高砂水泥比条件下胶结尾砂回填体破坏尺寸效应研究

为什么地下支护体的尺寸很重要

现代矿山经常将一种人造岩体——胶结尾砂回填材料，泵入采空巷道以防止地层塌落。该材料由尾矿（破碎后的残余岩石）、水和少量水泥组成。为了安全，工程师需要准确了解这种回填体的强度——但这不仅取决于材料配方，还取决于他们在实验室测试中所用试样的尺寸和形状。本研究提出了一个简单但重要的问题：当我们改变砂与水泥的比例和试样形状时，实验测得的强度会偏离深埋在地下的真实强度多少？

矿山如何利用废石保证安全

在回填开采中，把选矿产生的废石与水和水泥混合，然后泵入地下的空洞中。固化后，这种材料支撑起顶板和边墙，使得可以在不引发危险塌落的情况下继续开采。回填体的强度——它抵抗挤压和破碎的能力——直接决定了工程师能把地下房间做多宽、多高。由于许多矿山为了节约成本采用砂含量高、水泥用量少的配比（高砂—水泥比），所得材料可能相对较弱。在标准试验机上准确测量此类低强度材料比较困难，因此研究人员常常改变试样的尺寸或形状来便于测试。然而，这种便利可能会悄然扭曲结果。

不同形状与配比的试验

作者制备了大量胶结尾砂回填试块，使用三种砂与水泥的质量比分别从8:1到24:1，以及三种固体含量（71–73%），以贴近实际矿井条件。研究集中于三种简单形状的试样，具有不同的高宽比：短而矮的试块、立方体和高而细的圆柱。经28天养护后，将每个试样放入压机压至破坏。研究组随后使用统计方法分析各因素——配比、固体含量和试样形状——对测得强度的影响。他们还建立了有限元计算模型，以观测试样内部并可视化破坏前应力的形成过程。

形状揭示的隐含应力

试验显示了明确的规律。当水泥用量减少（砂—水泥比升高）时，强度显著下降——在测试范围内最多可下降四分之三，因为用于粘结颗粒的胶结物减少。提高固体含量通过减少内部孔隙使回填体略微增强，但这一效应有限。试样形状则出乎意料地起到较大作用：在相同配比和固体含量下，短矮试块测得最强，立方体次之，高细试样最弱。对裂纹模式的细致观察表明，短试样倾向于沿垂直方向劈裂，而高试样则沿X形对角线断裂，暗示内部应力状态存在差异。

为何短试块看起来比实际更强

为了解释这些差异，作者考察了试样顶部和底部加载板对材料的约束作用。在较短的试块中，与加载板的摩擦阻止了端部附近侧壁向外膨胀。这在两端形成了受强烈压缩的圆锥形区域，二者在中间叠加，使大部分材料处于三维受压状态，从而显得比真实强度更高。在高而细的圆柱中，只有靠近加载板的薄层受到强约束；长中段主要承受单向压应力，更接近回填体在矿井中所受的应力状态。数值模拟证实了这一图景，显示短试块端部应力集中强烈，而高试样中部应力分布更均匀。

把实验室结果转换为现实强度

由于最高的试样受端效应影响最小，其测得强度最接近矿内回填体的真实强度。利用全部试验数据，研究人员建立了将短块或立方体的测得强度转换为等效高试样强度的数学关系。这些换算公式在所测试的配比和固体含量范围内有效，为工程师提供了实用工具：他们可以继续使用便捷的试样尺寸进行实验，然后校正结果以更好地匹配矿内实际行为。通过这种方式，本研究有助于确保地下支护既不会因设计不足而威胁安全，也不会因过度设计而浪费水泥和成本。

引用: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

关键词: 胶结尾砂回填, 矿山围岩支护, 尺寸效应, 砂—水泥比, 抗压强度