雷 順

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引言

隨著近些年充填開采技術(shù)的發(fā)展，將膠結(jié)材料充入采空區(qū)支撐圍巖，減少采礦對(duì)上覆巖層的擾動(dòng)，提高資源回收率，同時(shí)減少廢棄物在地表的排放，降低環(huán)境污染，膠結(jié)充填已成為一種煤炭綠色開采技術(shù)[1-2]。以矸石、粉煤灰和尾礦等礦山固廢為骨料的充填體和以砂巖、泥巖為主的散體通過不同組合方式形成不同的復(fù)合體系，充填組合體共同承載是控制巷道變形和巖層移動(dòng)的關(guān)鍵之一，其穩(wěn)定性也決定了覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與井下空間安全。

在煤巖組合方式上：趙光明等[3]研究了高徑比差異條件下花崗巖巖石動(dòng)態(tài)沖擊壓縮特性，并對(duì)破碎后巖樣進(jìn)行吸收能分析；陳光波等[4-5]和樊玉峰等[6]指出了巖石強(qiáng)度與煤巖高徑比對(duì)煤巖組合體的強(qiáng)度特性與破壞機(jī)制的影響；SONG 等[7]將不同位置材料的廣義泊松比與標(biāo)準(zhǔn)煤、砂巖試樣的廣義泊松比進(jìn)行比較，分析了組合模型中不同位置材料的極限抗壓強(qiáng)度，得到軟巖-煤組合試樣的力學(xué)特性主要受煤的影響，界面約束作用降低了近界面砂巖的強(qiáng)度，提高了近界面煤的強(qiáng)度；GAO 等[8]探究不同材料間存在相互作用和能量反饋的復(fù)合材料的脆性破壞，通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了煤巖復(fù)合材料在單軸壓縮條件下的脆性破壞模式；張恒[9]介紹了煤矸組合結(jié)構(gòu)破壞形式，探究了卸荷路徑下煤矸組合結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)的前兆信號(hào)特征；張澤天等[10]和郭東明等[11]分析了組合方式和傾角效應(yīng)對(duì)煤巖組合體力學(xué)特性與破壞特征的影響規(guī)律等。在組合體破壞機(jī)制上：XIAO 等[12]采用實(shí)驗(yàn)和理論方法研究了煤巖的損傷特征和突變破壞機(jī)制，建立了分形維數(shù)與煤巖損傷、釋放能量密度變化率和聲發(fā)射能量變化率之間的關(guān)系；余偉健等[13]通過不同高度比“巖-煤-巖”組合體的單軸加載試驗(yàn)，分析不同高度比煤巖組合體加載破壞規(guī)律，通過室內(nèi)單軸加載與顆粒流等方式分析組合體裂隙發(fā)育全過程；楊科等[14]對(duì)比分析砂巖-煤柱結(jié)構(gòu)體的漸進(jìn)破壞機(jī)制，指出組合體發(fā)生整體性破壞是由煤樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展至砂巖導(dǎo)致的；楊磊等[15]研究了循環(huán)加卸載下煤巖組合體的能量演化規(guī)律與破壞機(jī)制等；ZHAO 等[16]建立煤-軟巖界面黏結(jié)強(qiáng)度的等效模型，分析了煤泥巖試樣界面黏聚力、巖石厚度和應(yīng)力水平對(duì)組合模型破壞行為的影響；王正義等[17]、朱傳杰等[18]研究了在靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷下復(fù)合煤巖體的破壞特征和破壞形式。以上研究對(duì)于煤巖高徑比、煤巖組合形式、樣本預(yù)制裂紋或打設(shè)孔洞、裂縫傾角等方面開展了不同程度的試驗(yàn)研究分析，并對(duì)不同形式組合體破壞特征規(guī)律進(jìn)行分析。在改性研究方面：康紅普等[19-21]指出目前巷道改性主要指注漿技術(shù)，用于巷道圍巖加固，從注漿加固理論到檢測(cè)效果等方面，確定注漿加固效果來指導(dǎo)注漿參數(shù)設(shè)計(jì)；李文洲等[22]對(duì)煤巖體變形破壞影響因素及改性強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了分析研究；ZHANG 等[23]為提高裂隙巖體注漿加固效果，首次提出了自應(yīng)力注漿加固理論，研制了自應(yīng)力注漿材料，利用自行研制的試驗(yàn)裝置對(duì)自應(yīng)力注漿材料的膨脹應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，分析了膨脹應(yīng)力與膨脹劑含量的關(guān)系；王志等[24]研究靜態(tài)荷載和循環(huán)沖擊荷載下注漿加固巖石力學(xué)特性，利用落錘沖擊試驗(yàn)裝置，對(duì)不同注漿類型紅砂巖試樣進(jìn)行破壞機(jī)制與損傷演化模型研究。

以上研究工作充分表明煤巖組合體變形特征對(duì)理論研究與現(xiàn)場(chǎng)研究的指導(dǎo)意義，而現(xiàn)場(chǎng)注漿、采空區(qū)治理、房采區(qū)充填等方面大多是以煤與充填體組合的形式出現(xiàn)，但組合體變形破壞受充填體材料物理力學(xué)參數(shù)等指標(biāo)的影響，尤其是蒙陜地區(qū)近水平煤層在巷道掘進(jìn)過程出現(xiàn)的穩(wěn)定的夾矸層是一種常見現(xiàn)象，而夾矸層的存在對(duì)煤體結(jié)構(gòu)尤其是煤幫變形破壞影響顯著，因此，需要改變組合試樣結(jié)構(gòu)，其承載特性方面有待進(jìn)一步細(xì)致研究，通過夾層來改善組合試樣破壞形式，可為后期改善巷道及工作面片幫、破壞失穩(wěn)等提供一種新的治理思路和方法。此外，揭示煤與充填體組合試樣的承載特性，探索闡明煤-充填體組合條件下變形破壞特征，以期為充填開采和巖層控制提供理論支持和科學(xué)依據(jù)，對(duì)采場(chǎng)頂板場(chǎng)頂板垮落、組合體破壞特征的研究亦具有一定的借鑒意義。

1 煤與充填體組合試樣的制備與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試樣的加工制備

在巷道掘進(jìn)過程中，由于軟弱泥巖夾矸層的存在，在遇水條件下泥巖發(fā)生變形破壞，導(dǎo)致巷道幫部與夾矸交界面處發(fā)生變形破壞及裂隙發(fā)育，尤其是界面處煤幫破壞較為顯著，如圖1 所示。試驗(yàn)所采用的試樣取自陜西省某礦5-2煤層，依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，首先使用取芯鉆機(jī)將煤塊鉆取50 mm的圓柱體煤試件，再通過鋸石機(jī)切割成所需試件高度，然后使用平面磨床將其兩端磨平，要求各試樣兩端不平行度不大于0.03 mm，兩端直徑偏差不大于0.02 mm，制成Φ50 mm×50 mm 試樣，如圖1（c）所示。

圖1 煤-夾矸-煤現(xiàn)場(chǎng)及煤樣制備實(shí)物圖Fig.1 Coal-gangue-coal on-site and physical image of coal sample preparation

為了研究充填體厚度對(duì)組合試樣的破壞特征，探討對(duì)組合試樣變形破壞的影響，采用水泥與粉煤灰膠結(jié)體作為充填體材料，如圖2 所示，選用水固比為0.8，不同固相比即水泥∶粉煤灰為1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，研究漿液性能得到不同固相比下充填體材料的測(cè)試數(shù)據(jù)，見表1。

表1 水泥粉煤灰試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 1 Test data of cement fly ash

根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)夾矸層厚度分布，組合試樣充填體材料選用水泥∶粉煤灰為1∶3（即試樣編號(hào)D）配比制作，粉煤灰∶Ⅱ級(jí)灰，需水量98%，燒失量5.78%，比表面積516 m3/kg，等級(jí)為42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，比表面積370 m3/kg，養(yǎng)護(hù)7 d 其強(qiáng)度為2.21 MPa，28 d后強(qiáng)度穩(wěn)定在4.98 MPa。

組合試樣共分為4 組，Ⅰ組為純煤組合試樣，Ⅱ組為煤與6 mm 充填體組合試樣，Ⅲ組為煤與10 mm充填體組合試樣，Ⅳ組為煤與15 mm 充填體組合試樣，純煤與組合試樣中的煤均取自同一大塊型煤。單軸壓縮加載試驗(yàn)中，純煤、6 mm 充填體、10 mm 充填體、15 mm 充填體組合試樣每組各3 個(gè)，部分試驗(yàn)實(shí)物圖如圖3 所示，對(duì)組合試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，獲取其力學(xué)參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

在散斑測(cè)試采集的應(yīng)變場(chǎng)云圖中重點(diǎn)關(guān)注夾矸與煤層附近裂紋上方的矩形區(qū)域，每隔 3 ms 選取一張，共選取不同加載階段云圖來記錄分析試樣的變形及裂紋擴(kuò)展過程。此過程應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化以高速采集的第1 張?jiān)茍D作為基準(zhǔn)值，組合煤樣部分破壞瞬間裂紋貫穿采集區(qū)域，主應(yīng)變場(chǎng)演化特征如圖4 所示。

圖4 非接觸式DIC 對(duì)組合試樣加載測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.4 Non contact DIC loading test system diagram for composite samples

2 煤體與充填體組合加載破壞分析

煤體變形特征和強(qiáng)度之間不是單純的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要是因?yàn)檫€有其他因素的影響，如煤層中含有夾矸、煤體結(jié)構(gòu)的各向異性、內(nèi)部可能存在缺陷等[18]。煤礦井下巷道與圍巖成型后，在受不同方向地應(yīng)力作用下煤巖體會(huì)發(fā)生變形甚至出現(xiàn)片幫等現(xiàn)象，煤巖體不同程度的變形及片幫都會(huì)導(dǎo)致其最終發(fā)生破壞，本文通過對(duì)煤體與充填體組合試樣進(jìn)行進(jìn)行微觀掃描和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析，結(jié)合煤體與充填體破壞裂紋分布特征分析兩者之間的演化特征。

2.1 煤體與夾矸界面處微觀結(jié)構(gòu)特征

考慮到在實(shí)際過程中煤體與夾矸界面處兩者物理力學(xué)性質(zhì)的差異，而在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，尤其在煤體與充填體組合實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于煤體和充填體表面平整度也有著一定要求，故首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤層與夾矸界面處取樣，進(jìn)行SEM 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，分析界面處兩者結(jié)構(gòu)的差異?，F(xiàn)場(chǎng)煤層是一種非均質(zhì)、多孔隙的組合體，其力學(xué)性能通常與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，采用電鏡掃描（SEM）測(cè)試進(jìn)一步進(jìn)行煤體與夾矸界面處微觀結(jié)構(gòu)特征分析，SEM 測(cè)試按平行片理開展，測(cè)試結(jié)果如果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，夾矸表面片狀構(gòu)造特征明顯，片狀礦物的走向與礦物排布方向基本一致，成相互平行定向排列，也存在少量的片狀礦物和粒狀礦物交替夾雜分布的情況。此外，在平行片理方向上的微裂隙極為發(fā)育，主要為片理面；在垂直片理方向的微裂隙發(fā)育較少，主要為礦物邊緣。煤體表面與夾矸有較大差異，煤體表面微觀結(jié)構(gòu)為球狀顆粒，且其不規(guī)則邊緣逐漸渾圓化，礦物顆粒間裂隙數(shù)量多且粒間孔隙數(shù)量多，小粒徑顆粒充實(shí)于孔隙、片理面及與之平行的微裂隙中，使得煤體結(jié)構(gòu)較為松散。

2.2 煤體與充填體承載結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤樣（Φ50 mm×100 mm）、純煤組合（兩個(gè)Φ50 mm×50 mm）、充填體厚度分別為6 mm、10 mm、15 mm 的組合試樣分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用TAW-3000 電液伺服試驗(yàn)機(jī)。首先，對(duì)單一的標(biāo)準(zhǔn)煤樣、純煤組合試樣基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試；其次，對(duì)不同厚度充填體組合試樣進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，采用位移控制的加載方式，加載速度為0.005 mm/s，加載至試樣失穩(wěn)破壞，測(cè)得試樣物理力學(xué)參數(shù)，見表2，對(duì)組合試樣裂隙演化規(guī)律及宏觀破壞特征進(jìn)行分析。

表2 組合試樣結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Structure of composite samples and corresponding physical and mechanical parameters

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，隨著充填體厚度的增加，組合試樣的抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)充填體厚度為15 mm 時(shí)，在組合試樣中占比13%，組合試樣整體抗壓強(qiáng)度降低至5.74 MPa，相比標(biāo)準(zhǔn)煤樣降幅77.2%。對(duì)于組合試樣抵抗變形能力，主要由組合試樣中煤體與充填體各自的承載能力和二者之間的協(xié)調(diào)變形能力共同決定。組合試樣受充填體分割致其等效彈性模量降低、整體性弱化和承載能力下降。

煤與充填體組合試樣的承載結(jié)構(gòu)不僅取決于煤體和充填體本身的力學(xué)性質(zhì)，而且與充填體的位置、厚度等密切相關(guān)。在組合試樣承載過程中采用DIC對(duì)煤樣部分進(jìn)行整體的應(yīng)力-應(yīng)變特征分析，發(fā)現(xiàn)了組合試樣的變形不協(xié)調(diào)性和應(yīng)變集中化現(xiàn)象，以充填體厚度為6 mm 的組合試樣為典型代表來分析在單軸壓縮過程中組合試樣整體應(yīng)變場(chǎng)的演變，如圖6 所示。階段一，當(dāng)外部載荷較低時(shí)，層面處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，集中在煤樣的兩側(cè)邊緣處和充填體接觸的界面處，此時(shí)組合試樣所承載的應(yīng)力等級(jí)較低；階段二，隨著載荷的增加，應(yīng)變集中位置發(fā)生變化，向強(qiáng)度更低的位置進(jìn)行調(diào)整，組合試樣在“煤樣-充填體”界面處逐步出現(xiàn)明顯的應(yīng)變?cè)黾于厔?shì)，呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變集中現(xiàn)象，其中下部煤樣與充填體界面處的應(yīng)變要大于上部煤樣與充填體界面處的應(yīng)變，此時(shí)下部煤樣承載強(qiáng)度開始增大；階段三，當(dāng)承載的應(yīng)力繼續(xù)增加，組合試樣下部煤樣與充填體界面處的應(yīng)變集中程度增加，充填體上部煤樣整體的應(yīng)變集中程度降低，隨著載荷的增加，處于應(yīng)力集中處的裂隙得到了擴(kuò)展和發(fā)育；階段四，承載的應(yīng)力增加到組合試樣的極限強(qiáng)度時(shí)，組合試樣中煤樣出現(xiàn)明顯的裂隙，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)彈射小煤體現(xiàn)象，甚至有較大塊度的煤塊從組合試樣上剝離出來，此階段過后組合試樣無法繼續(xù)承載。

圖6 煤體與充填體組合試樣單軸壓縮試驗(yàn)Fig.6 Uniaxial compression test of composite samples of coal body and backfill

3 組合試樣變形特征分析

煤與充填體組合試樣的變形特征受界面處結(jié)構(gòu)面特征與充填物成分、膠結(jié)程度等有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)面充填物末膠結(jié)，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低于煤體強(qiáng)度，屬軟弱結(jié)構(gòu)面；若結(jié)構(gòu)面充填物呈現(xiàn)巖石沖刷、鈣質(zhì)等充填膠結(jié)，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度高于上下層煤體強(qiáng)度，不屬于軟弱結(jié)構(gòu)面。若充填體強(qiáng)度大、變形量小，主要應(yīng)變能集中在煤體本身且靠近充填體附近交界面處；若充填體強(qiáng)度低、變形量大，主要破壞發(fā)生在充填體處，且集中在靠近充填體接觸界面處煤體，此外，組合試樣力學(xué)性能與充填體本身承載能力有密切聯(lián)系，因此，在充填體附近布置1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7 所示，通過對(duì)布置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變演化曲線，分析組合試樣充填體及上下煤體變形特征。

圖7 組合試樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變演化過程Fig.7 Distribution of monitoring points and corresponding strain evolution process for composite samples

為了比較不同充填體厚度和位置對(duì)組合試樣裂紋起裂和擴(kuò)展規(guī)律的影響，基于上述關(guān)鍵應(yīng)變帶位置，對(duì)各個(gè)充填體組合試樣進(jìn)行裂紋關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析，定量分析充填體周圍裂紋及其應(yīng)變值。圖8 為不同充填體厚度組合試樣加載過程中1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移隨時(shí)間變化的曲線。此外，考慮不同充填體厚度對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力的影響，為便于分析對(duì)3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)，不同充填體厚度3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移和時(shí)間演化曲線如圖9 所示。

圖8 不同充填體厚度組合試樣1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移曲線Fig.8 Vertical displacement curve of monitoring points 1#-5#for composite samples with different thicknesses of backfill

圖9 不同充填體厚度3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移和時(shí)間演化曲線Fig.9 Vertical displacement and time evolution curves of three monitoring points with different thicknesses of backfill

充填體厚度為6 mm 時(shí)，組合試樣在承載作用下豎直位移基本一致，在加載時(shí)間57 s 之前，5 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移變化保持一致，加載時(shí)間57 s 后監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移開始出現(xiàn)差異，位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移增長(zhǎng)率降低，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移變化趨勢(shì)基本一致，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移最大值為1.73 mm，，而位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移變化要小于3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，其位移變化最大值為0.87 mm。

充填體厚度為10 mm 時(shí)，組合試樣在承載過程中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移隨著加載時(shí)間逐漸增加，在加載0～13 s 時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化基本一致，13 s 過后3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移相比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生變化，在加載時(shí)間至34 s 時(shí)，位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移開始分叉，此時(shí)充填體中心3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化速率增大，其位移變化最大值為1.24 mm，位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化最小值為0.96 mm，位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化最大值為7.56 mm。

充填體厚度為15 mm 時(shí)，組合試樣在承載過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移發(fā)生變化，在加載時(shí)間8 s 后充填體中心3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移發(fā)生變化，在加載時(shí)間至31 s 時(shí)，位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移開始分叉，而充填體中心3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化速率增大，其位移變化最大值為1.89 mm，位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移變化最小值為1.21 mm，位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值為10.97 mm。

通過對(duì)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同厚度充填體組合試樣加載過程中豎直位移與時(shí)間曲線分析，可以得出位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移最小值為0.87 mm，此時(shí)充填體厚度為6 mm；位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移最大值為10.97 mm，此時(shí)充填體厚度為15 mm；從豎直位移變化來看，隨著充填體厚度的增加，不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)處豎直位移也隨著增大，且充填體厚度越大，相比充填體上部、充填體本身，位于充填體下部的豎直位移變化越顯著。

此外，根據(jù)DIC 非接觸應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤層與夾矸層交界面處SEM 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果，從裂隙擴(kuò)展方面，煤體與夾矸界面的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其裂隙擴(kuò)展有顯著影響，重點(diǎn)分析充填體本身裂紋擴(kuò)展演化，在組合試樣破壞的全過程中，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的微裂紋成核現(xiàn)象會(huì)在充填體中部偏下位置裂隙尖端形成局部應(yīng)變帶，最終形成宏觀裂紋。圖10展示了充填體厚度為10 mm 的組合試樣中充填體處不同階段裂隙的最大主應(yīng)變演化云圖，云圖中標(biāo)識(shí)了各關(guān)鍵裂紋，并基于試樣的裂紋擴(kuò)展特征將應(yīng)變演化過程分為了三個(gè)階段。階段Ⅰ屬于裂紋成核階段，此時(shí)初始裂紋發(fā)育尚不成熟，充填體四周邊緣處均有不同程度的應(yīng)變集中現(xiàn)象；階段Ⅱ宏觀裂紋出現(xiàn)并穩(wěn)定擴(kuò)展，主應(yīng)變帶覆蓋了整條裂紋，裂紋擴(kuò)展由下向上，開始裂紋集中于充填體底部，且裂紋起裂過程拉伸作用占據(jù)主導(dǎo)。在該階段，充填體表面萌生出邊緣裂紋，最大主應(yīng)變的聚集受主裂紋的影響；階段Ⅲ為試樣臨近破壞的階段，充填體主裂隙周邊開始萌生出趨勢(shì)相同的次生裂紋，該類型裂紋的起裂伴隨著不同程度的主應(yīng)變和切應(yīng)變集中，次生裂紋逐漸擴(kuò)展至充填體邊緣，并貫通形成破壞。

圖10 充填體試樣對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)變演化云圖Fig.10 Maximum principal strain evolution cloud map corresponding to the backfill samples

4 結(jié)論

1）煤體與夾矸界面處的微觀結(jié)構(gòu)特征，隨著充填體厚度的增加，組合試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)充填體厚度為15 mm 時(shí)，在組合試樣中占比為13%，組合試樣整體抗壓強(qiáng)度降低至5.74 MPa，相比標(biāo)準(zhǔn)煤樣降幅為77.2%。組合試樣的抵抗變形能力主要由組合試樣中煤體與充填體各自的承載能力和二者之間的協(xié)調(diào)變形能力所共同決定。因充填體分割煤樣，組合試樣的等效彈性模量降低、整體性弱化和承載能力下降。

2）采用水泥粉煤灰配比測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)原位取樣煤與充填體組合試樣力學(xué)特性，包括層位充填體材料配比及力學(xué)特性。煤與充填體組合試樣破壞表現(xiàn)出不同“軟層”層位導(dǎo)致煤與充填體組合試樣整體承載及破壞形式的改變。通過結(jié)合組合試樣的整體應(yīng)變場(chǎng)演變，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤與充填體組合試樣經(jīng)歷了四個(gè)不同的破壞階段，包括：階段一，應(yīng)變集中在煤樣邊緣和充填體接觸處；階段二，應(yīng)變集中位置調(diào)整且煤與充填體界面應(yīng)變逐漸增加；階段三，下部煤樣應(yīng)變集中程度增加，上部減少，裂隙擴(kuò)展；階段四，達(dá)到極限強(qiáng)度，煤樣出現(xiàn)裂隙和破壞。

3）煤與充填體變形破壞特征，充填體處不同階段裂隙的最大主應(yīng)變演化云圖如圖10 所示。由圖10 可知，云圖中標(biāo)識(shí)了各關(guān)鍵裂紋，充填體厚度為6 mm 時(shí)位于充填體上部的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移最小值為0.87 mm，充填體厚度為15 mm 時(shí)位于充填體下部的4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移最大值為10.97 mm，充填體的存在對(duì)組合試樣的豎直位移產(chǎn)生明顯影響。

4）隨著充填體厚度增加，位于充填體下部的豎直位移增加更顯著。充填體在組合試樣的承載過程中起到了一定的約束作用，充填體厚度的增加會(huì)增加組合試樣的位移變化量。從豎直位移變化來看，隨著充填體厚度的增加，不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)處豎直位移也隨著增大，且充填體厚度越厚，相比充填體上部、充填體本身，位于充填體下部的豎直位移變化越顯著。因此，在設(shè)計(jì)組合試樣時(shí)，需要考慮充填體的厚度，以避免出現(xiàn)不良的破壞模式和裂紋擴(kuò)展?？傊诿旱V充填的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，需要注意控制中部層位的壓實(shí)質(zhì)量，以避免破壞和損壞的發(fā)生。