)點(diǎn)；CH二水磷石膏新型膠凝材料具有不脫水、早強(qiáng)、成本低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄物的高效利用；充填體中加入纖維可顯著改善充填體的抗拉性能，這對(duì)于在采場(chǎng)內(nèi)承擔(dān)以拉破壞為主的充填體十分有利。

因此，充填體膠凝材料應(yīng)結(jié)合其優(yōu)勢(shì)與充填作用進(jìn)行選定。研究適合具體采場(chǎng)的圍巖體條件，得到更適合礦山充填的膠凝材料代替水泥，既有助于增加礦山充填料來(lái)源，改善井下充填環(huán)境，提高充填體力學(xué)性能，又能降低礦山充填成本。因此，針對(duì)不同采場(chǎng)環(huán)境、不同充填功能選用不同的膠凝材料，是精細(xì)化充填領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

1.3 充填體充入采場(chǎng)后沉降、固結(jié)排水

充填體充入采場(chǎng)后，在重力作用下，尾砂顆粒會(huì)發(fā)生重新排布，導(dǎo)致過(guò)余的水分通過(guò)采場(chǎng)擋墻排出或在采場(chǎng)上部以泌水的形式形成一定面積的積水。因此，尾砂顆粒在采場(chǎng)內(nèi)部如何運(yùn)動(dòng)，與圍巖體幾何形態(tài)、粗糙度以及變形程度有關(guān)，尾砂的粒徑分布也是影響其在采場(chǎng)內(nèi)重新排布沉積的關(guān)鍵因素［37-41］。此外，由于充填體中添加膠結(jié)劑，會(huì)使得內(nèi)部產(chǎn)生水化反應(yīng)，該過(guò)程影響著尾砂顆粒的運(yùn)動(dòng)和排布形式，從SEM 的掃描結(jié)構(gòu)可以看出這一特征。如圖4 所示，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，水化產(chǎn)物C—S—H 凝膠連接尾砂顆粒形成簇狀結(jié)構(gòu)［42］。受沉降固結(jié)排水過(guò)程的影響，充填體從一開始的飽和狀態(tài)至最終的非飽和狀態(tài)，孔隙水壓力從超孔隙水壓至負(fù)孔隙水壓演化，該過(guò)程涉及到作用于尾砂上的有效應(yīng)力演化，進(jìn)而影響接續(xù)的尾砂運(yùn)動(dòng)方式，形成最終的微觀結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度［43-44］。因此，采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬方式再現(xiàn)不同配比、不同養(yǎng)護(hù)條件及其添加劑等影響下的充填體充入采場(chǎng)的行為，有助于更有效地改進(jìn)充填材料的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化充填體強(qiáng)度分布和大?。?5］。

在充填體充入采場(chǎng)后的沉降固結(jié)過(guò)程理論分析方面，相關(guān)學(xué)者借助于Gibson 一維固結(jié)理論［46］分析了充填體內(nèi)部的孔壓分布形式，給出了解析表達(dá)式［47］，并考慮了水泥水化作用對(duì)固結(jié)程度的影響［48］，且通過(guò)數(shù)值模擬工具再現(xiàn)了充填體固結(jié)過(guò)程中內(nèi)部的孔壓分布形式［37，43-44，49-55］。研究表明：充填體內(nèi)部的孔壓受到采場(chǎng)滲漏邊界條件、充填速率等影響，分布形式有所不同，充填率越大，內(nèi)部的孔壓相對(duì)越大，但不會(huì)超過(guò)自重壓力，滲透邊界處的孔壓接近0。

此外，充填體充入采場(chǎng)后，沉降固結(jié)排水過(guò)程需要考慮熱流固耦合效應(yīng)。該方面Ghirian 等［56-58］從試驗(yàn)角度得到了充填體在早期凝結(jié)過(guò)程中在多場(chǎng)條件下的應(yīng)力應(yīng)變行為；Chen 等［39］通過(guò)室內(nèi)物理模型，研究了充填體充入采場(chǎng)后的流動(dòng)形式，得到了沉降固結(jié)過(guò)程在其內(nèi)部體現(xiàn)出的分區(qū)特征；Fahey等［43］、Helinski 等［53-55］基于Gibson 固結(jié)理論，提出了表征膠結(jié)充填體中存在沉降固結(jié)的理論表達(dá)式，但該式未能考慮伴隨著固結(jié)而產(chǎn)生的拱效應(yīng)；Doherty等［44，50，59］建立了充填體沉降固結(jié)過(guò)程的本構(gòu)模型，該模型考慮了充填體水化過(guò)程中滲透系數(shù)、尾砂顆粒間黏聚力等對(duì)孔壓分布的影響，指出膠結(jié)充填體在固結(jié)過(guò)程中其潛水面位置位于充填體表面下方，充填體頂部的孔隙水壓力為負(fù)值，并通過(guò)澳大利亞Kanowna Belle 礦的原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證；Cui等［51］建立了THMC 多場(chǎng)耦合下影響充填體固結(jié)過(guò)程的本構(gòu)模型。但要較好地表征膠結(jié)充填體的固結(jié)問(wèn)題，還須研究二維固結(jié)和三維固結(jié)的區(qū)別問(wèn)題、充填采場(chǎng)的滲透邊界條件問(wèn)題、固結(jié)與充填成拱效應(yīng)的伴隨問(wèn)題、水化反應(yīng)數(shù)學(xué)表征問(wèn)題等。充填料漿的固結(jié)系數(shù)受水泥膠結(jié)的影響較大，水泥水化反應(yīng)導(dǎo)致了料漿自干燥過(guò)程，該過(guò)程使得充填體即使不發(fā)生固結(jié)也會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力降低的現(xiàn)象。

1.4 強(qiáng)度和剛度的演化及其表征方法

充填體最為關(guān)鍵的工業(yè)指標(biāo)當(dāng)屬于其強(qiáng)度和剛度。影響其特性的主要因素可分為［60］：①外在因素，包括充填速率與充填方案、充填采場(chǎng)幾何形狀、與圍巖體接觸特性、沉降固結(jié)排水特性、圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況、相鄰采場(chǎng)開采擾動(dòng)、圍巖體巖溫；②內(nèi)在因素，所有涉及到影響尾砂、拌合水、膠結(jié)劑的條件，包括選礦流程、制備、輸送以及養(yǎng)護(hù)過(guò)程。圖5 所示為充填體充入采場(chǎng)后其強(qiáng)度和剛度獲得機(jī)理示意圖，可以看出，強(qiáng)度和剛度的獲得具有顯著的THMC多場(chǎng)耦合特性。針對(duì)充填體強(qiáng)度和剛度的演化，近年來(lái)，學(xué)者們進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)［22，39，60-65］，但受采場(chǎng)條件影響，室內(nèi)試驗(yàn)和原位取芯所得的強(qiáng)度有所不同，如圖6 所示。因而如何表征充填體硬化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)充填體強(qiáng)度的原位實(shí)時(shí)反饋和在線監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)充填的關(guān)鍵。

目前，表征充填體硬化過(guò)程的主要方法是其單軸抗壓強(qiáng)度在不同配比條件、不同養(yǎng)護(hù)樣條件、不同制備條件下的演化規(guī)律。Fall 等［65］研究了膠結(jié)充填體在單軸和常規(guī)三軸作用下其組成成分、強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、側(cè)限壓力對(duì)變形行為的影響，認(rèn)為其應(yīng)力應(yīng)變行為受側(cè)限壓力、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、組成成分的影響較大，側(cè)壓增加會(huì)改變失穩(wěn)破壞模式、剛度和強(qiáng)度；Nasir等［67-68］基于FLAC實(shí)現(xiàn)了充填體單軸抗壓強(qiáng)度受水化反應(yīng)影響下的模擬分析，得出“大體積充填體受水化熱的影響其強(qiáng)度也較大”的結(jié)論；Galaa等［69］認(rèn)為充填體強(qiáng)度和剛度的獲得受多因素協(xié)同控制，基于水泥的水化反應(yīng)、產(chǎn)生的基質(zhì)吸力和相對(duì)濕度條件，研究得出充填體強(qiáng)度演變與P波、S波具有較強(qiáng)的相關(guān)性；Ghirian等［56，58］基于室內(nèi)圓柱模型試驗(yàn)，采用表面張力計(jì)、溫度傳感器、振弦式滲壓計(jì)、位移傳感器、電導(dǎo)率傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)充填體內(nèi)部力學(xué)參數(shù)演化的監(jiān)測(cè)，得到了充填體在多場(chǎng)條件下早期凝結(jié)過(guò)程中的力學(xué)行為；Fu 等［70］研究了尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度與充填體的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰砂比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系，認(rèn)為膠結(jié)充填體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大而成指數(shù)增長(zhǎng)，隨著灰砂比的增大成線性增長(zhǎng)，膠結(jié)充填體試樣側(cè)限壓力增大，峰值和殘余強(qiáng)度增大，彈性模量降低；Niroshan 等［22］基于試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水泥基膏體的彈性模量和強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展均逐漸增大，但二者比值能夠保持一定的比例關(guān)系；Fang 等［71］分析了養(yǎng)護(hù)溫度及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)膏體—圍巖體界面間的剪切變形和強(qiáng)度的影響，認(rèn)為溫度對(duì)剪切位移和強(qiáng)度有較大影響，較高的溫度（35℃）增強(qiáng)了界面的水化反應(yīng)和自干燥效應(yīng)，提高了界面間的強(qiáng)度。

相關(guān)研究表明：超聲波P波與充填體的單軸抗壓強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)性，由于其具有無(wú)損檢測(cè)特性，可方便用于間接預(yù)測(cè)充填體的強(qiáng)度［69，72-75］。充填體受到水泥水化作用的影響，其內(nèi)部發(fā)生自干燥效應(yīng)，引起基質(zhì)體在基質(zhì)吸力作用下發(fā)生自收縮變形，該過(guò)程與充填體的強(qiáng)度具有相關(guān)性。Li 等［64，76］得到了含硫膏體及礦渣基膏體內(nèi)部基質(zhì)吸力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的演化規(guī)律，提出了基質(zhì)吸力與膏體強(qiáng)度存在著內(nèi)在聯(lián)系，可間接通過(guò)監(jiān)測(cè)膏體的基質(zhì)吸力預(yù)測(cè)強(qiáng)度的發(fā)展變化；Thompson 等［40］基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到了膏體內(nèi)受自干燥效應(yīng)和基質(zhì)吸力的影響，其內(nèi)部的有效應(yīng)力在一定范圍內(nèi)逐漸增大，進(jìn)而強(qiáng)化了拱效應(yīng)的發(fā)展，降低了擋墻的受力；Hou 等［77］和Yan 等［78］等通過(guò)在充填體內(nèi)埋光纖光柵得到了內(nèi)部應(yīng)變隨著養(yǎng)護(hù)齡期的演化規(guī)律；Fridjonsson 等［79］通過(guò)NMR 研究了膠結(jié)充填體的孔隙結(jié)構(gòu)隨水化反應(yīng)時(shí)間發(fā)生的變化特征，研究表明，隨著水化反應(yīng)時(shí)間增大，孔隙降低且與滲透率成一定比例，宏觀孔隙網(wǎng)控制著滲透率的變化；Zhang 等［80］基于SEM 技術(shù)，研究了膠結(jié)充填體的孔隙結(jié)構(gòu)特性，認(rèn)為充填體的孔隙大小、形狀和方向隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大發(fā)生顯著變化，養(yǎng)護(hù)齡期增大，孔隙方向從混沌狀態(tài)到具有明顯的方向性，孔隙形態(tài)更加光滑，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著孔隙平均球度的增加近乎線性增大；Liu 等［81］基于NMR和SEM技術(shù)研究了膏體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)變化與強(qiáng)度發(fā)展的相關(guān)性，研究表明，單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙率成負(fù)指數(shù)關(guān)系，與孔隙的分形維數(shù)成負(fù)線性關(guān)系；徐文彬等［82］借助自主設(shè)計(jì)的電阻同步采集系統(tǒng)以及紅外成像系統(tǒng)，研究了充填體中的應(yīng)力—應(yīng)變、電阻率以及溫度變化規(guī)律，分析了充填體在破壞失穩(wěn)應(yīng)力—應(yīng)變、電阻率以及熱效應(yīng)異常等方面的前兆特征。結(jié)果表明：充填體的電阻率和熱紅外信息的時(shí)空演化進(jìn)程與其壓縮變形破壞的整個(gè)過(guò)程基本相符，且具有明顯的階段性；在整個(gè)加載破壞過(guò)程中，觀測(cè)到的電阻率前兆信息點(diǎn)要早于熱紅外前兆點(diǎn)、應(yīng)力前兆點(diǎn)；與應(yīng)力—應(yīng)變、溫度變化相比，電阻率變化規(guī)律具有明顯的反對(duì)稱性；電阻率變化規(guī)律能詳細(xì)地表現(xiàn)出充填體受壓過(guò)程中每個(gè)階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特征，熱紅外信息則主要體現(xiàn)出充填體塑性屈服前表面結(jié)構(gòu)的溫度演化特性。

1.5 充填體硬化過(guò)程本構(gòu)關(guān)系

由于采場(chǎng)形狀各異，條件復(fù)雜，因此，研究充填體充入采場(chǎng)后與圍巖體的相互作用關(guān)系，通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)充填體的硬化過(guò)程，可進(jìn)一步理解充填體充入采場(chǎng)的力學(xué)行為。而數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于其本構(gòu)關(guān)系如何準(zhǔn)確、合理地建立。

Cui 等［51，83-84］提出了考慮熱流固耦合效應(yīng)下力學(xué)特性隨養(yǎng)護(hù)齡期發(fā)展變化的本構(gòu)模型，并用Comsol軟件進(jìn)行了數(shù)值分析；Doherty［44］建立了考慮充填體內(nèi)部自收縮應(yīng)變與基質(zhì)吸力的本構(gòu)模型，用于分析膠結(jié)充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布形式，但未考慮養(yǎng)護(hù)溫度的影響，而相關(guān)研究表明，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)基質(zhì)吸力和內(nèi)部應(yīng)變都有較大的影響［64，78］；Helinski 等［53-54］基于二維有限元分析軟件建立了考慮充填體水化過(guò)程內(nèi)部應(yīng)力分布形式的本構(gòu)模型，該模型考慮了充填率及其水化過(guò)程損傷演化等對(duì)充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響；Nasir等［67］通過(guò)FLAC軟件建立了描述充填體硬化過(guò)程強(qiáng)度分布形式的本構(gòu)模型；陳紹杰等［85］基于試驗(yàn)研究得出充填膏體在長(zhǎng)期承載下表現(xiàn)出硬化特性，其蠕變強(qiáng)度大于單軸抗壓強(qiáng)度，在無(wú)擾動(dòng)、水侵蝕作用下，充填體長(zhǎng)期承載發(fā)生硬化，有利于圍巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定。然而，充填體硬化過(guò)程本構(gòu)關(guān)系的建立還需要在如何精確描述材料內(nèi)部物理化學(xué)過(guò)程方面進(jìn)行深入研究，尤其是在微觀演化機(jī)理與宏觀強(qiáng)度響應(yīng)方面如何對(duì)應(yīng)還需要進(jìn)一步討論。

2 充填體充入采場(chǎng)后與圍巖體相互作用

研究充填體充入采場(chǎng)后與圍巖體相互作用時(shí)，充填體內(nèi)部應(yīng)力分布及其時(shí)間相關(guān)性不容忽視，原因在于充填體充入采場(chǎng)后沉降固結(jié)排水、強(qiáng)度獲得及微結(jié)構(gòu)演變存在顯著的多場(chǎng)效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，該過(guò)程伴隨著其與圍巖體相互作用過(guò)程中力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變和演化發(fā)展；深部圍巖體變形發(fā)展對(duì)充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響并非瞬時(shí)完成，而是在開挖順序及高應(yīng)力、高低溫條件等因素影響下的逐漸演化。充填體充入采場(chǎng)后與圍巖體的相互作用關(guān)系如圖7所示。

此外，充填體作為一種支撐結(jié)構(gòu)體，充入采場(chǎng)后即刻與圍巖體（礦柱、人工礦柱）發(fā)生相互作用。Brady等［86］認(rèn)為充填體對(duì)圍巖發(fā)揮支護(hù)作用的3種形式包括對(duì)卸載巖塊的滑移趨勢(shì)提供側(cè)向壓力、支撐破碎巖體和原生碎裂巖體、抵抗采場(chǎng)圍巖的閉合，如圖8 所示。于學(xué)馥等［87］通過(guò)對(duì)充填作用機(jī)理的研究得出，充填體作用主要有應(yīng)力吸收與轉(zhuǎn)移、接觸支撐和應(yīng)力隔離3種。

2.1 充填體與圍巖體接觸成拱作用

充填體充入采場(chǎng)后，其與圍巖的相互作用關(guān)系受到采場(chǎng)形狀、原巖應(yīng)力、圍巖溫度、開采條件等影響，呈現(xiàn)出了應(yīng)力成拱結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)拱效應(yīng)的原因是由于充填體內(nèi)部及與圍巖體的摩擦作用，使得充填體自重會(huì)有一部分向圍巖體發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移［40，88-92］。研究充填體內(nèi)部應(yīng)力分布可間接反映圍巖體的活動(dòng)信息，且充填擋墻的穩(wěn)定性與充填體內(nèi)部應(yīng)力分布及大小直接相關(guān)。充填擋墻是維持充填料漿于充填采場(chǎng)內(nèi)的必要構(gòu)筑物，不合理的設(shè)計(jì)可能發(fā)生嚴(yán)重的災(zāi)害，如巷道淹沒(méi)、設(shè)備損害、工人受傷甚至死亡等［93］。

拱效應(yīng)最初由Janssen 于1985 年提出，用于分析糧倉(cāng)的受力情況。后來(lái)由美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)主席Marston［94］引入土木工程中設(shè)計(jì)深埋管道，并提出計(jì)算深埋管道受到上覆土層壓力的理論公式。后來(lái)由Terzaghi［95］進(jìn)行了修改，將其應(yīng)用在評(píng)價(jià)土體的應(yīng)力分布中，且通過(guò)活動(dòng)門試驗(yàn)證明了拱效應(yīng)的存在。加拿大學(xué)者Aubertin 等［89］在美國(guó)舉行的第三十九屆巖石力學(xué)論壇上闡述了充填體中拱效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，隨后Li等［96］又通過(guò)有限差分程序FLAC 直觀得到了充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布，研究表明，由于拱效應(yīng)的存在，充填體在底板處的應(yīng)力小于自重應(yīng)力且非均勻分布。隨后，為建立充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的解析表達(dá)式，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用微分單元法、離散元法，考慮了采場(chǎng)幾何形狀、側(cè)壓力系數(shù)等給出了其內(nèi)部應(yīng)力分布表達(dá)式。例如，Li 等［97］給出了垂直采場(chǎng)充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布三維解答；Ting 等［98-99］提出了可以適用于任何垂直采場(chǎng)形狀的理論表達(dá)式；Widisinghe［100］從離散元角度，假設(shè)充填體由大小相同的圓盤拼接在一起，得出了“豎向應(yīng)力在橫截面上呈三角形分布”的結(jié)論；Singh等［101］和Xu等［102］等采用最小主應(yīng)力跡線形成的圓弧微分單元分析了充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律，考慮了圍巖體變形對(duì)充填體擠壓主被動(dòng)模式的影響；Jahanbakhshzadeh 等［103］研究得到了考慮采場(chǎng)傾角的平面應(yīng)變解答；Yan 等［104］和Deb 等［105］研究了考慮充填采場(chǎng)傾角的三維應(yīng)力分布理論解答；Ting 等［92］和Pirapakaran 等［90］研發(fā)了分析充填體應(yīng)力成拱效應(yīng)的試驗(yàn)裝置，該裝置可分析充填體充入采場(chǎng)時(shí)充填速率、充填體與圍巖體界面摩擦力對(duì)其應(yīng)力分布的影響；Rajeev 等［106］根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)考慮充填體與圍巖接觸面之間的剪應(yīng)力公式，該公式可反映出剪切應(yīng)力隨著采場(chǎng)深度增加而增大的現(xiàn)象。

充填體充入采場(chǎng)后與圍巖體界面產(chǎn)生的剪切力與時(shí)間和溫度具有相關(guān)性，因此不同的養(yǎng)護(hù)齡期及養(yǎng)護(hù)條件會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，進(jìn)而與圍巖體產(chǎn)生不同的相互作用。Yang 等［107］通過(guò)理論分析，研究了充填體充入采場(chǎng)初期與圍巖體產(chǎn)生的拱效應(yīng)，研究表明，膠結(jié)充填體充入采場(chǎng)后即可視為賓漢姆流體，具有一定的初始屈服應(yīng)力，也會(huì)產(chǎn)生一定程度的拱效應(yīng)，隨著充填體的硬化，其與圍巖體的剪應(yīng)力增強(qiáng)［81，108］，進(jìn)而在充填體內(nèi)部產(chǎn)生顯著的應(yīng)力成拱效應(yīng)，將充填體的部分自重應(yīng)力向圍巖體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移；Cui 等［109］通過(guò)Comsol 模擬了充填體在多場(chǎng)耦合條件下應(yīng)力成拱效應(yīng)隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律；Liu等［110］通過(guò)在充填體與圍巖交界面處設(shè)置等邊三角形的凸臺(tái)來(lái)代表圍巖表面的粗糙度，研究了圍巖表面不同粗糙度對(duì)充填體應(yīng)力分布的影響規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)圍巖表面過(guò)于粗糙時(shí)，交界面的內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)力分布的影響較??；Fang 等［71，111］分別從界面含硫及養(yǎng)護(hù)溫度角度討論了含硫和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)界面剪切特性的影響，結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)初期（1 d 左右）含硫弱化了界面摩擦力，而養(yǎng)護(hù)7 d 時(shí)，含硫量可增大或降低界面摩擦力；養(yǎng)護(hù)溫度有利于增大界面摩擦力，但在長(zhǎng)期高溫養(yǎng)護(hù)下（35°，大于28 d），會(huì)弱化界面的摩擦力，從而對(duì)充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。

2.2 充填體作為人工假頂或自立型人工礦柱的穩(wěn)定性

2.2.1 充填體人工假頂?shù)姆€(wěn)定性

在上向充填采礦或回收大量頂柱時(shí)，通常用充填體作為人工假頂提供后續(xù)的安全作業(yè)空間。人工假頂?shù)姆€(wěn)定性是其中的關(guān)鍵性問(wèn)題，對(duì)此，學(xué)者們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方面，美國(guó)幸運(yùn)星期五礦（Lucky Friday Mine）通過(guò)安設(shè)圍巖體變形收斂計(jì)來(lái)測(cè)量圍巖體變形對(duì)充填體的擠壓行為，進(jìn)而優(yōu)化開采方案，避免充填體發(fā)生失穩(wěn)破壞［15］，如圖9所示。

Mitchell［112］通過(guò)建立物理離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了充填體作為人工假頂時(shí)可能發(fā)生的破壞模式，并給出了4 種可能發(fā)生破壞模式下的經(jīng)驗(yàn)公式，如表1 所示。Souza 等［113］通過(guò)離心試驗(yàn)，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)比分析了充填體作為人工假頂?shù)姆€(wěn)定性，研究表明，離心試驗(yàn)得到的結(jié)果中1 3～為滑動(dòng)剪切破壞，而數(shù)值模擬結(jié)果表明在下盤圍巖處通常會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)破壞。Caceres 等［114］用經(jīng)典的彈性梁理論及數(shù)值模擬方法研究了充填體作為人工假頂時(shí)，受下部采場(chǎng)開采擾動(dòng)引發(fā)失穩(wěn)破壞的條件，得到了Mitchell 給出人工假頂發(fā)生彎曲破壞公式的適用范圍為寬高比大于8～10，作者進(jìn)一步指出，典型礦山頂柱寬高比通常小于8，因此有必要從理論上給出該范圍內(nèi)頂柱失穩(wěn)破壞的計(jì)算公式。此外，Sobhi等［115］及Pagé 等［16］分別通過(guò)數(shù)值模擬研究了下部采場(chǎng)開挖對(duì)上部采場(chǎng)充填體及其人工假頂應(yīng)力分布的影響，結(jié)果顯示，下部采場(chǎng)開挖會(huì)引起圍巖進(jìn)一步發(fā)生變形，導(dǎo)致上部采場(chǎng)充填體及人工水平礦柱內(nèi)的水平應(yīng)力都會(huì)增大。

2.2.2 充填體作為自立型人工礦柱的穩(wěn)定性

二步開采中，充填體作為自立型人工礦柱來(lái)替換回收一步開采預(yù)留的礦柱，在回收礦柱過(guò)程中如何能夠避免充填體暴露面過(guò)大而導(dǎo)致失穩(wěn)是關(guān)鍵所在，因?yàn)槌涮铙w失穩(wěn)可導(dǎo)致回收礦柱過(guò)程中礦石損失、貧化增大。因此，回收礦柱需在保證充填體穩(wěn)定性的前提下進(jìn)行。充填體作為自立型人工礦柱受開挖暴露及其動(dòng)力擾動(dòng)影響如圖10（a）所示，Darlot gold 礦充填體受到爆破擾動(dòng)后發(fā)生失穩(wěn)破壞的激光掃描結(jié)果如圖10（b）所示［11，116］。

注：L為人工頂柱的寬度，m；γ為人工頂柱的密度，kg/m3；σt、σc分別為人工頂柱的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，Pa；σv為人工頂柱的頂部承受的豎向應(yīng)力，Pa；d為人工頂柱的豎向高度，m；τs為人工頂柱與圍巖體界面間的剪應(yīng)力，Pa；β為圍巖體上盤或下盤傾角，（°）。

近年來(lái)，學(xué)者們運(yùn)用了理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)充填體自立穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，最初由Mitchell 等［117-120］設(shè)計(jì)了不同尺寸的相似模型試驗(yàn)，分析了充填體自立時(shí)發(fā)生失穩(wěn)破壞的條件，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了三維受限塊體理論模型。圖11所示為其室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及理論模型。

該模型一直被工程設(shè)計(jì)人員用于預(yù)估充填體所需的強(qiáng)度，并且成功應(yīng)用于很多礦山［7，121-123］，在很大程度上降低了充填體膠結(jié)劑的使用量。Zhu［124］總結(jié)的影響充填體自立穩(wěn)定臨界高度的因素主要包括充填體與圍巖體的彈性模量、充填體泊松比、充填體密度等。隨著充填體彈性模量的增大，臨界暴露高度可增大，隨著圍巖彈性模量增大，臨界暴露高度降低；隨著充填體泊松比增大，臨界高度增大；充填體密度增大會(huì)導(dǎo)致臨界高度降低，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮采用密度較小的材料來(lái)增加其自立穩(wěn)定性。Dirige等［125］研究了相鄰充填采場(chǎng)中間礦柱的開挖，提出了考慮充填采場(chǎng)在不同傾角下充填體保持自立穩(wěn)定性時(shí)所需內(nèi)聚力的解析方法，其理論模型如圖12所示。研究表明：充填體作為滑移塊體，除了受到充填體內(nèi)部失穩(wěn)滑移面間的摩擦阻力之外，還受到下盤圍巖體對(duì)滑移塊體的摩擦阻力。由于采場(chǎng)傾角的存在，上盤圍巖體對(duì)滑移塊體的摩擦阻力較弱。

Helinski 等［126］用可靠度理論和數(shù)值模擬方法研究了充填體具有暴露面時(shí)保持穩(wěn)定性的概率，得出了Mitchell 楔體極限平衡分析法與數(shù)值模擬解答存在差異的原因，給出了運(yùn)用楔體極限平衡理論解時(shí)，安全系數(shù)的修正值應(yīng)為1.44；Deng［127］也用可靠度理論推導(dǎo)了充填體穩(wěn)定性的解答；Li 等［121-123］通過(guò)分析楔形塊體滑移面的位置以及充填體中含有巷道等因素，較全面地分析了充填體的自立穩(wěn)定性；Nanthananthan 等［128］研究了充填體保持穩(wěn)定時(shí)所允許的最大暴露高度，但其解答并未考慮充填體與圍巖體之間具有的摩擦作用，認(rèn)為充填體與圍巖體之間的剪切強(qiáng)度只由內(nèi)聚力引起；而Koupouli等［108］和Nasir等［129］研究表明，充填體與圍巖體之間的剪切強(qiáng)度受內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角共同作用；閆保旭等［130］分析了充填體暴露面逐步增大時(shí)其穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并給出了安全系數(shù)計(jì)算公式；曹帥等［131］將地下采場(chǎng)模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，并用彈性力學(xué)的半逆解法分析了地下二步開采過(guò)程中，膠結(jié)充填體作為自立型人工礦柱的穩(wěn)定性，得到了人工礦柱內(nèi)部應(yīng)力分布的表達(dá)式；Emad 等［11，116，132］通過(guò)數(shù)值模擬手段分析了廢石膠結(jié)充填體受到爆破開挖影響后的穩(wěn)定性及其破壞規(guī)律，研究表明，不同于靜態(tài)分析充填體的穩(wěn)定性，爆破引起的應(yīng)力波會(huì)在充填體內(nèi)產(chǎn)生反射和疊加等效應(yīng)，充填體失穩(wěn)破壞形式與靜態(tài)分析產(chǎn)生的破壞模式有顯著差異；Zhao等［133］通過(guò)采用垂直微分單元法，得到了充填體自立穩(wěn)定性的理論表達(dá)式，該結(jié)果可適用于分析圓弧滑面的失穩(wěn)破壞模式；吳愛(ài)祥等［134］通過(guò)考慮窄長(zhǎng)型充填體的拱架效應(yīng)（充填體內(nèi)部應(yīng)力向圍巖體的轉(zhuǎn)化），得到了充填體在支撐圍巖體、支撐設(shè)備人員、側(cè)向暴露自立條件下的目標(biāo)強(qiáng)度值，對(duì)于合理設(shè)計(jì)礦山充填體所需的強(qiáng)度值有一定的參考價(jià)值。

采用數(shù)值模擬方法研究充填體自立穩(wěn)定性時(shí)，除了力學(xué)邊界條件，還應(yīng)該考慮水力邊界條件、溫度場(chǎng)邊界條件，才能正確反映充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布。例如對(duì)于水力學(xué)邊界條件，隨著開挖的進(jìn)行，邊界處的孔壓可能出現(xiàn)負(fù)值，即基質(zhì)吸力出現(xiàn)。此外，充填體開挖暴露面的暴露速率大小對(duì)其穩(wěn)定性的影響也需要后續(xù)研究進(jìn)行考慮。

2.3 充填體作為支撐單元對(duì)圍巖體的支護(hù)作用

充填體對(duì)圍巖體的支護(hù)作用主要分為局部支護(hù)和區(qū)域支護(hù)作用。充填體可協(xié)同礦柱一起形成組合系統(tǒng)共同承擔(dān)圍巖體的變形。

2.3.1 局部支護(hù)——對(duì)礦柱的支撐作用

Yamatomi 等［135］通過(guò)充填體包裹巖住試驗(yàn)，得到了充填體對(duì)巖柱的支持作用曲線，研究表明，充填體對(duì)巖柱的峰值強(qiáng)度作用較小，但是能夠顯著改善峰后行為，即從脆性破壞向延性轉(zhuǎn)化，且充填體內(nèi)部的應(yīng)力主要是在巖柱的峰后階段開始增長(zhǎng)。Li等［136］基于損傷力學(xué)理論，建立了不同灰砂比的損傷本構(gòu)方程，基于突變理論建立了充填體與圍巖體相互作用的失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則。研究表明：低灰砂比的充填體在達(dá)到峰值應(yīng)力后迅速發(fā)生失穩(wěn)破壞，巖體相對(duì)于充填體具有低剛度和彈性模量，更能使得系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。但文中建立的突變模型只限于一維條件，三圍條件下的突變模型有待于進(jìn)一步研究。宋衛(wèi)東等［137］研制了一套充填體與礦柱相互作用的試驗(yàn)設(shè)備。研究表明：充填體—巖柱系統(tǒng)的承壓過(guò)程主要可以分為巖柱試件承載階段、巖柱試件破壞階段、充填體—巖柱共同承載直到破壞階段、充填體和巖柱散體承壓階段。王志國(guó)等［138］根據(jù)礦山充填采礦法原理設(shè)計(jì)了一個(gè)充填體與圍巖組合模型，將充填料漿充入采空區(qū)，從而對(duì)采空區(qū)的圍巖形成支撐，起到限制位移的作用。研究表明：未充填模型較充填模型破裂過(guò)程所需時(shí)間更短；充填體增強(qiáng)了模型的抗剪強(qiáng)度，減弱了圍巖孔洞兩側(cè)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了圍巖的抗剪強(qiáng)度；在一定范圍內(nèi)，隨著充填體灰砂比的增大，組合模型在破壞階段的脆度將逐漸增大，且剪切力的最大值也呈逐漸增大趨勢(shì)。Moser等［139］認(rèn)為充填體對(duì)礦柱的作用受礦柱變形影響，主要分為主動(dòng)擠壓礦柱和被動(dòng)受壓兩種狀態(tài)，通過(guò)對(duì)澳大利亞某礦山充填體進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，得出充填體對(duì)礦柱的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性作用。Kostecki等［140］研究表明：當(dāng)具有黏結(jié)性質(zhì)的充填體充填高度為采場(chǎng)高度的25%和75%時(shí)，就可增加10%～40%的礦柱強(qiáng)度和最終承載能力；對(duì)于沒(méi)有黏結(jié)性的充填體，即使充填率再大，對(duì)礦柱承載能力的影響也較小。Tesarik等［141］等認(rèn)為隨著采礦深度的增加，分析礦柱的后破壞行為非常重要，因此，作者對(duì)Buick 礦由廢石充填的礦柱應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了研究，以便得到礦柱的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。研究表明：礦柱的水平變形在受到廢石充填體約束時(shí)，其支撐強(qiáng)度有較大提高。Benton等［142］通過(guò)試驗(yàn)研究了不同充填率對(duì)礦柱強(qiáng)度及其峰后破壞行為的影響，如圖13所示。

2.3.2 局部支護(hù)——對(duì)頂柱的支撐作用

分層充填采礦法中充填體和礦柱的典型回采結(jié)構(gòu)如圖14所示，隨著回采的進(jìn)行，圍巖體應(yīng)力也發(fā)生重新調(diào)整。充填體與頂柱形成的組合系統(tǒng)共同承擔(dān)圍巖體的收斂變形。

上部采場(chǎng)充填體的存在可減緩圍巖體的變形，調(diào)整圍巖體應(yīng)力分布。因此，單獨(dú)分析頂柱的穩(wěn)定性將與實(shí)際情況脫節(jié)。充填體和頂柱形成組合系統(tǒng)時(shí)，其整體對(duì)圍巖體變形的控制作用如何將是研究的最終目標(biāo)，這也是難點(diǎn)所在。研究表明：當(dāng)頂柱上部充填體處于初期沉降固結(jié)狀態(tài)，且膏體充填體的單軸抗壓強(qiáng)度未超過(guò)100 kPa 時(shí)，在爆破等動(dòng)載荷影響下易發(fā)生液化現(xiàn)象［144，145］，這將引起充填體內(nèi)部應(yīng)力成拱效應(yīng)消失，從而導(dǎo)致頂柱頂部受到充填體的作用力突然增大，引起頂柱不穩(wěn)定。Beruar等［146］研究了頂柱的幾何尺寸以及充填體對(duì)其潛在巖爆的影響。指出常規(guī)方式設(shè)計(jì)頂柱時(shí)都采用礦柱穩(wěn)定性圖表法，但對(duì)礦柱與圍巖體組合系統(tǒng)的峰后承載能力并未考慮，因此作者通過(guò)研究得出頂柱上下采場(chǎng)使用充填體充填采場(chǎng)可保持頂柱穩(wěn)定屈服下的回采，可降低頂柱發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。Sobhi等［115］通過(guò)數(shù)值模擬研究了下部采場(chǎng)開挖對(duì)上部采場(chǎng)充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，結(jié)果顯示，下部采場(chǎng)開挖會(huì)引起圍巖進(jìn)一步發(fā)生變形，導(dǎo)致上部采場(chǎng)充填體內(nèi)的水平應(yīng)力增大。Wang等［147］從能量積聚耗散以及彈塑性力學(xué)角度出發(fā)，研究了煤柱與圍巖體組合系統(tǒng)的變形破壞機(jī)理。

2.3.3 局部支護(hù)——對(duì)圍巖體冒頂、片幫及巖爆等災(zāi)害的控制機(jī)理

充填體的存在，可降低圍巖體發(fā)生冒頂、片幫等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，且相對(duì)于噴錨網(wǎng)支護(hù)來(lái)說(shuō)，充填體可實(shí)現(xiàn)大面積支護(hù)，有益于維持采場(chǎng)圍巖體壁面穩(wěn)定，防止壁面發(fā)生垮塌和巖石冒落［148］。Heunis［149］統(tǒng)計(jì)分析了南非金礦巖爆發(fā)生的原因，結(jié)果表明，通過(guò)廢石充填采空區(qū)可降低巖爆發(fā)生所釋放的能量，巖爆災(zāi)害可得到有效控制。Ryder等［150］研究了在2 000 m 左右深地開采中使用充填料充填采空區(qū)后，礦柱和圍巖的能量釋放率可降低40%，被充填體包裹的原巖礦柱中超剪切應(yīng)力顯著降低，有效控制了近區(qū)開采的巖爆災(zāi)害。Hu 等［151］通過(guò)理論分析研究了充填體的側(cè)限支護(hù)作用對(duì)巖體裂紋密度、擴(kuò)展及力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：依賴于地應(yīng)力狀態(tài)，充填體可有效抑制I 型裂紋擴(kuò)展，可以延緩或促進(jìn)滑移型（Ⅱ型）裂紋的擴(kuò)展。Hassani 等［152］在充填體中安設(shè)引伸計(jì)和正弦式應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)并計(jì)算了由巖爆產(chǎn)生的應(yīng)變能和充填體中吸收的應(yīng)變能，認(rèn)為充填體在不同硬化階段的吸能作用有所不同。李地元［153］將洞壁簡(jiǎn)化為兩邊簡(jiǎn)支的力學(xué)模型，通過(guò)彈性理論，給出了洞壁側(cè)向變形為0時(shí)所需的充填體抗壓強(qiáng)度理論值，研究表明：盡管地下礦山充填體的強(qiáng)度不高，但其對(duì)洞壁的側(cè)壓作用有助于減少洞壁巖體的屈曲板裂破壞。Jiang 等［154］通過(guò)數(shù)值模擬，研究了不同尺寸、不同充填率下煤柱的應(yīng)力應(yīng)變特性，評(píng)價(jià)了巷式充填煤柱的巖爆傾向性，研究表明：充填率小于40%～50%時(shí)，煤柱強(qiáng)度保持不變，大于該取值區(qū)間時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，隨著巷式膠結(jié)充填體充填率的繼續(xù)增大，煤柱強(qiáng)度變大，巖爆能量指數(shù)降低。煤柱的彈性體部分是承載的主要部分，充填體的存在可增加礦柱彈性部分的體積，繼而增加煤柱強(qiáng)度和降低巖爆能量指數(shù)。Wang 等［155］研究了充填體對(duì)廢棄采空區(qū)發(fā)生巖爆災(zāi)害和地表沉降的控制作用，結(jié)果表明：充填體能夠控制相鄰巖體的大變形，減緩巖爆和地表沉降的發(fā)生，此外充填作業(yè)也降低了礦石運(yùn)輸和提升的成本。Zhang等［156］將煤巖體基本頂假設(shè)為梁，充填體假設(shè)為彈性介質(zhì)，建立了力學(xué)模型計(jì)算得到基本頂破斷前累積的應(yīng)變能和破斷后釋放的能量，結(jié)果表明：當(dāng)充填體接頂率較好時(shí)，能夠顯著改善頂板的應(yīng)力集中程度，降低頂板表面型巖爆的發(fā)生。馮帆等［157］針對(duì)巖體特性及受力狀態(tài)影響形成的板裂體，建立了正交各向異性薄板力學(xué)模型，認(rèn)為充填體所需較小的圍壓值便可有效抑制屈曲巖爆的發(fā)生，并提出了采用充填法作為永久支護(hù)可預(yù)防板裂型巖爆的對(duì)策。佐江宏等［158］針對(duì)窄煤柱工作面沿空留巷巷旁支護(hù)體參數(shù)不合理和圍巖嚴(yán)重變形等問(wèn)題，提出了的“巷內(nèi)錨網(wǎng)索+巷旁充填柔?；炷翂?單體柱+基本底注漿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

盡管采用充填法回采無(wú)法消除和完全避免巖爆活動(dòng)，但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，充填后的地下礦山回采區(qū)域基本沒(méi)有大規(guī)模的巖爆災(zāi)害事件發(fā)生，可見(jiàn)充填采礦在巖爆等地壓災(zāi)害防治方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，是解決深井開采巖爆等地壓災(zāi)害問(wèn)題的主要研究方向和趨勢(shì)［159］。因此，做好合理開采計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)采強(qiáng)充、縮短巖體暴露時(shí)間、減小采場(chǎng)暴露面積并加強(qiáng)支護(hù)，可有效降低巖爆發(fā)生的可能性，減小巖爆危害，提高井下作業(yè)安全性［160］。

2.3.4 區(qū)域支護(hù)——對(duì)地表沉降的控制

經(jīng)上節(jié)論述，充填體充入采場(chǎng)后可對(duì)圍巖體產(chǎn)生局部支護(hù)，既能防止發(fā)生巖石冒落，又可降低巖爆災(zāi)害。但充填體充入采場(chǎng)后，對(duì)單個(gè)采場(chǎng)圍巖體變形的控制作用微弱，多采場(chǎng)大面積采空區(qū)充填可顯著降低地表發(fā)生大面積沉降，這是其他支護(hù)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。圖15所示為多采場(chǎng)充填后頂板應(yīng)力調(diào)整及其頂板沉降曲線。圖16為地下采空區(qū)充填與否對(duì)地表沉降量的控制效果，可看出采空區(qū)大面積充填可顯著降低地表沉降量，有利于地表構(gòu)筑物保護(hù)和實(shí)現(xiàn)“三下”安全開采［161］。

Li 等［163］以紅嶺鉛鋅礦為背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究了充填體對(duì)地表沉降的控制作用，結(jié)果表明，充填體的存在可有效控制地表變形，防止圍巖體發(fā)生大變形破壞。Zhu 等［164］基于PFC 和FLAC 耦合建立數(shù)值計(jì)算模型，分析了煤層開采中，充填體對(duì)巖層移動(dòng)的防治效果，結(jié)果表明：充填體的存在，一方面減緩了頂部巖層的大范圍沉降，另一方面轉(zhuǎn)移了相鄰煤柱上的部分應(yīng)力，側(cè)限作用提高了相鄰煤柱的強(qiáng)度，降低了煤柱和上覆巖層破斷的可能性。Zhao等［165］采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，研究了煤矸石充填對(duì)上覆巖層沉降、破斷產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：煤矸石可控制上覆巖層沉降，上覆巖層沉降演化可分為4 個(gè)階段，即工作面頂板沉降階段、采空區(qū)頂板快速沉降階段、相對(duì)穩(wěn)定階段和長(zhǎng)期蠕變階段，煤矸石的壓實(shí)特性對(duì)應(yīng)于上覆巖層下沉的穩(wěn)定階段。

3 研究重點(diǎn)與展望

3.1 充填體內(nèi)部應(yīng)力演化與表征及其對(duì)圍巖體的信息獲取

通過(guò)監(jiān)測(cè)充填體內(nèi)部應(yīng)力等信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體活動(dòng)信息的反演和預(yù)測(cè)。Gurtunca 等［166］通過(guò)分析圍巖體收斂變形和充填體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)展情況，初步建立了根據(jù)充填體內(nèi)部的應(yīng)力演化預(yù)測(cè)圍巖體變形模量的方法，該方法可綜合考慮圍巖體節(jié)理特征對(duì)圍巖體變形的影響。阿巴林［167］將非線性地質(zhì)力學(xué)方法用于研究礦井深部開采過(guò)程中大范圍非線性應(yīng)力現(xiàn)象和自組織多分量現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開采跨度變大時(shí)，上覆巖層沿著構(gòu)造斷層和分裂區(qū)域發(fā)生周期性沉降，在人工充填體內(nèi)會(huì)形成支撐蜂窩結(jié)構(gòu)，將其與巖石分區(qū)碎裂現(xiàn)象相結(jié)合，可預(yù)測(cè)地質(zhì)碎裂區(qū)域，提高采礦效率。Falaknaz 等［168］研究了同水平相鄰采場(chǎng)開挖對(duì)充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，結(jié)果顯示：當(dāng)相鄰采場(chǎng)開挖時(shí)，充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布將會(huì)發(fā)生很大變化，但在模擬中假設(shè)圍巖體為彈性體，且整個(gè)開挖過(guò)程未考慮時(shí)間因素的影響。

數(shù)值模擬手段可用于分析復(fù)雜的地質(zhì)模型且經(jīng)濟(jì)高效，可合理表征充填體內(nèi)部的應(yīng)力分布關(guān)系。因此，如何建立從宏觀到細(xì)觀方面都可精確表征充填體硬化過(guò)程的本構(gòu)關(guān)系需要進(jìn)一步完善。充填體受膠凝材料的影響，其內(nèi)部損傷破壞過(guò)程伴隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)的自愈合效應(yīng)。因而如何建立損傷與自愈合耦合的本構(gòu)關(guān)系還需進(jìn)一步研究，這方面Helinski等［55］進(jìn)行了初步探索。

3.2 充填體的動(dòng)力學(xué)特性

充填體充入采場(chǎng)后，受爆破擾動(dòng)等動(dòng)載荷的影響，其力學(xué)特性與靜力情況下有顯著差異。地下采場(chǎng)充填體動(dòng)力學(xué)特性的研究?jī)?nèi)容主要有：①充填體的動(dòng)力學(xué)特性及其與圍巖體之間的波傳播特性；②充填體與圍巖體組合系統(tǒng)的動(dòng)力特性及其動(dòng)力擾動(dòng)下的承載能力；③動(dòng)力擾動(dòng)下充填體內(nèi)部應(yīng)力分布的演變及其發(fā)生液化的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)充填體的動(dòng)力學(xué)特性，試驗(yàn)方面主要有通過(guò)SHPB 桿件［169-171］或落錘沖擊［172］研究其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，也可通過(guò)擺錘沖擊［173］研究應(yīng)力波傳播規(guī)律，如圖17 所示。數(shù)值模擬方面，Lu［174-176］建立了考慮多場(chǎng)條件的充填體動(dòng)力學(xué)特性本構(gòu)關(guān)系。此外，還需通過(guò)沖擊試驗(yàn)研究膏體在不同硬化時(shí)間、不同養(yǎng)護(hù)條件（養(yǎng)護(hù)溫度和濕度）、不同配比下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。有必要進(jìn)一步研究爆破載荷作用下膏體產(chǎn)生破壞的機(jī)理，進(jìn)而進(jìn)行災(zāi)害性預(yù)測(cè)預(yù)警。

3.3 充填開采方案改進(jìn)與優(yōu)化

深地充填是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但現(xiàn)今采用的充填方法還是沿襲淺部開采的經(jīng)驗(yàn)和方案，如何優(yōu)化充填開采方案，使充填體充入采場(chǎng)后發(fā)揮出自身最大的優(yōu)勢(shì)，以便有效應(yīng)對(duì)深地高溫、高壓、強(qiáng)擾動(dòng)的環(huán)境，還需進(jìn)一步研究。尤其是在膏體攪拌工藝及其設(shè)備、輸送工藝及其設(shè)備、充填過(guò)程的精準(zhǔn)自動(dòng)控制方面，需要結(jié)合充填采場(chǎng)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和優(yōu)化。隨著充填設(shè)備改進(jìn)、充填工藝簡(jiǎn)化、充填效率提高和能耗降低，大參數(shù)充填工藝可能逐漸替代傳統(tǒng)小參數(shù)充填，進(jìn)而降低充填成本。另外，針對(duì)大采場(chǎng)二步回采中，一步驟開挖后何時(shí)進(jìn)行充填才能最大限度發(fā)揮充填體對(duì)圍巖體變形的控制作用，需要進(jìn)一步研究，即充填最佳時(shí)機(jī)問(wèn)題。這關(guān)系到充填系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及圍巖體的變形特性，需要以系統(tǒng)優(yōu)化的思路進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

從充填體充入采場(chǎng)后發(fā)生的一系列力學(xué)行為出發(fā)，論述了充填體與圍巖體相互作用的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。研究表明：充填體充入采場(chǎng)后其力學(xué)行為受到多場(chǎng)條件的影響，體現(xiàn)出了復(fù)雜的材料力學(xué)行為；充填體硬化過(guò)程不僅僅是材料本身的物理化學(xué)反應(yīng)，而也受到圍巖體條件的影響。探究其剛度和強(qiáng)度的多元信息表征方法是進(jìn)行充填體失穩(wěn)災(zāi)害可靠性預(yù)警的前提；充填體硬化過(guò)程本構(gòu)關(guān)系還需要在如何精確描述材料內(nèi)部物理化學(xué)過(guò)程、宏細(xì)觀建模表征方面進(jìn)行深入研究；通過(guò)對(duì)充填體內(nèi)部應(yīng)力等信息的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體活動(dòng)信息的反演和預(yù)測(cè)是未來(lái)的研究重點(diǎn)；充填體內(nèi)部應(yīng)力演化與地下采場(chǎng)動(dòng)力擾動(dòng)特性及其多場(chǎng)環(huán)境密切相關(guān)，動(dòng)載荷如何影響充填體與礦柱組合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和承載特性需要進(jìn)一步研究；通過(guò)不斷改進(jìn)和優(yōu)化深地充填開采方案，有助于實(shí)現(xiàn)深地礦產(chǎn)資源安全高效開采。