基于PFC^2D的结构面粗糙度对分层充填体强度的影响分析

摘要

井下充填体的分层结构将会导致整体充填体力学性能的降低，对矿山带来一定的安全问题.为提高分层充填体层与层之间的胶结质量，本文借助3D打印技术制备了四种不同粗糙度结构面（R1、R2、R3、R4）的模具，通过单轴压缩试验和PFC^2D数值模拟的方法，研究了在不同变量因素（料浆质量分数、灰砂比、充填间隔时间）条件下胶结面粗糙度对单轴抗压强度的影响，实现充填体的抗压强度与胶结面粗糙度关系表征.结果表明：（1）当料浆质量分数、灰砂比、充填间隔时间为定值时，分层充填体的抗压强度随胶结面粗糙度的增大而增大；当胶结面粗糙度为一定值时，分层充填体抗压强度随料浆质量分数和灰砂比的提高而提高，随充填间隔时间的增加而降低；（2）通过引入分层充填体强度增强系数r，发现当胶结面粗糙度一定时，r值的变化规律与料浆质量分数、灰砂比整体趋于正相关，与浆料充填间隔时间呈负相关；（3）分层充填体破坏形式主要为整体贯穿张拉破坏形式，且破坏主要集中在分层结构面处；随着粗糙度的增加，充填体逐渐出现大量张拉破坏且有贯穿分层面的长裂纹.这说明随着胶结面粗糙度的增加，分层胶结面的胶结质量更好，充填体的力学性能得到了更多的利用.研究结果可为矿山分层充填提供了理论基础和科学依据.

关键词

分层充填体 / 3D打印 / 胶结面粗糙度 / 强度规律 / 破坏特征

基金资助

国家重点研发计划资助项目（2023YFC2907203）; 国家自然科学基金面上资助项目（52374121,52074121）; 山东省科技型中小企业创新能力提升工程资助项目（2022TSG2077）