地下金屬礦山結構型充填體力學研究現狀與發展趨勢*

譚玉葉，熊朝輝，宋衛東

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室, 北京 100083)

0 引言

采礦業為人類提供了賴以生存的物質基礎，對國民經濟持續健康發展具有重要意義。 “綠水青山就是金山銀山”的發展理念對傳統礦業提出了更高的要求。充填開采具有安全、高效、經濟、環保等優點，是綠色開采的發展方向和必然選擇。膠結充填工藝因材料來源豐富、制備過程便捷、輸送系統簡單、養護強度高等優勢，已成為地下采空區處理及地壓管理的首選方法。而充填法中的分段或階段空場嗣后充填法因其安全、高效及自動化程度高等優點，逐漸成為地下金屬礦山的首選采礦方法[1]。

膠結充填體能夠作為人工礦柱起到支撐圍巖、控制地壓的作用，其強度大小是影響二步礦柱安全回采的關鍵因素。然而，高強度的膠結充填體成本高昂，為確定合理的充填體強度以降低充填成本，國內外學者圍繞單一完整充填體力學特性開展了大量研究工作。通過室內試驗、數值模擬及理論分析得到了不同灰砂比、尾砂級配及類型、膠凝材料等影響因素下的強度計算公式及損傷本構模型，用以指導膠結充填體強度設計[2-5]。

階段空場嗣后充填法中，一步驟礦房充填結束后，礦柱與膠結充填體形成相互交錯包裹的結構[6]；不僅如此，階段空場嗣后充填法中單個采空區體積高達數萬立方米，無法一次連續充填完畢，受多次充填及間隔時間等因素影響，最終形成的膠結充填體出現了分層結構。這種結構特征的出現必然會引起膠結充填體整體強度的變化，其失穩破壞機理與單一或完整膠結充填體存在較大差異。

近年來，結構型充填體成為新的研究熱點及方向，國內外學者針對結構型充填體強度特征、宏細觀破壞及其影響因素進行了大量研究，取得了許多重要的研究成果與結論，為科學合理地設計和確定階段空場嗣后膠結充填法中高階段充填體強度及結構提供了理論依據。本文對結構型充填體靜態和動態力學特性的研究現狀進行了總結，并對未來的研究方向進行了展望。

1 結構型充填體分類及作用方式

1.1 結構型充填體分類

根據階段空場嗣后充填法的采場布置及充填工藝特點，可將結構型充填體分為以下幾種類型：

a.圍巖包裹充填體(Rock around Backfill)，簡稱“RB組合結構”，如圖1(a)所示；

b.充填體包裹圍巖(Backfill around Rock)，簡稱“BR組合結構”，如圖1(b)所示；

c.分層膠結充填體(Layered Cemented Backfill)，簡稱“LCB結構”，如圖1(c)所示。

(a) 圍巖包裹充填體

1.2 結構型充填體作用方式

通過對單一完整充填體的研究，目前普遍認為，充填體對圍巖的支撐作用包括表面支護、局部支護和總體支護[7-9](見圖2)：

a.表面支護是指充填體對采場邊界關鍵塊體起到表面支護作用，防止巖體在低應力條件下發生空間上的漸進破壞；

b.局部支護是指采場幫壁巖體發生準連續性剛體位移，使充填體發揮被動抗壓作用；

c.總體支護是指充填體起到總體支護構件作用，使整個礦山近場區域中的應力降低。

(a)表面支護 (b)局部支護 (c)總體支護

對不同結構型充填體的作用方式總結如下：

1) RB組合結構

有學者[10]通過室內三軸試驗，得到了RB組合結構作用方式為：①充填體的存在減緩了圍巖的破壞及變形速度，可阻止巖石塊體的剛性滑移、抵抗圍巖的閉合；②充填體的存在提高了組合試件的殘余強度，防止巖體在低應力條件下發生空間上的漸進破壞。

2) BR組合結構

有研究[11]表明，BR組合結構作用方式為：①充填體的存在提高了圍巖的承載能力，可阻止巖石塊體的大變形；②充填體的存在使能量在接觸面發生循環反射，巖塊多次破壞，這在開采作業中可降低相鄰礦柱的大塊率。

3) LCB結構

室內試驗研究發現，LCB結構與普通完整充填體的作用方式基本一致，但由于結構面的存在，LCB結構對圍巖的支撐作用隨著分層次數的增加而降低[12]。

對比分析結構型充填體與完整充填體可知：組合結構抗壓強度更高，對于圍巖的支撐效果更好；而分層結構由于分層面的存在，強度降低，但是更符合現場充填作業的實際情況。

2 結構型充填體靜態力學特性研究現狀

結構型充填體考慮充填體與圍巖共同作用及實際充填中的充填體分層現象，與完整充填體相比其強度及變形特性受結構特征的影響而發生改變。充填體起到應力吸收及應力轉移、被動支護及控制圍巖變形的作用，這就要求結構型充填體需具有與之匹配的強度。開采完畢的采場中，充填體長期處于靜態應力場中，參考單一完整充填體力學特性的研究思路及方法，國內外學者對結構型充填體的靜態力學特性進行了大量研究。以下從結構型充填體的應力-應變特征、損傷本構關系及破壞特征等方面對其研究現狀進行闡述。

2.1 應力-應變特征研究

應力-應變曲線表征了膠結充填體受外應力作用后開始變形，然后逐漸破壞，最終失去承載能力的整個過程。在單一完整充填體的研究中，應力-應變曲線一般通過單軸或三軸試驗得到，在此基礎上開展強度、彈性模量等力學參數的研究。結構型充填體的應力-應變曲線同樣可通過單軸或三軸試驗得到。

2.1.1 RB組合結構

王明旭[13]通過單軸壓縮試驗，得到了RB組合結構應力-應變曲線(見圖3)，該曲線可劃分為壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段及峰后強度殘余階段等4個階段。

圖3 RB組合結構單軸壓縮應力-應變曲線

汪杰等[14]借助PFC模擬了不同圓柱直徑下的單軸壓縮試驗，研究發現：隨著直徑的增大RB模型峰值應力以線性方式降低、峰值應變以多項式函數方式降低、彈性模量以線性方式降低；與相同條件下的完整充填體及巖石對比可知，組合結構強度介于兩者之間；與完整充填體相比，組合試件的殘余強度得到了強化，這是因為充填體對結構起到了支撐保護作用。

宋衛東等[10-11]通過三軸壓縮試驗得到了RB組合結構應力-應變曲線(見圖4) ，其主要包括以下7個階段：①巖柱試件承載階段AB；②組合試件線彈性破壞階段BC；③彈性變形轉為塑性變形且巖石試件發生破壞階段CD；④巖石試件完全破壞而充填體處于應力極限階段DE；⑤破壞后巖石與充填體共同承載且充填體發生塑性變形階段EF；⑥充填體及巖石試件均發生破壞階段FG；⑦G點以后進入殘余應力階段。

圖4 RB組合結構三軸壓縮應力-應變曲線

YU等[15]對RB組合結構試件進行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗，得到了軸向和徑向應力-應變曲線(見圖5) 。研究結果表明，在體積分數相同時，隨著圍壓的增大，試件強度增大，但與完整巖石試件相比，其強度偏小。

圖5 不同圍壓下RB組合結構三軸壓縮應力-應變曲線

考慮結構接觸面的影響，修占國等[16]通過三軸剪切試驗對不同養護時間及不同圍壓下充填體和RB組合結構界面的剪切力學參數(黏聚力、內摩擦角) 進行了對比和量化分析，結果表明：隨著圍壓的增加，界面處的抗剪強度增大；充填體的剪切力學參數明顯大于相應圍巖-充填體界面的參數，且RB組合結構試件的整體強度受試件交界面處的剪切力學參數的影響。于世波等[17]采用現場監測及數值模擬手段，進行了圍巖及充填體的耦合作用研究，發現采礦階段圍巖移動變形以初期的彈性變形及后續的非線性變形為主；膠結充填體應力吸收效果顯著，能夠較好地控制圍巖變形。

2.1.2 BR組合結構

在不同加載條件下，BR組合結構試件的應力-應變特征受灰砂比、巖柱類別、圓柱直徑等的影響，在不同影響因素下表現出不同的特點。譚玉葉等[11]對BR圓形組合試件進行了單軸壓縮試驗，結果表明：組合試件經歷了初始壓密階段、線彈性階段、塑性破壞階段及試件完全破壞階段；對比完整充填體試件及巖石強度，組合試件強度處于兩者之間。在此研究基礎上，汪杰等[14]通過PFC模擬了不同圓柱直徑下的方形BR組合結構的單軸抗壓強度試驗，得到與完整充填體類似的BR組合結構應力-應變曲線(見圖6) ，研究發現：峰值應力、峰值應變、彈性模量均介于單一充填體和巖石之間；隨著充填體直徑的增大，BR模型峰值應力以線性方式降低、峰值應變以多項式函數方式降低、彈性模量以線性方式降低。

圖6 BR組合結構單軸壓縮應力-應變曲線

為探究側限條件下BR組合結構的應力-應變特征，金愛兵等[18-20]對不同灰砂比的BR組合結構試件進行了側限壓縮試驗，得到了應力-應變曲線(見圖7) 。由圖7可知，應力-應變曲線總體上可以分為4個階段：巖柱試件承載階段OA、巖柱試件的破壞階段AC、充填體-圍巖共同承載直至破壞階段CD、充填體和圍巖散體承壓階段DE。組合結構試件強度介于單一充填體及巖石試件強度之間，充填體提高了巖石試件的殘余強度，采場中充填體能夠對巖柱起到較好的支撐保護作用；隨著充填體強度的增大，巖柱的峰值強度、殘余強度以及破壞時的軸向應變逐漸增大。

圖7 BR組合結構三軸壓縮應力-應變曲線

2.1.3 LCB結構

基于單一完整充填體的研究思路及方法，在不同加載路徑下，LCB結構的強度及變形特性受灰砂比、充填次數、料漿質量分數、分層高度、分層面傾角等的影響，在不同條件下表現出獨有的應力-應變特點。

為探究不同條件下LCB結構的應力-應變特征，曹帥等[21]通過對不同濃度下LCB結構的單軸壓縮試驗，得到了應力-應變曲線(見圖8) ，發現LCB結構表現出與巖石類似的4個階段：壓密階段、線彈性階段、裂紋擴展階段、破壞發展階段；同一料漿質量分數(70%)下充填體強度隨著充填次數的增加而弱化。

圖8 LCB結構單軸壓縮應力-應變曲線

圖9 不同養護齡期下LCB結構單軸壓縮應力-應變曲線

為進一步探究LCB結構的強度與充填次數之間的關系，陳國瑞等[22-23]通過單軸壓縮試驗發現：充填體抗壓強度與充填次數之間滿足多項式函數關系，強度隨充填次數的增加而減小；割線模量與充填次數呈冪函數分布并隨充填次數的增加而逐漸減小。考慮間隔時間及料漿質量分數對充填體強度的影響，曹帥等[24]研究發現：膠結充填體峰值抗壓強度隨充填間隔時間的增加呈遞減趨勢；充填間隔時間一定時，膠結充填體抗壓強度隨料漿質量分數的增大而增大，且峰值抗壓強度與充填間隔時間呈多項式函數規律。

唐亞男等[25-27]通過對改變LCB結構的分層高度及灰砂比的試件進行了單軸抗壓強度試驗，結果表明：分層充填體單軸抗壓強度與高度比呈指數函數關系、與灰砂比呈多項式函數關系；彈性模量與高度比及灰砂比均呈多項式函數關系；單軸抗壓強度及彈性模量均隨高度比的增大而減小、隨灰砂比的增大而增大。

為研究不同養護齡期下LCB結構的應力-應變特征，王永巖等[28]通過單軸壓縮試驗得到了不同養護齡期下LCB結構的應力-應變曲線(見圖9) ，其與完整充填體的曲線基本一致；LCB結構的抗壓強度和彈性模量隨養護齡期的增大而增加；膠結充填體峰值抗壓強度隨充填間隔時間的增加呈遞減趨勢。

趙康等[29]將兩個不同灰砂比充填體試件直接疊加在一起模擬LCB結構并進行了單軸抗壓強度試驗，發現組合體的整體峰值強度取決于灰砂比較小試件的峰值強度，組合充填體的應力-應變曲線與峰值強度較小試件的曲線在數值和變化趨勢上相似。FANG等[30]提出了一種描述充填體-圍巖界面在不同熱力條件下剪切行為的溫度-化學-力學ZCM模型，采用數值模擬方法驗證其可用于預測界面在不同齡期的斷裂韌性的演化；通過對不同黏結力界面的模擬研究，發現黏結力越強的試件其抗剪能力越強。

綜上所述，現有研究主要通過室內單軸及三軸壓縮試驗獲得結構型充填體的應力-應變曲線。與單一完整充填體相比，組合結構的強度、彈性模量及抗破壞能力更具優勢。但是目前對結構型充填體三軸剪切力學特征的研究較少，后續需加強此方面的研究。

2.2 本構關系分析

損傷演化特征的研究是充填體力學最基礎也最重要的研究內容之一。目前，針對單一完整充填體損傷本構模型方面的研究較多，而針對結構型充填體本構模型研究的成果較少，總結如下。

2.2.1 充填體-巖石組合結構損傷本構模型

有學者對不同組合結構進行了損傷本構模型的構建[31]。基于完整充填體的損傷演化模型，以能量耗散原理為基礎，根據組合試件的特性，單獨分析充填體與巖石的耗能，得到充填體及巖石破壞時的耗散能分別為G1、G2，代入完整充填體的損傷本構方程得到組合結構的損傷本構方程[見式(1)]，通過實驗驗證該本構方程可以有效描述圍巖-充填體組合結構的損傷演化過程。

(1)

式中：σ為模型應力；E0為模型彈性模量；ε為模型應變；G為充填體試件總損傷耗散能率；σp1、εp1、E01分別為完整充填體單軸壓縮峰值應力、峰值應變、彈性模量，σp2、εp2、E02分別為完整巖石單軸壓縮峰值應力、峰值應變、彈性模量。

2.2.2 分層膠結充填體損傷本構模型

基于單一巖石試件的損傷本構模型，FU等[32]考慮了分層面對充填體的影響，提出了一種本構模型[見式(2)]，并通過室內試驗數據進行了驗證，證明該本構模型可用于分層充填體的損傷演化分析。

(2)

式中：σ1為主應力；σ3為水平應力；En為分層數為n的充填體彈性模量；ε1、ε3為充填體材料的應變量；m、ε0為分布參數；μn為分層數為n的充填體泊松比；σf和εf分別為不同層狀充填體應力-應變曲線極值點處的應力和應變。

2.3 結構型充填體破壞特征研究

通過研究結構型充填體在不同條件下的損傷破壞特性，能為礦山比較準確地確定合理的充填體強度及結構提供理論依據。結構型充填體的破壞特征研究主要基于單一完整充填體的研究手段和方法進行，敘述如下。

2.3.1 BR組合結構

汪杰等[14]通過單軸壓縮數值模擬試驗，發現BR組合結構試件破壞過程為充填體內部先出現微裂紋，然后微裂紋數量迅速增加，之后逐漸擴展至巖石內部，最后逐漸貫通形成宏觀裂紋，組合模型失穩破壞。王明旭[13]通過三軸剪切試驗發現，BR組合結構試件的破壞裂紋主要沿著巖石與充填體的接觸面擴展，逐漸貫通形成大裂紋，組合模型失穩破壞。ZHAO[33]對采場BR組合結構進行了數值模擬，研究了不同充填體傾角下組合結構的破壞特征，發現充填體傾角在60°～80°時試件破壞是由圍巖的拉剪引起的，而在90°時是由圍巖拉伸引起的。WANG等[34]通過對不同界面角的BR組合結構試件進行了單軸壓縮試驗，得到界面角為0°、15°、30°的試件強度與破壞特征是由充填體決定的，破壞形式為剪切破壞及拉剪破壞。YU等[15]基于組合結構的三軸壓縮試驗，研究發現巖石試件的剪切及拉伸斷裂與圍巖-充填體界面的滑移破壞同時發生，表明界面的抗剪強度影響了整個試件的強度。WU等[35]通過三軸抗壓強度試驗，發現界面角決定了組合試件的破壞模式，在低圍壓下，試件發生滑移破壞，在高圍壓下發生剪切破壞。

綜上所述，與單一充填體相比，BR組合結構破壞先發生在內部充填體，然后擴展至巖石，巖石破壞后整個組合試件發生破壞；組合結構的破壞主要是剪切破壞及拉剪復合破壞，破壞模式受到界面傾角的影響，組合結構的強度受到界面抗剪強度的影響。

2.3.2 RB組合結構

汪杰等[14]采用PFC模擬了不同圓柱直徑下RB組合結構單軸壓縮試驗，發現充填體內部先出現微裂紋，然后微裂紋數量迅速增加，之后逐漸擴展至外部巖石內部，最后逐漸貫通形成宏觀裂紋，導致組合模型失穩破壞，不同巖柱直徑的破壞趨勢一致。孫光華等[19-20]研究發現：在側限壓力作用下，組合試件中巖柱先發生塑性破壞，巖柱完全破壞后充填體承載了主要壓力而發生剪切破壞，最終整個組合試件失穩破壞；與單一巖柱試件相比，組合試件中的巖柱試件破壞更徹底，但在充填體的支撐保護下，組合試件的殘余強度更大。

綜上所述， RB組合結構破壞模式主要為剪切破壞，破壞過程為充填體及巖柱內部微裂隙在外荷載下的擴展、匯集及貫穿。與單一充填體試件不同， RB組合結構試件的破壞較為復雜，受結構面影響外圍充填體先破壞，接著引起巖柱試件的塑性破壞，最后整個試件發生破壞。

2.3.3 LCB結構

LCB結構破壞特征研究可以為二步驟礦柱回采、采場支護優化提供理論依據和必要的參數。

通過對不同充填次數下的LCB結構試件進行單軸壓縮試驗，發現2次充填時主要表現為共軛剪切破壞，3、4次充填時主要表現為貫穿分層面的張拉破壞，且在分層面出現不同程度的分離、錯動，在上分層表現為碎脹破壞[21-22]。

不同充填間隔時間的LCB結構試件試驗研究發現，充填間隔時間為 12 h 的試件主要表現為貫穿分層面的張拉破壞；間隔時間為24、36 h的試件仍以張拉破壞為主，但靠近加載端的上分層充填體逐漸表現出剪切破壞形式；間隔時間為 48 h 的破壞表現出張拉和剪切共存的破壞形式[24]。針對不同分層高度和灰砂比下LCB結構試件的單軸壓縮試驗發現，主要存在3種破壞模式：剪切破壞伴隨次生剪切裂紋、張拉破壞伴隨次生張拉裂紋以及共軛剪切破壞伴隨次生拉剪破壞[25]。

通過聲發射研究LCB結構在單軸壓縮條件下的損傷破壞特征發現：在中間層高度較小時，主要為拉伸破壞；在中間層高度較大時，主要為剪切破壞[36]；試件從中間開始破壞向兩端延伸，并隨著灰砂比的降低，破壞模式由拉伸破壞轉為拉剪復合破壞。

綜上所述，LCB結構與完整充填體相比，受分層弱面的影響，不僅抗壓強度減弱，破壞模式也發生了改變，完整充填體破壞以貫穿張拉破壞及剪切破壞為主，而LCB結構還伴隨著共軛剪切破壞、碎脹破壞等模式。

3 結構型充填體動態力學特性研究現狀

3.1 應力-應變特征研究

在嗣后充填二步回采時充填體不可避免地受到爆破擾動，如不加以控制必將影響采場安全，因此開展結構型充填體動態力學特性研究對于實現安全高效二步回采具有重要意義。下面將從動載條件下結構型充填體的應力-應變特征、破壞特征等方面對其動態力學特性研究現狀進行闡述。

1) 充填體-巖石組合結構

由于充填體-巖石組合結構本身的結構特征，目前一般采用循環加載的方法開展動態力學特性研究。王志國等[37]對充填體與圍巖組合模型進行了循環加載試驗，結果表明：充填體能夠增強圍巖的完整性及強度；組合模型的破裂經歷了一個擴容的過程；不同側壓下循環加卸載應力-應變曲線形成多塑性滯回環，巖性越軟滯回現象越顯著；應變場在低循環荷載時近似均勻場，高荷載時在加載非均勻場與卸載均勻場之間變換，漸呈應變局部化特征。

2) LCB結構

LCB結構作為人工礦柱，受到來自遠場及近場礦柱開采的爆破擾動，對其進行動態力學特征研究很有必要。

通過不同圍壓下組合試件的SHPB沖擊試驗，得到相同動載不同軸壓下的充填體應力-應變曲線(見圖10)。由圖10可知，沖擊荷載下充填體變形主要分為彈性階段(OA)、屈服階段(AB)、破壞階段(BC)、無明顯密實階段[38]。與靜載相比，沖擊荷載作用下充填體快速密實變形，微裂隙壓密階段不明顯。在此基礎上，綜合不同灰砂比充填體的分層特征及與圍巖、非膠結充填體的相互作用，首次創建了遠場爆破擾動下LCB結構動力響應模型分析方法，研究了LCB結構動力響應機制，結果表明：在遠場爆破水平應力波作用下，灰砂比大小嚴重影響LCB結構的速度、位移響應，進而影響充填體的穩定性；現場監測和數值模擬結果驗證了該方法計算結果的可靠性[39]。WANG等[40]開展了4種圍壓下LCB結構試件的三軸循環加載試驗，結果表明：當圍壓小于0.2 MPa時，試件的抗壓強度升高；當圍壓大于0.8 MPa時，試件的抗壓強度降低；當圍壓為0.5 MPa時，1、2分層強度升高，3、4分層強度降低。總體來說，在動態荷載下，由于結構型充填體內部微裂隙被快速壓實，充填體強度雖然出現了增長，但是失穩時間變短了。

(a)動載0.3 MPa

3.2 結構型充填體破壞特征研究

1) RB組合結構

王志國等[41]通過循環加載試驗，采用聲發射對RB組合結構的破裂特征進行了研究，結果表明：隨著循環次數的增加，應力水平越高，每個循環的AE能率峰值越大；這是因為應力水平升高，組合結構進入塑性屈服階段，微裂隙逐漸擴展、貫通成宏觀大裂紋，最終演化為宏觀裂紋。LI等[42]研究了不同圍壓下爆破擾動對RB組合結構的損傷演化，結果表明：在圍壓不變的情況下，隨著動載的增大，充填體試件內部裂隙先減小后增大，而在圍巖破壞后，組合試件孔隙率急劇增大，說明圍巖的完整性對于整個結構的承壓能力起了決定性作用；隨著圍壓的增大，試件在動載作用下呈脆性破壞。

以上研究成果可為現場爆破參數優化及采場結構的優化提供理論參考。

2) LCB結構

陳超等[38]對LCB結構試件進行了不同圍壓下的沖擊試驗，研究發現：在常規沖擊時，充填體破壞模式為劈裂拉伸破壞，裂紋多沿軸向分布；在不同圍壓的沖擊下，充填體破壞模式表現為剪切破壞。WANG等[40]通過SEM及CT掃描技術，研究得到循環加載下，在分層面的孔隙微裂隙被壓實，隨著圍壓的增大，易在孔隙周圍形成應力集中，產生局部疲勞損傷破壞。以上研究成果為LCB結構的優化提供了科學指導。

4 結構型充填體細微觀損傷力學特征研究現狀

隨著巖體損傷力學及其他相關學科如斷裂力學、細觀力學、實驗力學及計算機圖像學的發展與進步，結構型充填體損傷表征尺度從宏觀逐步向細觀、微觀發展。目前，對于細微觀尺度，主要通過裂紋及孔隙數目、長度、面積、體積等參數進行表征，細微觀參數主要通過超聲波檢測法、聲發射檢測法、CT掃描及核磁共振技術、掃描電鏡等手段獲得[43-45]。

CT掃描及核磁共振技術具有以下優勢：①可進行細觀損傷的快速無損識別；②可進行細觀尺度至宏觀尺度內損傷的同步識別；③可進行巖體內部任意斷面處的損傷探測；④可獲得表征斷面損傷特征的高分辨率數字圖像及相應數據，結合圖像處理技術進行系統定量分析。該技術已在結構型損傷力學研究中得到了廣泛應用。

XUE等[46-47]基于掃描電鏡得到的SEM圖像，分析了摻纖維膠結充填體中纖維的幾何分布及聯結作用，將CT掃描得到的數據生成二維圖片，經分析發現，隨著試件變形量的增大，纖維表現出滑移、拔出、拉斷等狀態。YU等[48]基于CT掃描技術，獲得了三軸壓縮下RB組合結構試件破壞前后的細觀斷裂數據，并將圖像轉換為點云，通過點云的三維可視化分析發現RB結構試件發生壓裂，而充填體少見壓裂；結合聲發射監測結果，發現巖石發生了獨特的斷裂演化過程(見圖11)。LI等[42]基于核磁共振技術，分析了不同圍壓下爆破擾動對RB組合結構的損傷演化。

圖11 RB組合結構試件巖石孔隙和微缺陷在三軸壓縮作用下的變化情況

5 結構型充填體力學研究發展趨勢

目前，對于結構型充填體的靜態力學特性已有大量研究，但是動態力學特性研究相對較少，組合結構面的細微觀參數研究也比較匱乏。因此，建議未來結構型充填體的力學研究從以下幾個方面展開。

1) 動態力學特性研究

目前，關于結構型充填體動態力學特性的研究方法較少，主要以循環加載試驗居多，然而循環加載條件并不能完全反映爆破擾動下的動態應力狀態，因此需要結合結構型充填體自身特點，探索更為適合的試驗方法。

2) 動態損傷力學本構方程

本構方程是損傷力學的理論基礎，目前尚無相應的本構方程對其動態損傷特性及行為進行精確描述，導致理論研究與工程實際應用存在一定偏差。因此，構建具有工程應用價值的動態損傷本構方程是未來結構型充填體損傷力學研究的重點。

3) 組合結構接觸面細微觀損傷分析

目前關于結構型充填體的細微觀研究，主要是對受外荷載作用下的充填體或圍巖的損傷破壞進行分析；結構面作為結構型充填體的重要特征，探究其細微觀損傷機理，對于探索結構型充填體力學特性及損傷變形機理具有重要意義。

6 結論

a.現階段針對結構型充填體的力學特征研究主要圍繞應力-應變特征、本構方程、破壞模式和損傷破裂特征等內容開展，考慮靜態及動態(爆破擾動)兩種條件，目前已取得了許多有理論價值和工程應用意義的成果，為嗣后充填法采場結構選擇、充填體強度確定及結構設計提供了理論依據和科學指導。

b.現階段結構型充填體力學特征研究的手段和方法主要有室內單軸或三軸壓縮試驗、SHPB沖擊試驗、剪切試驗、聲發射監測、數值模擬及理論分析等；隨著細微觀力學研究的興起，CT無損掃描、核磁共振技術、掃描電鏡開始用于結構型充填體細觀參數的獲取。該研究方向將成為未來一段時間的發展趨勢，必將推動礦山膠結充填朝著精準化方向發展。

c.在結構型充填體動態力學特性研究方面，結合結構型充填體自身特點，探索適合的試驗研究方法和構建具有工程應用價值的動態損傷本構方程是未來一段時期的研究重點；同時，結構面作為結構型充填體的重要特征，探究其細微觀損傷機理，對于全面揭示結構型充填體力學特性及損傷變形機理具有重要意義。