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阶段嗣后充填采矿法具有安全性好、尾矿利用率高、生产能力大以及损失贫化低等显著优点,该方法成功应用的关键是矿房胶结充填体的稳定性控制。综合考虑充填成本和充填体稳定性,充填体的灰砂比设计在垂直高度上往往采用三种以上的配比,不同配比的充填体之间会产生分层现象,从而造成充填体内部结构和力学特性变得更为复杂。本文以国家重点研发计划项目子课题“深部大矿段多采区时空协同连续采矿理论与技术(2017YFC0602901)”为依托,以大冶铁矿阶段嗣后充填为研究背景,针对阶段嗣后充填过程中胶结充填体的分层现象,以分层胶结充填体为研究对象,综合采用室内实验、理论推导和数值模拟等手段,对分层胶结充填体破坏模式、损伤演化特征、内部失稳机制及强度模型进行深入研究。(1)基于单轴压缩试验,利用不同拟合函数对分层胶结充填体单轴抗压强度、弹性模量与结构特性之间的关系进行了定量表征。(2)根据声发射监测数据,分析了分层胶结充填体振铃计数时序演化特征;借助声发射定位原理,揭示了压缩全程分层胶结充填体内部裂纹时空演化特征;基于尖点突变理论,对分层胶结充填体失稳破裂进行了有效预测。(3)运用连续损伤理论及能量守恒原理,推导和构建了分层胶结充填体损伤本构方程,并对构建的损伤本构方程进行了验证;基于试验数据,定量分析了结构特征对LCTB试件初始损伤、荷载损伤及总损伤演化规律的影响,并深入探讨了 SCTB试件各组构损伤及总损伤演化规律。(4)根据采场充填体实际赋存情况,构建了考虑分层面倾角的大高宽比胶结充填体三维数值模型,分析了单侧揭露下分层胶结充填体内部应力和揭露面位移分布特征,揭示了采场分层胶结充填体内在失稳机理。(5)基于Mohr-Coulomb破坏准则,建立了前壁揭露和后壁受压的滑动面贯穿分层面的强度模型,并与其他强度模型进行对比分析,认为在进行胶结充填体稳定性计算分析时应结合采场实际情况,选取合适的理论模型,计算结果才会更加准确和可靠。(6)根据大冶铁矿矿房空间分布特征,综合理论及数值计算结果,得到了各矿房充填体强度实际需求,基于充填体内部应力及位移分布特征,对分层胶结充填体结构进行优化调整,优化后的胶结充填体在保证自立稳定的前提下胶结剂用量减少约20%,优化后的充填体结构更加合理。