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连续级配尾砂胶结充填体力学特性剖析与强度精准预测模型构建

一、引言

1.1研究背景与意义

随着矿产资源的不断开采，矿山开采的深度和规模日益增大，对开采安全性和效率的要求也越来越高。充填采矿法作为一种绿色、高效的采矿方法，在矿山开采中得到了广泛应用。该方法通过将充填材料填充到采空区，不仅能够有效控制地压，防止采场围岩变形和垮塌，为采矿作业创造安全稳定的生产环境，还能减少地表沉陷，保护生态环境。同时，利用废石、尾砂等矿山采选固废作为充填材料，实现了固废的资源化利用，降低了充填成本。

尾砂作为充填采矿法中常用的充填骨料，其级配特性对胶结充填体的力学性能有着显著影响。连续级配尾砂胶结充填体能够充分利用尾砂资源，提高充填体的密实度和强度，具有良好的应用前景。研究连续级配尾砂胶结充填体的力学特性及强度预测模型，对于优化充填工艺参数、提高充填体质量和稳定性、保障矿山安全生产具有重要的现实意义。具体体现在以下几个方面：

提高矿山开采安全性：准确掌握连续级配尾砂胶结充填体的力学特性，能够合理设计充填体的强度和结构，有效控制采场地压，减少采场垮塌等安全事故的发生，保障矿山工作人员的生命安全和矿山设备的正常运行。

提升矿山开采效率：通过优化连续级配尾砂胶结充填体的配合比和充填工艺，提高充填体的强度和稳定性，缩短充填体的养护时间，加快采矿进度，从而提高矿山的开采效率和经济效益。

促进资源综合利用和环境保护：利用尾砂作为充填骨料，实现了矿山固废的资源化利用，减少了尾砂的排放和堆存，降低了对土地资源的占用和对环境的污染，符合可持续发展的要求。

1.2国内外研究现状

国内外学者对连续级配尾砂胶结充填体的力学特性及强度预测模型进行了大量研究。在力学特性研究方面，主要通过室内试验和现场测试，分析了尾砂级配、胶凝材料种类和用量、水灰比、养护龄期等因素对充填体抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数的影响规律。例如，[文献作者1]通过单轴压缩试验和三轴压缩试验，研究了不同级配尾砂胶结充填体的应力-应变关系和破坏模式，发现连续级配尾砂胶结充填体的强度随着级配的优化而提高；[文献作者2]采用扫描电子显微镜（SEM）等微观测试手段，分析了充填体的微观结构与力学性能之间的关系，揭示了尾砂级配影响充填体强度的微观机制。

在强度预测模型方面，主要包括经验公式法、数值模拟法和理论分析法等。经验公式法是根据大量试验数据，建立充填体强度与各影响因素之间的经验关系式，如[文献作者3]通过试验回归得到了尾砂胶结充填体抗压强度与水灰比、灰砂比之间的经验公式。数值模拟法是利用有限元、离散元等数值模拟软件，建立充填体的数值模型，模拟其在不同工况下的力学行为，预测充填体的强度，如[文献作者4]利用有限元软件模拟了采空区充填体的受力情况，分析了充填体强度对采场稳定性的影响。理论分析法是基于材料力学、岩石力学等理论，建立充填体强度的理论模型，如[文献作者5]从细观力学角度出发，考虑了尾砂颗粒与胶凝材料之间的相互作用，建立了尾砂胶结充填体强度的理论预测模型。

然而，已有研究仍存在一些不足之处。一方面，对于连续级配尾砂胶结充填体在复杂应力条件下的力学特性研究还不够深入，如在多轴应力、动态荷载等条件下的力学响应规律尚不完全清楚。另一方面，现有的强度预测模型大多是基于特定的试验条件和矿山工程背景建立的，通用性和准确性有待进一步提高，难以满足不同矿山实际工程的需求。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容如下：

连续级配尾砂胶结充填体力学特性实验研究：通过室内试验，制备不同级配、不同配合比的连续级配尾砂胶结充填体试样，开展单轴压缩试验、三轴压缩试验、抗拉强度试验等，获取充填体的应力-应变关系、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等力学参数，分析其力学特性和破坏模式。

连续级配尾砂胶结充填体强度影响因素分析：综合考虑尾砂级配、胶凝材料种类和用量、水灰比、养护龄期、料浆质量浓度等因素，采用正交试验、方差分析等方法，研究各因素对充填体强度的影响规律，确定影响充填体强度的关键因素。

连续级配尾砂胶结充填体强度预测模型构建：在实验研究和影响因素分析的基础上，结合神经网络、支持向量机等人工智能算法，建立连续级配尾砂胶结充填体强度的预测模型，并通过实际工程数据对模型进行验证和优化，提高模型的预测精度和通用性。

本文采用的研究方法主要包括：

实验法：通过室内实验，制备连续级配尾砂胶结充填体试样，进行力学性能测试，获取实验数据，为后续研究提供基础。

数值模拟法：利用有限元软件，建立连续级配尾砂胶结充填体的数值模型，模拟其在不同工况下的力学行为，与实验结果相互验证，深入分析充填体的力学特性和破坏机制。

理论分析法：基于材料力学、岩石力学等理论，对连续级配尾砂胶结充填体的强度进行理