近日，華北理工大學(xué)劉志義團(tuán)隊(duì)在尾砂膠結(jié)充填體能量耗散與損傷機(jī)理研究方面取得了新進(jìn)展，相關(guān)成果，以《干濕循環(huán)作用下尾砂膠結(jié)充填體能量耗散與損傷機(jī)理》為題在《金屬礦山》雜志實(shí)現(xiàn)了在線首發(fā)。作者來(lái)自華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院、礦產(chǎn)資源綠色開(kāi)發(fā)與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心、河北省礦山綠色智能開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新中心、河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)前，綠色礦山綠色礦業(yè)逐漸成為全社會(huì)對(duì)礦業(yè)發(fā)展的共識(shí)，綠色礦山建設(shè)是中國(guó)礦業(yè)發(fā)展的必由之路，充填采礦法是綠色礦山建設(shè)最為有效的開(kāi)采方法上向水平分層充填采礦法是礦山常用的充填采礦方法之一，該方法將礦塊劃分為礦房礦柱，先采礦房后采礦柱，礦房自下而上分層回采，依次充填以維護(hù)上下盤(pán)圍巖，并創(chuàng)造不斷上采的作業(yè)條件。礦房回采到最后一個(gè)分層時(shí)，進(jìn)行接頂充填；當(dāng)回采礦柱時(shí)，礦房的膠結(jié)充填體起著人工支柱作用承載上覆壓力，礦房充填體的承載能力和穩(wěn)定性是保障礦柱安全回采的關(guān)鍵。在礦房分層回采過(guò)程中，回采分層以下的充填體既承受充填料漿中水的浸泡作用，又受深部礦體的巖熱作用而發(fā)生水分流失，影響充填體中膠凝材料的膠結(jié)能力，進(jìn)而影響充填體的后期承載能力；隨著各分層依次充填，充填體經(jīng)歷水的浸泡、水的流失多個(gè)循環(huán)過(guò)程，是典型的干濕循環(huán)作用。

上向水平分層充填體充填體的環(huán)境與受力特征

華北理工大學(xué)劉志義團(tuán)隊(duì)針對(duì)上向水平分層充填采礦法中采場(chǎng)充填體的環(huán)境與受力特征，以養(yǎng)護(hù)齡期和干濕循環(huán)次數(shù)為變量，開(kāi)展了不同條件充填體的核磁共振波譜與單軸壓縮試驗(yàn)，探討了充填體中水的類(lèi)型和賦存形態(tài)，明確了干濕循環(huán)作用下充填體的水理特性，結(jié)合不同條件下的充填體在單軸壓縮下的能量耗散特征，探明了干濕循環(huán)作用下全尾砂膠結(jié)充填體的能耗特征，初步揭示了干濕循環(huán)作用下充填體的損傷機(jī)理。

主要成果如下

（1）干濕循環(huán)作用下尾砂膠結(jié)充填體的含水特征

灰砂比為1:4、1:6、1:8的充填體譜均呈雙峰分布。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，峰位逐漸右移，即峰位對(duì)應(yīng)的值逐漸增加，表明小孔隙占比減少、大孔隙占比增加。隨循環(huán)次數(shù)增加，峰值增強(qiáng)，峰面積增大，說(shuō)明充填體內(nèi)部孔隙數(shù)量變多，孔隙率增大。

（a）1:4灰砂比

（b）1:6灰砂比

（c）1:8灰砂比

充填體低場(chǎng)核磁共振譜曲線

（2）干濕循環(huán)作用下尾砂膠結(jié)充填體的損傷特征

充填體峰值損傷度與循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)，即隨著循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)函數(shù)曲線增長(zhǎng)規(guī)律。尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度主要靠膠凝材料（水泥）與尾砂顆粒遇水后發(fā)生的水化反應(yīng)提供，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物按照一定的方式靠多種引力互相搭接、聯(lián)結(jié)，形成具有一定穩(wěn)定性的框架結(jié)構(gòu)，從而使充填體內(nèi)部顆粒之間相互粘聚、緊密連接形成宏觀上的強(qiáng)度。但隨著干濕循環(huán)作用的進(jìn)行，充填體內(nèi)部的骨架逐漸被破壞，水化硅酸鈣已經(jīng)不能完全包裹顆粒，并且充填體內(nèi)部出現(xiàn)較多不同大小的孔隙，部分孔隙之間相互聯(lián)結(jié)貫通形成裂隙。隨循環(huán)次數(shù)的增加，充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度會(huì)持續(xù)增加，導(dǎo)致充填體更容易產(chǎn)生損傷累積，在宏觀上表現(xiàn)為充填體強(qiáng)度的損失。

峰值損傷度與循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

（3）干濕循環(huán)作用下充填體的能耗特征與損傷演化規(guī)律

充填體的損傷演化過(guò)程可以分為損傷穩(wěn)定發(fā)展和損傷快速增長(zhǎng)2個(gè)階段，峰值應(yīng)變前為第一階段，峰值應(yīng)變后為第二階段。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，充填體的損傷程度增大，且在峰值應(yīng)力前階段增幅尤為明顯，充填體的彈性階段受到干濕循環(huán)作用影響顯著。

干濕循環(huán)作用下充填體的損傷演化過(guò)程為：第1次干濕循環(huán)作用后，充填體在前期未產(chǎn)生明顯損傷，隨著應(yīng)變?cè)黾?，逐漸產(chǎn)生緩慢增長(zhǎng)的損傷，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)變時(shí)，損傷迅速增長(zhǎng)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，充填體峰值應(yīng)變前的損傷程度增大，損傷度增長(zhǎng)速率加快；峰值應(yīng)變后損傷度增長(zhǎng)速率降低，最終趨近于1。

充填體損傷演化與能量耗散之間具有顯著關(guān)聯(lián)。隨應(yīng)力增加，損傷變量與耗散能均呈“S”形增長(zhǎng)：初期應(yīng)力較低，外部荷載施加的能量大部分以彈性能形式儲(chǔ)存，導(dǎo)致耗散能較少，增速緩慢；當(dāng)應(yīng)力逐漸增加，充填體內(nèi)部孔隙、節(jié)理等結(jié)構(gòu)的損傷加劇，耗散能激增并帶動(dòng)微裂紋擴(kuò)展，損傷速率明顯提升；臨近峰值應(yīng)力時(shí)，彈性能突然釋放轉(zhuǎn)化為耗散能，宏觀裂紋貫通導(dǎo)致?lián)p傷陡增；峰后階段，充填體仍具有一定承載能力，部分充填體繼續(xù)被壓密，使能量耗散與損傷增速變緩。綜上表明，充填體內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化與損傷累積存在動(dòng)態(tài)互饋關(guān)系耗散能的突然釋放是損傷演化的關(guān)鍵因素

灰砂比

（a）彈性應(yīng)變能

灰砂比

（b）耗散能

灰砂比和干濕循環(huán)次數(shù)耦合效應(yīng)

應(yīng)變

（a）

應(yīng)變

（b）

_{不同循環(huán)次數(shù)充填體能耗特征與損傷演化曲線}

（4）干濕循環(huán)作用下充填體的損傷機(jī)理

干濕循環(huán)作用使充填體內(nèi)部微孔、小孔增加，孔隙增多，是其微裂紋的優(yōu)先萌生點(diǎn)，在外載荷作用下裂紋在較低能量下即可擴(kuò)展發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致大孔隙之間相互聯(lián)通形成裂隙。在干濕循環(huán)過(guò)程中，由于水具有流動(dòng)性，水沿原有裂隙與新發(fā)育的裂隙進(jìn)入充填體的孔隙中，帶走充填體尾砂與水泥之間弱的膠結(jié)產(chǎn)物和可溶于水的礦物顆粒，導(dǎo)致充填體的孔隙增多，進(jìn)而降低了充填體的有效承載面積，在相同外加荷載下，單位面積承受的應(yīng)力顯著增加，充填體更容易達(dá)到強(qiáng)度極限，進(jìn)而降低了充填體的承載能力。

干濕循環(huán)作用下充填體的微結(jié)構(gòu)演化

本項(xiàng)研究所得結(jié)論如下：

（1）干濕循環(huán)作用會(huì)使充填體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，水的反復(fù)進(jìn)入與流失使其孔隙變大形成缺陷，孔隙之間相互連接貫通形成裂隙，導(dǎo)致充填體密實(shí)性顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致其承載能力損失

（2）干濕循環(huán)作用主要對(duì)充填體峰值前的損傷作用顯著，隨循環(huán)次數(shù)的增加，充填體峰值應(yīng)變前損傷累積程度與速率顯著提高，充填體在峰值損傷速率達(dá)到最大，在峰值后損傷速率逐漸降低

（3）干濕循環(huán)作用下充填體承載能力降低的本質(zhì)是其孔隙結(jié)構(gòu)的劣化，干濕循環(huán)過(guò)程中水分頻繁交換引起充填體內(nèi)部弱膠結(jié)產(chǎn)物流失且孔隙重新分布，使充填體缺陷不斷發(fā)育，損傷持續(xù)累積，最終導(dǎo)致充填體性能的漸進(jìn)劣化

作者簡(jiǎn)介

劉志義

華北理工大學(xué)副教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

兼任中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)礦山信息化智能化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)礦山礦建與資源開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、《金屬礦山》第二屆青年專(zhuān)家學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。

主要從事資源綠色開(kāi)采理論與技術(shù)等方面研究。主持國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目1項(xiàng)、河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目1項(xiàng)，河北省教育廳科技項(xiàng)目1項(xiàng)；作為主研人承擔(dān)國(guó)家深地重大專(zhuān)項(xiàng)課題1項(xiàng)，完成國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、河北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、校企合作項(xiàng)目9項(xiàng)。獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，專(zhuān)利轉(zhuǎn)化1項(xiàng)。

成果來(lái)源

劉志義,李澤森,王奕丹,等.干濕循環(huán)作用下尾砂膠結(jié)充填體能量耗散與損傷機(jī)理研究[J/OL].金屬礦山,1-13[2025-09-17].

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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