摘要
随着浅部矿产资源的枯竭，金属矿产资源的开发逐渐转向地下。充填采矿法以其安全、绿色、高效的优点从而在各大矿山得到了广泛的应用。对于许多大型的采空区而言，矿山常常无法实现一次充填充满采空区，因此需要分多次对采空区进行充填，这就导致了固化后的充填体出现了分层结构，破坏了充填体的完整性，从而在一定程度上弱化了充填体作为井下支撑结构的稳定性。因此本文以全尾砂分层胶结充填体为对象，利用CT扫描、DIC等技术手段，结合数值模拟，分析宏细观缺陷结构在充填体受载过程中的影响机制，得出研究成果如下。 （1）通过对充填体进行室内单轴压缩实验发现，随着分层等宏观缺陷结构的出现，充填体的承载能力降低，2分层和3分层充填体的单轴抗压强度相比无分层的充填体试件分别降低了5.57%和11.82%，分层数越多，充填体的抗压强度越小。在2分层试件中，5°和10°倾斜角度的试件对比0°的试件单轴抗压强度分别下降了4.02%和8.64%，3分层试件中，5°和10°倾斜角度的试件对比0°的试件单轴抗压强度分别下降了7.97%和22.37%，分层的倾斜角度越大，充填体的抗压强度越小。随着分层的出现，充填体的损伤破坏向分层接触面集中。 （2）对试件的压缩过程进行实时CT扫描，在二维切片图像中，发现在上分层接触面处的样本断层切片从0到30%应力水平，孔隙率上升了70.83%，从30%到70%应力水平，孔隙率下降了23.82%，呈现出先上升后下降的趋势。在下分层接触面处的样本断层切片从0到30%应力水平，孔隙率上升了19.44%，从30%到70%应力水平，孔隙率下降了8.47%，也呈现出先上升后下降的趋势。在上中下分层中，样本切片的孔隙率均低于1%，且前后变化幅度较小。细观结构的变化最终影响充填体的宏观破坏产生区域，在中间分层和两个分层接触面处发生剧烈破坏。 （3）通过对充填体CT扫描图像进行三维重构，获取了试件和孔隙的三维模型，计算各阶段孔隙体积分数。在应力水平为0%时，孔隙率为0.235%；应力水平为30%时，孔隙率为0.352%，上升了49.8%；应力水平为70%时，孔隙率为0.289%，下降了15.3%，孔隙的体积大小呈现出先上升后下降的趋势。在上中下分层及上下分界面5个区域中，孔隙变化程度最大的为中间分层，孔隙率对比0%峰值应力时上升了117.2%，超过试件整体的孔隙率79.5%，说明了在多分层充填体中，上下分界面对中间层的弱化作用，导致应力集中在中间分层。在30%-70%应力水平阶段，所有的区域孔隙率变化均小于10%，在破坏阶段，上中分层孔隙率较大，破坏较为严重。试件中压缩前期主要的孔隙结构变化以及压缩后期的破坏主要集中在中间分层及两个分界面附近。 （4）对试件的压缩过程进行DIC测试，分析试件的表面变化，主要的应变由试件上下端部集中转向集中在分层接触面处，同时，随着分层角度的增加，试件的轴向和径向应变分布由无角度分层试件的均匀分布转变为有明显倾斜角度的分布趋势，说明了分层角度的出现导致了应力分布不均，试件的变形呈现出斜向的趋势。 （5）不同分层的试件模型在压缩模拟过程中均呈现出与实际接近的应力应变曲线，且随着分层的出现，在分层接触面处更容易发生裂纹的萌生。在不同结构的试件中，均以张拉裂纹为主，剪切裂纹为辅。同时试件的应变能与分层数的增加成反比。对多项实验结果进行对比，呈现出较高的一致性，与CT扫描实验的结果进行对比发现，充填体主要的破坏模式以宏观结构的影响为主，但细观缺陷也会在一定程度上影响裂纹等破坏的发展趋势。
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