实验背景

对于矿体和围岩较差的矿山，通常采用向下分层充填采矿技术进行矿体开采。在这种技术中，下一层人工顶板的安全至关重要。胶结尾砂回填（CTB）由于胶结不充分而导致塌方，对矿石生产构成威胁。

传统的人工CTB 顶板通常采用高水泥尾砂比的回填体并采用钢网加码加固锚杆支护。CTB屋顶的施工周期长，成本高，并且费力。因此，基本问题是为下切充填采矿准备合适的顶板结构。

实验内容

采用新兴的三维（3D）打印技术，探索一种菱形复合结构，以模拟实际充填矿山中胶合假顶板的稳定性。

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统和三点弯曲等实验手段，探索不同水泥/尾砂重量比的三维施工试件和 CTB 组合在不同层高下的弯曲特性，为研究下分层充填采矿技术的人工顶板性能提供实用的数据参考。

3D-PRP结构复合材料试样的制备

采用一批不同水泥/尾砂(c /t)重量比的3 D-PRP 试件，采用新拓三维DIC技术和三点弯曲实验，测量分析不同结构高度下3D-PRPCTB的强化特性。

 3D-PRP模型参数：(a)高度14 m m;(b )高度26mm;(c)供比较的模型

为了使DIC技术检测有效，表面平整度必须在±0 .02 mm以内。下图中3 D-PRP-14后面的数字为3D-PRP的高度。

3D-PRP试样制备流程图

三点弯曲实验

采用三点弯曲实验研究3 D -PRP结构对 C TB 的增强效果。在矿山充填应用中， 主要考虑 的是抵抗上部充填体和岩体对其施加的力，并讨论其在此力作用下的弯曲特性。使用固体试验机来探索3 D-PRP试件的抗弯强度和挠度数据。

新拓三维XTDIC三维位移/应变测量系统是可视化的无交互三维变形评估系统，可全程记录试件的破坏过程。通过比较被测区域内各点在试样上的三维坐标，得到待测试样的表面位移，DIC软件可分析样品表面所承受的应变。在测试过程中，每秒拍摄一张图像 ，测量样品表面的应变在0 .01 %到1000 %之间变化。

 新拓三维XTDIC测量技术:(a)实际测量图和(b)原理DIC图

实验结果

3D-PRP结构复合材料的弯曲性能

实验结果表明 ，3D-PRP结构可以显著提高CTB的抗弯强度，且B组样品抗弯强度的提高比A组样品更明显。

 不同3D-PRP复合材料抗弯性能条形图 :(a)抗弯强度(b)抗弯强度增量

试验说明c /t比值对该组实验样品抗弯强度的影响较小。对于适应性较强的矿山，降低3 D-PRP结构高度可以为矿山带来较大的经济效益。

测试模型对比图 :(a)本实验和(b)类似测试

3D-PRP 结构复合材料试件挠曲特性

当3D-PRP结构高度为14mm时，制备的填充体试样挠度值较大，具有较好的挠度特性。

不同试件的峰值挠度值

3D-PRP结构复合材料变形进展

选择理想的抗弯最优试样进行断裂演化分析 ，结合实验数据分析试样A1和B1在载荷-减挠度曲线下的断裂演化。

 3D-PRP试样的断裂演化模型:(a )试样A1和(b)试样B1

荷载挠曲及开裂特征的DIC分析

选取试样A1和B2，采用DIC 技术研究3D-PRP 结构对CTB 载荷-挠曲行为和变形损伤形式 的影响。下图分别为试样A1和B2的位移云和应变云。

通过观察试样在位移云和应力云中变形损伤特征，可以看出加载后 A1 样品的结构层损伤程度低于B2样品，因此以3D-PRP结构层高度为14 mm制备的实验样品的抗弯性能最优。

DIC技术图像下位移云图与实际物体的对比 :(I)样本A1 ((a)初始平衡状态;(b)初始裂纹生成;(c)裂纹演化加深;(d)试样加载结束)和(II)试样B2 ((a)初始平衡状态;(b)初始裂纹产生;(c)裂纹演化加深;(d)试件加载结束)。

 DIC技术图像下的应力云图与实际物体的对比 :(I)样本A1 ((a)初始平衡状态;(b )初始裂纹生成;(c)裂纹演化加深;(d )试样加载结束 )和(II)试样B2 ((a)初始平衡状态 ;(b)初始裂纹产生;(c)裂纹演化加深;(d)试件加载结束)。

实验结论

探讨3D-PRP结构两种构造高度对CTB 强度性能的影响 。采用三点弯曲实验对样品进行测试，获得各种实验数据。采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统和对试样的载荷-挠曲 特性和断裂行为进行研究。

(1 ) 3D-PRP加固的样品比对照样品具有更大的抗弯强度，其中层高26mm的3D-PRP结构样品最为明显 。可以推测，c/t 比值对样品的抗弯强度有一定的影响 ，尤其是B组样品 。

(2 )当3D-PRP结构层高为14mm时，制备样品的挠度值显著增加。c /t比对试件挠曲特性影响较小。

(3 )应用DIC技术对实验样品进行测量和分析。3D-PRP结构样品在断裂演化过程中表现出更好的延展性和韧性。与同类实验数据相比，本实验的效果更为突出。

案例摘自：【赵子岳，北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，层厚对3D打印菱形聚合物增强胶结尾砂复合材料抗弯性能和微观结构的影响】