华北理工大学刘志义：干湿循环作用下尾砂胶结充填体能量耗散与损伤机理

近日，华北理工大学刘志义团队在尾砂胶结充填体能量耗散与损伤机理研究方面取得了新进展，相关成果，以《干湿循环作用下尾砂胶结充填体能量耗散与损伤机理》为题在《金属矿山》杂志实现了在线首发。作者来自华北理工大学矿业工程学院、矿产资源绿色开发与生态修复协同创新中心、河北省矿山绿色智能开采技术创新中心、河北省矿业开发与安全技术实验室

当前，绿色矿山绿色矿业逐渐成为全社会对矿业发展的共识，绿色矿山建设是中国矿业发展的必由之路，充填采矿法是绿色矿山建设最为有效的开采方法上向水平分层充填采矿法是矿山常用的充填采矿方法之一，该方法将矿块划分为矿房矿柱，先采矿房后采矿柱，矿房自下而上分层回采，依次充填以维护上下盘围岩，并创造不断上采的作业条件。矿房回采到最后一个分层时，进行接顶充填；当回采矿柱时，矿房的胶结充填体起着人工支柱作用承载上覆压力，矿房充填体的承载能力和稳定性是保障矿柱安全回采的关键。在矿房分层回采过程中，回采分层以下的充填体既承受充填料浆中水的浸泡作用，又受深部矿体的岩热作用而发生水分流失，影响充填体中胶凝材料的胶结能力，进而影响充填体的后期承载能力；随着各分层依次充填，充填体经历水的浸泡、水的流失多个循环过程，是典型的干湿循环作用。

上向水平分层充填体充填体的环境与受力特征

华北理工大学刘志义团队针对上向水平分层充填采矿法中采场充填体的环境与受力特征，以养护龄期和干湿循环次数为变量，开展了不同条件充填体的核磁共振波谱与单轴压缩试验，探讨了充填体中水的类型和赋存形态，明确了干湿循环作用下充填体的水理特性，结合不同条件下的充填体在单轴压缩下的能量耗散特征，探明了干湿循环作用下全尾砂胶结充填体的能耗特征，初步揭示了干湿循环作用下充填体的损伤机理。

主要成果如下

（1）干湿循环作用下尾砂胶结充填体的含水特征

灰砂比为1:4、1:6、1:8的充填体谱均呈双峰分布。随着干湿循环次数的增加，峰位逐渐右移，即峰位对应的值逐渐增加，表明小孔隙占比减少、大孔隙占比增加。随循环次数增加，峰值增强，峰面积增大，说明充填体内部孔隙数量变多，孔隙率增大。

（a）1:4灰砂比

（b）1:6灰砂比

（c）1:8灰砂比

充填体低场核磁共振谱曲线

（2）干湿循环作用下尾砂胶结充填体的损伤特征

充填体峰值损伤度与循环次数呈正相关，即随着循环次数增加呈指数函数曲线增长规律。尾砂胶结充填体的强度主要靠胶凝材料（水泥）与尾砂颗粒遇水后发生的水化反应提供，反应生成的水化产物按照一定的方式靠多种引力互相搭接、联结，形成具有一定稳定性的框架结构，从而使充填体内部颗粒之间相互粘聚、紧密连接形成宏观上的强度。但随着干湿循环作用的进行，充填体内部的骨架逐渐被破坏，水化硅酸钙已经不能完全包裹颗粒，并且充填体内部出现较多不同大小的孔隙，部分孔隙之间相互联结贯通形成裂隙。随循环次数的增加，充填体内部结构损伤程度会持续增加，导致充填体更容易产生损伤累积，在宏观上表现为充填体强度的损失。

峰值损伤度与循环次数的变化关系

（3）干湿循环作用下充填体的能耗特征与损伤演化规律

充填体的损伤演化过程可以分为损伤稳定发展和损伤快速增长2个阶段，峰值应变前为第一阶段，峰值应变后为第二阶段。随干湿循环次数的增加，充填体的损伤程度增大，且在峰值应力前阶段增幅尤为明显，充填体的弹性阶段受到干湿循环作用影响显著。

干湿循环作用下充填体的损伤演化过程为：第1次干湿循环作用后，充填体在前期未产生明显损伤，随着应变增加，逐渐产生缓慢增长的损伤，当达到峰值应变时，损伤迅速增长。随着干湿循环次数的增加，充填体峰值应变前的损伤程度增大，损伤度增长速率加快；峰值应变后损伤度增长速率降低，最终趋近于1。

充填体损伤演化与能量耗散之间具有显著关联。随应力增加，损伤变量与耗散能均呈“S”形增长：初期应力较低，外部荷载施加的能量大部分以弹性能形式储存，导致耗散能较少，增速缓慢；当应力逐渐增加，充填体内部孔隙、节理等结构的损伤加剧，耗散能激增并带动微裂纹扩展，损伤速率明显提升；临近峰值应力时，弹性能突然释放转化为耗散能，宏观裂纹贯通导致损伤陡增；峰后阶段，充填体仍具有一定承载能力，部分充填体继续被压密，使能量耗散与损伤增速变缓。综上表明，充填体内部能量转化与损伤累积存在动态互馈关系耗散能的突然释放是损伤演化的关键因素

灰砂比

（a）弹性应变能

灰砂比

（b）耗散能

灰砂比和干湿循环次数耦合效应

应变

（a）

应变

（b）

_{不同循环次数充填体能耗特征与损伤演化曲线}

（4）干湿循环作用下充填体的损伤机理

干湿循环作用使充填体内部微孔、小孔增加，孔隙增多，是其微裂纹的优先萌生点，在外载荷作用下裂纹在较低能量下即可扩展发育，进而导致大孔隙之间相互联通形成裂隙。在干湿循环过程中，由于水具有流动性，水沿原有裂隙与新发育的裂隙进入充填体的孔隙中，带走充填体尾砂与水泥之间弱的胶结产物和可溶于水的矿物颗粒，导致充填体的孔隙增多，进而降低了充填体的有效承载面积，在相同外加荷载下，单位面积承受的应力显著增加，充填体更容易达到强度极限，进而降低了充填体的承载能力。

干湿循环作用下充填体的微结构演化

本项研究所得结论如下：

（1）干湿循环作用会使充填体内部孔隙结构发生改变，水的反复进入与流失使其孔隙变大形成缺陷，孔隙之间相互连接贯通形成裂隙，导致充填体密实性显著改变，进而导致其承载能力损失

（2）干湿循环作用主要对充填体峰值前的损伤作用显著，随循环次数的增加，充填体峰值应变前损伤累积程度与速率显著提高，充填体在峰值损伤速率达到最大，在峰值后损伤速率逐渐降低

（3）干湿循环作用下充填体承载能力降低的本质是其孔隙结构的劣化，干湿循环过程中水分频繁交换引起充填体内部弱胶结产物流失且孔隙重新分布，使充填体缺陷不断发育，损伤持续累积，最终导致充填体性能的渐进劣化

作者简介

刘志义

华北理工大学副教授，博士，博士研究生导师。

兼任中国有色金属学会矿山信息化智能化专业委员会常务委员、中国有色金属学会矿山矿建与资源开发专业委员会委员、《金属矿山》第二届青年专家学术委员会委员。

主要从事资源绿色开采理论与技术等方面研究。主持国家自然科学青年基金项目1项、河北省自然科学基金项目2项、中央引导地方科技发展资金项目1项，河北省教育厅科技项目1项；作为主研人承担国家深地重大专项课题1项，完成国家自然科学基金面上项目2项、河北省自然科学基金面上项目2项、校企合作项目9项。获得省部级科技进步一等奖1项、二等奖4项、三等奖1项；发表学术论文30余篇；授权发明专利3项，专利转化1项。

成果来源

刘志义,李泽森,王奕丹,等.干湿循环作用下尾砂胶结充填体能量耗散与损伤机理研究[J/OL].金属矿山,1-13[2025-09-17].

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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