单轴压缩下充填体强度对煤-充填复合结构损伤特性的影响机制研究

针对柱旁充填开采中"充填体-煤柱"(BP)复合结构承载性能与充填体强度的关联机制问题，研究人员通过三组不同充填体强度的BP复合结构单轴压缩试验，揭示了充填体强度与结构力学性能的正相关性，建立了非均衡承载模型，提出了充填体最小抗压强度理论解及煤柱侧向约束表达式，为柱旁充填强度设计及结构稳定性优化提供了重要指导。

　　

在煤炭资源开采领域，如何安全高效回收煤柱残留资源一直是矿业工程的重大挑战。随着"充填体-煤柱"(BP)复合结构在柱旁充填技术中的广泛应用，这种由原生煤柱与人工充填体组成的新型承载体系，不仅关系到残煤回收率提升，还涉及地下空间维护、CO₂封存等绿色开采目标。然而现实工程中，充填体强度差异常导致BP复合结构出现非协调变形，引发煤柱片帮、顶板塌落等动力灾害，严重制约着绿色开采技术的推广应用。

针对这一关键技术瓶颈，来自山西基础研究计划等资助项目团队在《Materials Today Communications》发表了创新性研究成果。研究采用煤块与水泥基充填材料构建三类不同强度(10/20/30 MPa)的BP复合结构试件，通过单轴压缩试验结合三维数字散斑技术，系统分析了充填体强度对结构力学行为、变形场演化及破坏模式的影响规律。关键技术包括：标准试件制备与强度分级、单轴压缩试验系统、三维数字图像相关(DIC)变形监测、非均衡承载理论建模等。

【材料与方法】
研究选用内蒙古鄂尔多斯恒泰煤矿煤块制备煤单元，按10/20/30 MPa强度设计水泥-骨料配比制作充填体单元。通过标准养护获得三类BP复合结构试件，采用电子万能试验机进行单轴压缩，同步采用DIC系统捕捉全场应变演化。

【力学性能】
应力-应变曲线显示BP结构强度与充填体强度呈正相关，20 MPa组试件峰值强度较10 MPa组提升47.3%。高强充填体(30 MPa)试件表现出显著应变硬化特征，表明充填体对煤单元裂纹扩展具有抑制作用。

【变形场演化】
DIC分析发现应变集中区首先出现在煤-充填体界面，引发局部非均衡变形。低强度充填体(10 MPa)试件在60%峰值应力时即出现贯穿性剪切带，而高强度组变形更均匀。

【破坏特征】
充填体强度提升使煤单元破坏模式从粉碎性破坏转变为局部剥落，30 MPa组煤单元形态完整性保持率达82%。充填体破坏程度随自身强度增加而加剧，呈现"强充填-弱煤柱"的协同破坏机制。

【理论模型】
建立的非均衡承载模型求解显示：充填体实际强度需超过其荷载分担值，产生的侧向约束应力应大于地应力状态下煤柱三轴强度。计算得出BP结构稳定时充填体最小强度阈值为煤柱单轴强度的1.8倍。

该研究首次揭示了充填体强度梯度变化对BP复合结构损伤演化的调控机制，提出的强度设计准则为柱旁充填工程提供了量化依据。特别是发现高强充填体通过侧向约束效应抑制煤体裂纹扩展的机制，突破了传统"等强设计"理念，对实现"充填体护柱-煤柱撑顶"的协同承载具有重要工程价值。研究结果可直接应用于煤柱尺寸优化、采空区地下水库建设等领域，为绿色矿山建设提供了新的技术路径。