Experimental study on mechanical properties of filling-bulk ce-menting combination body
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摘要:
为研究充填开采过程中采空区内冒落矸石对充填体的影响，对不同散体高度、散体岩性及充填体强度的充填体−散体胶结组合体进行单轴压缩试验，借助声发射三维定位技术对组合体试样的单轴压缩破坏过程进行实时监测，通过AE事件的时间参数与应力应变曲线4个阶段的起始时间点相结合，对加载过程中AE事件对应的变形破坏过程进行表征，并基于此建立了组合体结构面破坏模型。研究结果表明：散体高度与组合体强度呈负相关关系，充填体与散体胶结组合体高度比为1∶4的组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的55.0%；散体岩性和充填体强度与组合体强度呈正相关关系，虽然高强度的充填体可以提高组合体的单轴抗压强度，但是组合体中的充填体强度越高，组合体的强度折减越严重。当胶结散体中的颗粒岩性为强度较低的粉砂岩时，组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的42.9%；抗压强度较小的粉砂岩在破坏过程中会出现因剪切破坏形成的破裂面，而抗压强度较大的灰岩可以利用散体颗粒自身的抗剪强度承受剪切荷载；当胶结散体内的胶结基质失效或散体颗粒破碎时，充填体和胶结散体的结构面发生非均匀压缩变形，致使充填体在散体破坏的结构面上产生应力集中现象，导致上部的充填体局部发生剪切破坏，充填体的破坏是轴向应力和结构面非均匀变形的共同作用结果。
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关键词:
- 充填开采 /
- 冒落岩体 /
- 充填体−散体胶结组合体 /
- 声发射事件
Abstract:In order to study the influence of caved rocks in the goaf on the backfilling body in the backfilling mining, uniaxial compression test are carried out on the backfilling body-cemented granular body combination with different granular heights, discrete element lithology and backfilling body strength. The uniaxial compression failure of the combination body specimen is monitored in real time by using the three-dimensional acoustic emission positioning technology. The deformation and failure corresponding to the AE events in the loading process is characterized by combining the time parameters of AE events with the starting time points of the four stages of the stress-strain curve. Based on this, the failure model for the interface of the combination body is established. The results show that the height of granular is negatively correlated with the strength of the combination body, and the uniaxial compressive strength of the combination body with the backfilling height ratio of 1:4 is only 55.0 % of that of the single backfilling body. The discrete element lithology and the strength of backfilling body are positively correlated with the strength of the combination body. Although high-strength backfilling body can improve the uniaxial compressive strength of the combination body, the higher the strength of filling body in the combination body, the more serious the strength reduction of the combination body. When the particle lithology in cemented bulk is siltstone with low strength, the uniaxial compressive strength of the combination body is only 42.9% of that of single combination body. The siltstone with smaller compressive strength will have a fracture plane due to shear failure during the failure, and the limestone with larger compressive strength can withstand shear load by using the shear strength of the granular particles. When the cementing matrix in the cemented granular fails or the particles in the cemented granular are broken, the interface of the backfilling body and the cemented granular undergoes non-uniform compression deformation, resulting in the stress concentration on the backfilling body on the interface damaged by the cemented granular, resulting in the shear failure of the upper backfilling body locally, and the failure of backfilling body is the contribution of both axial stress and non-uniform deformation of the interface.
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0. 引 言
随着我国经济的快速发展，对资源的需求量也日益增加，煤炭作为我国基础能源，在能源结构中扮演重要的角色。尽管国家大力推动新能源的发展，以减少一次性能源（尤其是煤炭）的开发利用。但是，从国家统计局发布的数据来看，煤炭仍然占我国一次能源结构的60%左右，并在未来一段时间仍将保持较大的比重[1-3] 。
在“碳达峰、碳中和”的背景下，煤矿既是重要的能源供应来源，亦是温室气体排放的主要源头。其中煤层瓦斯产生的温室效应是二氧化碳的数10倍，若直接将其排放至大气中，将面临严峻的环境压力，同时煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯事故严重威胁着矿井的安全生产[4-6]。而煤层瓦斯也是一种重要的非常规天然气，可作为我国能源结构中重要的能源补充。因此，通过有效地瓦斯抽采，实现煤与瓦斯共采是当前提高煤炭清洁高效利用、缓解环境温室效应、提升瓦斯治理水平的重要举措。
周世宁等[7-8]创建的煤层瓦斯赋存与流动理论，从本质上阐明了煤层瓦斯来源及赋存条件。钱鸣高等[9-10]提出了覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论，为探究采空区上覆岩层裂隙奠定了基础。袁亮等[11-14]开创性提出了卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采技术原理，成功地解决了低透气性高瓦斯煤层安全开采技术难题，并在淮南矿区首次实现了煤与瓦斯共采重大突破。多年来，我国煤与瓦斯共采技术经过在理论上的发展和工程上运用，逐渐形成了基于松软低透煤层群卸压瓦斯抽采的淮南模式[15-18]、基于三区联动井上下立体抽采的晋城模式[19-21]以及基于三区配套三超前增透抽采的松藻模式[22-24]，发展成熟的开采技术手段为解决我国煤炭开采困境和挑战提供了强有力的支撑与动力。
文献计量学是采用数学和计算机统计方法，以发文量、作者、研究机构、被引文献、关键词时序演变以及突现特征为对象，分析学科发展过程、研究热点演变、机构和作者分布等，进而提出学科的发展方向[25-31]。借助文献计量分析软件实现数据挖掘的可视化，可更加生动、直观地将主题的发展历程及演化规律以知识图谱的方式进行展示，进而为研究人员提供一个全新、宏观的观察视角。近年来，随着文献计量学方法的广泛使用，现已在医、农、工、理等多个学科领域被大量应用。张村等[32]利用CiteSpace软件探讨了2010—2020年国际煤层气开采的发展趋势；郭柱等[33]对低阶煤热溶萃取提质研究进展展开了分析，总结与预测了研究方向和热点趋势；YANG等[34]为分析全球范围内煤自燃的研究现状，基于CiteSpace软件评价了不同国家、机构、作者以及关键词之间的关系;JIANG等[35]采用文献计量学的方法展望了我国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的总体发展状况与研究热点。
当前对于我国煤与瓦斯共采的研究主要还是从微观、离散的抽采技术和装备设施等方面展开的，而利用文献计量学的方法从宏观视角对其发展演化规律的阐述仍较少。笔者借助CiteSpace知识图谱软件，利用中国知网（CNKI）数据库对我国煤与瓦斯共采的相关文献进行可视化分析，绘制发文量、研究机构以及关键词分析等知识图谱，通过文献调研、文献计量和知识图谱等手段进行梳理和总结，从一个全新的观察视角切入，挖掘其前沿热点和发展趋势，以期为我国煤与瓦斯共采研究提供科学参考。
1. 数据来源与统计方法
1.1 数据来源
基于我国煤与瓦斯共采的研究视角，选取CNKI数据库作为文献研究数据。为提高筛选效率和精确性，选取核心期刊的相关文献进行检索。首先，在高级检索中选择主题=“煤与瓦斯共采”OR“瓦斯抽采”OR“瓦斯治理”进行检索，文献类型选择“学术期刊”论文，并将检索数据导入CiteSpace软件中，进行格式转换和去重处理，得到有效文献4 133篇。
1.2 分析方法
CiteSpace是一款由美国德雷塞尔大学信息科学与技术学院陈超美教授研发的引文可视化分析软件，基于科学计量学、数据可视化背景下，通过作者合作、关键词共现、组织分布和文献整合等可视化功能，呈现和分析科学知识结构、规律和分布情况，进而为了解与掌握学科前沿的发展趋势和知识的关联情况提供指导[36-37]。
为了对我国煤与瓦斯共采领域进行更加全面地探析，研究其现状特征和发展趋势，本文使用CiteSpace 6.1.R2可视化软件绘制知识图谱，包括作者、机构和关键词聚类及其演变情况，并结合经典文献对2000—2021年我国煤与瓦斯共采研究的知识图谱加以分析，进一步了解其发展前沿与趋势。
2. 结果与分析
2.1 发文量年度趋势
对CNKI导出的数据进行计量分析，得到年发文量变化趋势和学科分布情况，反映了我国煤与瓦斯共采研究的活跃程度。图1显示为2000—2021年我国煤与瓦斯共采的发文量及期刊分布情况。从发表趋势结果来看，我国煤与瓦斯共采的研究主要经历了缓慢萌芽期-快速成长期-平稳成熟期3个发展阶段。
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图 1 煤与瓦斯共采领域发文量趋势及期刊分布情况Figure 1. The trend of articles published and distribution of journal in coal and gas co-mining field1)在萌芽期(2000年之前)，每年平均发表的文章不到5篇，其原因是煤层开采深度较浅、瓦斯含量低、造成瓦斯事故的起数少和严重程度低等客观因素，以及并未将瓦斯作为清洁能源加以充分利用的主观因素共同决定。
2)在成长期(2000—2014年)，核心期刊发表量从2000年发表的22篇增加至2014年的351篇，平均每年发表的文章增加至131篇；同时期全部期刊的发表量具有相同的增长趋势，从2000年的50篇增加至2014年的975篇，平均每年发表的文章增加至349.3篇，是核心期刊发表量的近3倍。该阶段由于我国经济快速发展，对能源需求量急剧增加，处于煤炭行业发展的黄金期；与此同时煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯事故频发，造成严重的人员伤亡和经济损失。为了保障井下作业人员生命健康和矿井正常生产，瓦斯治理技术迫在眉睫，受到国家、社会和人们的广泛关注，对于瓦斯抽采和治理的认识和重视程度达到新的高度，煤与瓦斯共采相关科学理论、技术及装备均得以高速发展和提升，是我国煤与瓦斯共采领域的快速成长阶段。
3)在成熟期（2015—2021年），核心期刊和全部期刊发文量的变化趋势有所差异，核心期刊发文量自2015年达到高峰后有所下降，并趋于平稳发展的态势，而全部期刊发文量则围绕峰值呈现上下波动趋势，保持较高的发文状态。其中，核心期刊从2015年发表的373篇缓慢降至2021年的255篇，每年平均发表论文289.8篇，相较于该阶段的初期发文量有所下滑；全部期刊从2015年发表的976篇呈现波浪式起伏，并于2021年发表883篇，每年平均发表论文975.3篇，该阶段发文量以峰值发文量为基准线进行上下浮动，并趋于相对平稳的状态。
通过对2000—2021年发表论文总量进行统计与分类，其按照期刊分类主要集中在煤炭科学技术和煤炭学报，分别占比达到53.74%和15.97%；其次为采矿与安全学报（9.03%）、中国安全科学学报（6.06%）等。上述期刊均为煤与瓦斯共采领域重要的学术期刊，是高等院校、科研院所以及煤矿企业之间技术交流的重要纽带和桥梁，为促进该领域的技术突破和科技创新提供了展示与互动的平台。
2.2 研究机构合作网络
将节点类型选择为“institution”，按机构分类进行知识图谱的可视化，结果如图2所示。一个节点代表一个科研机构，节点大小代表该机构发表的发文量，其节点越大，则表明该机构发文量越多；2个节点之间的连线代表两个科研机构在论文发表上存在合作关系，其之间的连线越多，则表明机构之间的合作越密切[38]。
图谱中包含有743个节点，1 122个连线，网络密度为0.004 1。发文量较多的机构主要集中在煤炭领域的研究院和高校，其中包括中煤科工集团下属的重庆研究院有限公司和西安研究院有限公司、中国矿业大学安全学院、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室、河南理工大学安全科学与工程学院、中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院以及安徽理工大学能源与安全学院等，同时各个研究机构之间的连线繁多，机构之间的合作较为密切。
为了定量化分析不同机构的发文量情况，提取发文量位于前10位研究机构的数据信息对主要研究机构的发文情况进行统计分析（表1）。
表 1 发文量位于前10位的研究机构排名Table 1. Top 10 articles published with the strongest research institutions编号 研究机构 发文量/篇 1 中煤科工集团重庆研究院有限公司 293 2 中国矿业大学安全工程学院 243 3 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 221 4 河南理工大学安全科学与工程学院 200 5 中煤科工集团西安研究院有限公司 159 6 煤科集团沈阳研究院有限公司 158 7 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院 131 8 煤矿安全技术国家重点实验室 129 9 安徽理工大学能源与安全学院 124 10 河南理工大学能源科学与工程学院 98 其中，发文量突破200篇和100篇的研究机构分别达到4个和9个，排名第一的中煤科工集团重庆研究院有限公司的发文量高达293篇，是排名第十名河南理工大学能源科学与工程学院发文量的近3倍；其次是中国矿业大学安全学院243篇、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室221篇。
2.3 关键词共现与聚类
2.3.1 关键词共现
将节点类型选择为“keyword”，按关键词分类进行知识图谱的可视化，结果如图3所示。通过运行数据，得到760个节点，3 311个连线，网络密度为0.011 5。对图3中的节点大小、标签大小及标签和连线清晰度进行调整，使得关键词节点与其连线之间更加清晰明了。
在关键词共现图谱中，节点标签越大，对应关键词的词频越高。在共现网络中，关键词之间的共现关系采用连线的方式进行联接，其宽度反映关键词之间的共现强度，颜色反映共现时间的早晚。为提高关键词的可靠性，剔除检索主题词（瓦斯抽采与瓦斯治理），煤与瓦斯共采研究的高频关键词排名前5位（出现频次大于100次），依次为数值模拟（266）、瓦斯（187）、采空区（165）、瓦斯抽放（148）和水力压裂（143）。节点内部颜色按照由暗至亮的顺序逐年递变，即暗灰色表征关键词出现时间较早，反之红色代表出现时间较晚。由图3可知，在高频关键词中，瓦斯抽放出现的时间较早，之后则不再出现。其发生的原因可能为人们对瓦斯的认识不断深入，煤层气作为绿色清洁环保的能源禀性以及低浓度瓦斯利用技术的突破与成熟，共同推动了煤矿瓦斯朝着高效抽采利用的方向发展，瓦斯抽放显然不再适用于当下发展态势，并被逐渐淘汰。
2.3.2 关键词聚类
关键词共现分析可提供关于煤与瓦斯共采领域的详细信息，检测研究领域关键词的产生和发展情况。利用CiteSpace软件进行关键词聚类，将聚类类型选择为“keyword”，筛选出主要聚类标签，并以可视化的知识图谱呈现，如图4所示。
经过对聚类标签进行筛选，选取聚类强度排名前6名的聚类标签。从图中可以看出，聚类之间的区域划并不完全独立，相互参杂分布于整个聚类图谱中。聚类#1位于图谱的中间部分，起到了桥梁和纽带的作用，是实现煤层瓦斯高效抽采、保障矿井安全生产的重要基础。随着我国煤层开采深度的逐渐增加，煤层高地应力、高瓦斯压力、低渗透性禀性导致瓦斯抽采难度大、抽采效果差，严重威胁着矿井安全生产[39]。煤层卸压增透是有效开展煤层瓦斯抽采的重要技术手段，水力压裂因其成本低廉、原理简单易懂以及增透效果良好的优势被广泛应用于低渗煤层的增透促产过程中。开展水力压裂、保护层开采等卸压增透措施是实现煤层瓦斯有效治理的重要技术手段，为避免瓦斯灾害、瓦斯事故的发生提供强有力的安全保障，进而为煤与瓦斯共采的有序开展提供技术支撑和理论依据。
为进一步开展关键词首现时间、活跃持续时间及突现词情况的研究，选择“Timezone”进行关键词时空分布的图谱可视化，如图5所示。
图谱中包括592个节点，2 880个连线，网络密度为0.016 5。为了解某一时间段内高频出现的关键词的发展情况（即突现词），采用红色凸显的方式进行标注，更加有利于深入分析煤与瓦斯共采领域在各个时期研究热点的演变规律。
从关键词时空分布图中可以看出高频关键词和突现词主要发生在瓦斯治理、卸压瓦斯、水力压裂以及瓦斯抽采4个聚类之内。其中，在聚类#0瓦斯治理的时区分布轴线上，出现的高频关键词最多，且首先年份大多集中在2000—2007之间，包括有瓦斯、上隅角、瓦斯治理、瓦斯抽放、采空区、高位钻孔等高频关键词，同时高频关键词中的前四个也是突现词，表明在该期间内高频出现，是瓦斯治理方面的研究热点；在聚类#1卸压瓦斯的时区分布轴线上，出现的高频关键词主要包括卸压瓦斯、保护层和高抽巷，高频关键词中的保护层同时也作为聚类#1卸压瓦斯的突现词；在聚类#3水力压裂的时区分布轴线上，出现的高频关键词主要包括低透气性、突出煤层、水力压裂、穿层钻孔、水力冲孔、卸压增透以及煤层增透等，而突现词中的低透气性、卸压增透和煤层增透则体现出了水力压裂方面的关注重点；在聚类#5瓦斯抽采的时区分布轴线上，出现的高频关键词较少，除了瓦斯抽采之外，仅剩下松软煤层；而突现词的节点虽然较小，但因其首先年份较晚，分别为2016年（定向钻进）和2018年（碎软煤层），表征其是当前煤与瓦斯领域的研究热点，逐渐受到研究人员的关注和重视，有望成为未来发展的趋势热点。
2.4 前沿分析
研究前沿是科学研究中的新兴研究领域，通过对关键词的词频变化和突现词演变情况进行检测，进而探析本领域的研究前沿和发展趋势。基于图4、图5关键词聚类的基础上，选择“burstness”进行突现词检测，结果见表2。
表 2 引文突现位于前20位的关键词排名Table 2. Top 20 Keywords with the strongest citation bursts关键词 年份 强度 起始年 终止年 2001～2022 瓦斯治理 2001 45.65 2001 2009 
瓦斯 2001 28.24 2001 2010 综合治理 2001 16.59 2001 2010 治理 2001 17.51 2002 2009 瓦斯抽放 2001 27.91 2003 2012 瓦斯涌出 2001 6.67 2005 2013 瓦斯事故 2001 6.64 2005 2010 地面钻井 2001 6.4 2006 2014 先抽后采 2001 5.53 2006 2010 保护层 2001 9.3 2007 2012 抽采 2001 8.13 2007 2012 增透 2001 6.53 2014 2017 安全工程 2001 5.92 2014 2016 瓦斯浓度 2001 5.6 2014 2020 水力冲孔 2001 6.6 2015 2019 煤层增透 2001 7.92 2017 2022 抽采效果 2001 5.82 2017 2022 碎软煤层 2001 5.77 2018 2022 以孔代巷 2001 6.46 2019 2022 抽采钻孔 2001 6.07 2019 2022 其中，红色部分表征了关键词突出的年份，即活跃状态的年份，突现词在该阶段受到研究人员的广泛关注。表2中通过对每个高频词的突现强度、年份起止展开跟踪与归纳，得到突现词前20名的检测信息。
由表2可知，结合上述发文量变化趋势，可将研究热点分为2个区间：
区间1的时间段为2001—2014年，对应发文量中的成长期，突现强度排名前5的关键词均在该阶段，分别为瓦斯治理（45.65）、瓦斯（28.24）、瓦斯抽放（27.91）、治理（17.51）、综合治理（16.59），起止年份主要集中在2001—2012年之间，且保持活跃状态的时间也最为长久；在该阶段，由于瓦斯灾害的频发，研究的重点和热点主要围绕如何防治瓦斯事故发生开展的，采用保护层卸压开采的方法提高煤层透气性，进而消除瓦斯灾害、事故的发生，保障矿井生产的安全开展。
区间2的时间段为2014年之后，对应发文量中的成熟期，部分突现的关键词活跃状态持续至今，是当前研究的热，受到研究人员的广泛关注。在该阶段，煤层低渗特性愈发凸显，研究的重点和热点主要围绕如何增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效果开展的，将突现词进行归纳分析，主要涉及3个重要的关键词，分别为煤层增透（7.92）、以孔代巷（6.46）和碎软煤层（5.17）。煤层增透是开展瓦斯有效抽采的前提条件，通过水力冲孔、水力压裂、水力割缝等的方式增加煤层透气性，进而提高瓦斯抽采效果[40-42]；为解决采用顶/底板岩巷作为抽采钻场施工量大、成本高的问题，提出采用以孔代巷的抽采方法，通过布置的钻孔进行瓦斯抽采工作，以达到减少工作量和降低施工成本的目的[43-44]；随着我国煤层开采深度的不断增加，逐渐进入深部开采阶段，低渗碎软煤层占比逐渐增加，对其开展有效地瓦斯抽采，成为当前亟待解决的问题[45-46]。
为进一步对煤与瓦斯共采领域的发展历程和研究内容开展更加深入的剖析，按照关键词所表述的含义对其进行分类，结果见表3。
表 3 聚类信息表Table 3. Clustering information table分类 关键词（按照频次排序，频次大于10） 研究对象 瓦斯、采空区、上隅角、煤层气、突出煤层、松软煤层、卸压瓦斯、低透气性、保护层、煤层群、
特厚煤层、裂隙带、底抽巷、碎软煤层增透措施 水力压裂、卸压增透、水力冲孔、增透、煤层增透、水力割缝、增透技术、卸压、深孔预裂爆破、
液态CO2、埋管抽采、强化抽采、水射流、割缝抽采方式 高位钻孔、穿层钻孔、顺层钻孔、高抽巷、地面钻井、沿空留巷、保护层开采、
定向长钻孔、埋管抽采工具/方法 数值模拟、钻孔布置、流固耦合、相似模拟、抽采参数、物理模拟、优化 测定参数/指标 抽采效果、瓦斯压力、渗透率、抽采半径、瓦斯浓度、抽采负压、瓦斯含量、抽采率、
煤层透气性、瓦斯流量、消突、卸压范围、残余瓦斯含量其他 瓦斯超限、瓦斯运移、安全工程、封孔 由表3可知，我国煤与瓦斯抽采领域研究的对象主要为瓦斯、突出煤层、卸压瓦斯，保护层等，其中，按照钻孔布置位置主要分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采以及地面井瓦斯抽采等。由于我国煤层 “三低一高”的赋存禀性，为了提高瓦斯抽采效果，必须采取必要的增透措施，以提高煤层透气性；常见的增透措施主要包括水力压裂、水力冲孔、水力割缝等水利化措施，保护层卸压增透、液态CO2致裂等技术手段。在研究中使用最多的工具/方法为数值模拟，通过瓦斯压力、瓦斯含量、孔隙率、渗透率等测试参数，结合流固耦合模型进行数值模拟，为高效抽采煤层瓦斯提供理论指导。
综上，在“碳达峰、碳中和”的大背景下，我国煤与瓦斯共采领域逐渐朝着绿色、高效、低耗、清洁的开采方向不断发展，进而助力双碳目标的如期完成。随着煤炭资源逐渐进入深部开采阶段，低渗碎软煤层严重制约着瓦斯高效抽采、威胁着矿井煤炭安全生产，因此开展相应的增透技术和措施成为当前乃至未来关注的重点。通过一系列的增透措施的实施，提高煤层透气性，增加瓦斯抽采效果。数值模拟和室内试验是探索和验证增透效果最为便捷的方法，依此为理论支撑指导现场的抽采工作，进而推动我国煤与瓦斯共采领域的理论框架、技术方法以及装备设施的不断完善与发展。
3. 结 论
1) 以时间分布为导向，我国煤与瓦斯共采领域研究先后经历了缓慢萌芽期、快速成长期以及平稳成熟期3个发展阶段。在2000—2014年期间，核心期刊和全部期刊的发文量均得到快速增长，反映出该阶段是我国煤与瓦斯共采研究的高潮期，开启了该领域快速发展的黄金时代，得到了研究人员的广泛关注和重视。
2) 以合作网络为参考，我国煤与瓦斯共采领域的主要研究机构包括中煤科工集团重庆研究院有限公司、中国矿业大学安全学院、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室、以及河南理工大学安全科学与工程学院等机构，均是煤炭领域重要的科研院所。
3)以关键词为主题，进行归纳与分析，我国煤与瓦斯共采研究主要包含数值模拟、瓦斯、采空区和水力压裂等高频关键词。通过提取突现强度较高的前20位关键词，并按照突现年份重新排序，得到随时间变化的突现词演化情况，为探析我国煤与瓦斯共采领域研究热点的演化路径、分析前沿变化趋势提供有力的技术支撑。
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图 1 充填体−散体胶结组合体工程结构
Figure 1. Engineering structure of filling - bulk cementing combination
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图 7 充散高度比对组合体强度的影响
Figure 7. Effect of ratio of filling and dispersing height on strength of combination body
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图 8 充填体强度对组合体强度的影响
Figure 8. Effect of the strength of filling body on strength of combination body
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图 9 散体岩性对组合体强度的影响
Figure 9. Effect of discrete element lithology on strength of combination body
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图 10 应力应变曲线与AE事件4个阶段颜色对应关系
Figure 10. Colour correspondence between stress-strain curve and four stages of AE events
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图 13 F-50-10试样破坏形态及散体颗粒破裂面
Figure 13. Failure pattern of sample F-50-10 and fracture surface of granular particles
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图 14 S-50-10试样破坏形态及散体颗粒破裂面
Figure 14. Failure pattern of sample S-50-10 and fracture surface of granular particles
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图 15 C-50-05试样声发射事件及破坏形态
Figure 15. C-50-05 specimen acoustic emission events and failure mode
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图 16 C-50-15试样声发射事件及破坏形态
Figure 16. C-50-15 specimen acoustic emission events and failure mode
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图 17 组合体试样压缩破坏力学模型
Figure 17. Mechanical model of compression failure of combination body specimen
表 2 充填体−散体胶结组合体试样单轴压缩试验结果
Table 2 Uniaxial compression test results of filling - bulk cemented combination body
类别 编号 岩性 散体高度
/mm水泥
质量分数/%抗压强度
/MPa抗压强度
平均值
/MPa弹性模量
/GPa试样a 试样b 散体
高度
组C-80-10 粗砂岩 80 10 3.60 3.47 3.54 0.24 C-70-10 粗砂岩 70 10 3.97 3.85 3.91 0.25 C-60-10 粗砂岩 60 10 4.11 4.20 4.16 0.25 C-50-10 粗砂岩 50 10 4.21 4.33 4.27 0.27 C-40-10 粗砂岩 40 10 4.30 4.76 4.53 0.32 C-30-10 粗砂岩 30 10 4.94 4.94 4.94 0.34 C-20-10 粗砂岩 20 10 6.06 6.20 6.13 0.54 散体
岩性
组S-50-10 灰岩 50 10 4.98 5.10 5.04 0.34 C-50-10 粗砂岩 50 10 4.21 4.33 4.27 0.27 F-50-10 粉砂岩 50 10 2.84 2.67 2.76 0.23 充填体
强度组C-50-05 粗砂岩 50 5 2.87 2.51 2.69 0.22 C-50-10 粗砂岩 50 10 4.21 4.33 4.27 0.27 C-50-15 粗砂岩 50 15 4.99 5.23 5.11 0.33 强度
对照
组S-100-10 灰岩 100 10 5.95 6.47 6.21 0.31 C-100-10 粗砂岩 100 10 4.81 5.31 5.06 0.24 F-100-10 粉砂岩 100 10 2.57 3.05 2.81 0.21 A-100-05 — — 5 3.08 3.14 3.11 0.13 A-100-10 — — 10 6.15 6.73 6.44 0.90 A-100-15 — — 15 7.47 8.19 7.83 0.79 注：试样的编号由字母和数字构成，散体高度组、散体岩性组和充填体强度组中的第一个字母S、C、F分别代表灰岩、粗砂岩和粉砂岩；第一个数字20～80分别代表散体高度为20～80 mm；第二个数字05、10、15分别代表充填体中的水泥质量分数为5%、10%和15%；最后一个字母a表示试样仅做单轴压缩试验获得其力学参数，b试样在单轴压缩试验的同时利用声发射装置进行实时监测。强度对照组中的第一个字母A代表充填体试样，第一个数字100代表充填体高度为100 mm，第二个数字05、10、15分别代表充填体中的水泥质量分数为5%、10%和15%。 
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表 3 充填体质量配比
Table 3 Mass ratio of paste
组别 充填材料质量/g 水泥质量
分数/%固体质量分数/% 水泥 粉煤灰 矸石 水 1 20 120 300 125 5 78 2 45 95 300 125 10 78 3 65 75 300 125 15 78
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表 4 充填体强度折减系数计算结果
Table 4 Calculation results of strength reduction factor of filling body
编号 组合体平均抗压
强度/MPa参考强度/MPa 折减系数 C-80-10 3.54 6.44 0.550 C-70-10 3.91 6.44 0.607 C-60-10 4.16 6.44 0.646 C-50-10 4.27 6.44 0.663 C-40-10 4.53 6.44 0.703 C-30-10 4.94 6.44 0.767 C-20-10 6.13 6.44 0.952 C-50-10 2.69 3.11 0.865 C-50-10 4.27 6.44 0.663 C-50-10 5.11 7.39 0.653 S-50-10 5.04 6.44 0.783 C-50-10 4.27 6.44 0.663 F-50-10 2.76 6.44 0.429
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