矸石集料承载力学特性模拟研究

杨 科，魏 祯，何 祥，周光华，陈登红，张继强

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.合肥综合性国家科学中心能源研究院，安徽 合肥 230031；3.国家能源集团 宁夏煤业公司，宁夏 银川 751410)

煤炭资源长期持续性高强度开发与利用，造成地表沉陷与固体废弃物堆积，已严重影响矿区生态环境与资源开采的高质量协调发展。充填开采是深化煤炭资源可持续发展战略，解决煤电基地废弃物污染生态环境问题，促进固体废弃物源头减量减灾及资源化利用的重要举措。矸石散体材料作为充填采煤中岩层控制的主要因素，散体充填材料的承压变形特性决定充填采煤效果与质量，直接影响地表沉陷、采空区煤自燃、顶板管理等工程问题。因此，研究矸石集料的压实变形特性、揭示散体材料的微细观破裂演化机理具有重要的科学意义。

目前，关于散体充填材料的承压变形与破坏特征研究已取得一定进展，普遍认为散体充填材料构成的承载结构是充填体力学特性的关键，研究主要集中在骨料混合物、粒径级配、孔隙结构、应力环境等方面。张吉雄对矸石压缩过程应变、碎胀系数、压实度与应力之间的关系进行试验研究；马占国等开展破碎煤体压实过程的渗透特性研究，获得了轴向应力、渗透压差与渗流速度的函数关系；张振东等研究了循环载荷下破碎岩体的变形破坏，分析堆石集料的颗粒破碎特性与碎胀系数的演变规律；苏承东等试验获得破碎砂岩、砂质泥岩和泥岩的应力-应变关系，分析了岩性、粒径、轴向应力对破碎岩块的压实特性影响；褚廷湘等试验分析了破碎煤体在应力、温度、水分作用下的碎胀系数演变规律与机制；LI等通过试验将煤矸石压缩变形分为快速压缩、缓慢压缩和稳定压缩3个阶段；ZHOU等基于能量守恒原理，研究了粒径大小、加载速率对矸石压缩变形的影响；郁邦永等探讨了级配饱水状态破碎泥岩的压缩变形与分形特征，建立破碎泥岩轴向应力与压缩模量的关系式。基于散体堆积体的宏观孔隙结构，研究了煤矸石-粉煤灰、煤矸石-黄土、煤矸石-风积沙、煤矸石-钙质砂的压缩变形特性，完善了散体材料的承压变形机制。张天军等采用分级加载的方式，开展了不同粒径矸石的蠕变渗流试验，得到各级应力水平下破碎矸石渗透参数的演化规律；陈绍杰等制备了特定配比的充填膏体试样，进行单轴压缩蠕变与电镜扫描等系列试验，研究了充填体的蠕变硬化特性。闫浩等采用扫描电镜、数字图像及颗粒流数值模拟，研究了矸石集料细观参数与宏观变量间的函数关系；HUANG等基于三维重构技术，研究不同颗粒级配、不同围压、不同加载速率下松散矸石块体的宏观力学特性与微观破裂形式；刘展采用颗粒流数值软件模拟了矸石集料的压实特性，有效实现了矸石集料细观参数与宏观力学参数的转换；吴疆宇等建立考虑粒径与介质属性的颗粒流数值模型，探讨了单轴载荷下充填体全程能量、裂纹及颗粒破碎的演变规律，揭示了粒径级配对充填体能量演化与裂纹扩展的影响机制。采空区支承压力分布随工作面的推进动态演化。迄今，相比矸石集料压实力学特性研究，关于散体充填材料微细观结构演变的数值模拟研究相对较少，对矸石充填体微细观结构演变规律与承压变形机理认识尚不清晰。

笔者通过散体矸石集料的侧向受限压缩试验，研究粒径、轴向应力、加载速率等对散体矸石压缩变形特性与微观结构演变的影响，量化粒径分布分形维数与轴向应力的函数关系，同时结合PFC颗粒流数值软件，探讨矸石集料压实变形过程的能量、力链、破裂演化规律，进而从微细观层面揭示矸石充填体的承压变形机制，为优化散体矸石空间结构提供理论依据，进一步提高充填开采岩层移动控制效果。

1 试 验

1.1 试验材料

煤矸石取自宁夏回族自治区任家庄煤矿-400 m工作面，平均单轴抗压强度34.19 MPa。采用PEX颚式破碎机将大块煤矸石破碎后，依次筛分成6种不同粒径(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 mm)。为了消除含水率对矸石集料压缩特性影响，将破碎煤矸石置入DHG-9030A型电热鼓风干燥箱内烘干处理，制备的试验材料如图1所示。

图1 试验材料Fig.1 Test material

1.2 试验方案与装置

为了研究轴向应力、粒径级配和加载速率3种因素影响下破碎矸石的承压变形特性，共设计3组试验，分为平均级配和不完全级配，平均级配由6种粒径矸石等质量均匀混合；不完全级配根据缺失的粒径分为3类：小粒径级配(0～10 mm)由粒径0～5 mm和5～10 mm的矸石组成；中等粒径级配(10～20 mm)由粒径10～15 mm和15～20 mm的矸石组成；大粒径级配(20～30 mm)由粒径20～25 mm和25～30 mm的矸石组成。试验方案见表1。试验所用破碎煤岩体承压变形试验缸筒内径170 mm、高150 mm，缸筒内壁经淬火处理，满足试验要求的硬度与耐磨性。试验时为减小缸筒内壁的摩擦阻力，每次试验前在筒壁涂抹润滑油，另外在缸筒底部放置毛毡，避免细小颗粒溢漏造成试验误差。将制备好的煤矸石称重混合均匀，分次轻微振动装入缸筒，减少装料引起的人工误差。试验依据国家能源行业标准NB/T 51019—2014《固体充填材料压实特性测试方法》，严格按照“设计方案—制备材料—组装模具—装填试样—设置参数—加载测试—结果分析”等步骤进行，每次试验试样总质量为5.4 kg。

表1 试验方案

试验加载系统采用RMT-150B岩石伺服加载试验机，该系统主要用于测试高强度固体材料的力学性能，具有刚度大、精度高、稳定性好等特点，最大压力为1 000 kN。试验前根据方案设置加载参数，并对破碎试样进行预加载。试验过程实时采集轴向应力与应变，当轴向应力达到预设值时结束加载，试验结束后取出破碎矸石进行筛分称重。

2 试验结果与分析

2.1 矸石集料压实力学特性

不同级配的矸石集料压实特性如图2所示。矸石集料压缩破碎过程中，应变随加载应力的增加而快速增大，但增加速率逐渐减小。加载初期(0～2 MPa)应变快速增大，占总应变的50%～60%，而加载后期(2～10 MPa)试样变形模量逐渐增大，应变增长速率变缓。矸石集料初期加载时克服颗粒间的摩擦阻力，发生大范围的滑动、移位与填充，颗粒孔隙逐渐被压密。当轴向加载应力为2～10 MPa时，矸石集料应力-应变曲线趋于平缓，加载时伴随着矸石颗粒破碎的噼啪声响，颗粒间不再发生滑动移位，颗粒与颗粒间的孔隙逐渐减小，矸石集料整体结构趋于稳定，压缩变形越来越难，故应变增加幅度随载荷的增大而减小，且最终趋于稳定。

图2 不同级配矸石集料压缩特性曲线Fig.2 Compression characteristic curves of gangue aggregate with different gradation

由图2可知，小粒径级配稳定性优于大粒径级配，平均级配稳定性优于非完全级配，即随着大粒径颗粒占比增大，试样稳定性降低。中等粒径级配与大粒径级配的应力-应变曲线波动明显，主要是大粒径矸石承压面较多，且大粒径颗粒含量越多，试样的孔隙、空隙空间越大，在相同载荷作用下大粒径矸石易发生挤压破碎；平均级配的矸石集料应力-应变曲线较平滑，主要是载荷作用下各粒径相互补充，形成稳定的承载密实结构，结构内部矸石颗粒不易发生滑动移位，减少了矸石颗粒间的挤压与摩擦，因而平均级配的矸石集料变形小、承载性能好。

试验获得不同轴向应力下矸石集料的压缩特性曲线如图3所示。从图3可以看出，矸石集料的应力-应变曲线大致分为3个阶段。第Ⅰ阶段：孔隙压密阶段(～)，矸石集料处于松散状态，孔隙率高，在轴向应力作用下矸石颗粒间的大量孔隙发生闭合，压缩模量逐渐增大，表现出变形大、承载性能差的特征；第Ⅱ阶段：结构调整阶段(～)，经过初始的孔隙压密，矸石集料的颗粒间紧密接触，颗粒棱角相互挤压形成不同形式的宏观结构，且内部颗粒与颗粒间存在力链，外载荷作用下，矸石颗粒相互挤压重新排列，导致试样内部颗粒结构发生调整，应力-应变曲线呈现波动增长；第Ⅲ阶段：弹塑性变形阶段(～)，该阶段矸石颗粒存在面-面、点-面、点-点3种接触形式，矸石棱角主要以点接触的形式相互啮合，接触点位置产生应力集中，矸石颗粒发生弹塑性变形，挤压破碎的细小颗粒填充孔隙，试样孔隙率逐渐降低，承载能力显著增强。外部载荷加载过程中，试样发生大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙。因此，承压破碎矸石颗粒的滑动、移位、再破碎及重排列是造成轴向应力-应变阶段特征的主要原因。

图3 不同轴向应力下矸石集料的压缩特性曲线Fig.3 Compression characteristic curves of gangue aggregate under different axial stress

由图3可知，不同轴向应力矸石集料轴向应变曲线似指数函数分布，变化趋势差别不大。当矸石集料轴向加载应力为2.5，5.0，7.5 MPa时，轴向应变分别为27.45，35.00，39.56，即轴向应变随着加载应力的增大而减小。2.5 MPa时的加载曲线光滑且缓慢上升，只经历孔隙压密和早期结构调整阶段；5.0 MPa时的加载曲线出现跌宕式上升，经历孔隙压密和结构调整2个阶段；7.5 MPa和10.0 MPa的加载曲线经历了孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段。粒径级配与加载速率相同的情况下，不同轴向应力作用下破碎矸石压缩曲线轨迹存在差异，主要因为散状混合矸石的空间粒径分布不一致，形成不同的承载结构，致使轴向压力作用下压缩曲线轨迹不一致，但不同阶段的压缩模量变化一致。

从矸石的结构看，矿物颗粒无序紧密排列，当某个矿物颗粒受到载荷时，相邻矿物间传递载荷，在最弱的位置产生裂隙。不同加载速率下矸石集料的压缩曲线如图4所示。由图4可以看出，破碎矸石的轴向应变随加载速率的增大而减小，不同加载速率下，矸石轴向应力与应变服从=+型幂函数分布，且相关系数达0.99。

图4 不同加载速率下矸石集料的压缩特性曲线Fig.4 Compression characteristic curves of gangue aggregate under different loading rates

加载速率与时间密切相关，影响介质与时间相关的力学行为，因此，建立轴向应力与时间的曲线，如图5所示。由图5可以看出，随着加载速率增大，破碎矸石的承载时间逐渐减小，其内部的微裂隙来不及充分扩展，试样的压缩变形较小。破碎矸石在轴向应力作用下颗粒结构优化，矸石颗粒结构在高加载速率下尚未发生充分的适应性结构调整就已达到预加载值，导致试样在高加载速率下的变形量较小。

2.2 矸石集料压实粒径分布

矸石集料在一定的压力作用下颗粒发生滑动移位，使矸石颗粒的空间排列和孔隙空隙分布发生变化排列方式。由于试验所采用的缸筒刚度很大，加载过程不考虑矸石颗粒的径向变形。根据分形理论在岩石破碎中的应用研究，试样中粒径小于的岩石颗粒质量与试样总质量之比可表示为

(1)

式中，为粒径小于的颗粒质量；为试样的总质量；为破碎矸石颗粒的粒径；为破碎矸石颗粒的最小粒径；为破碎矸石颗粒的最大粒径；为破碎矸石颗粒的分形维数。

图5 不同加载速率下矸石集料的应力-时间曲线Fig.5 Stress time curves of gangue aggregate under different loading rates

假设破碎矸石颗粒的最小粒径=0，则式(1)可表示为

(2)

对式(2)两边取对数得

(3)

由式(3)可以看出直线斜率与分形维数的关系，对压实前后的破碎矸石进行筛分称重，根据式(3)计算出质量比与粒径比的对数关系，获得不同轴向应力下的破碎矸石粒径分布的分形维数，如图6所示，拟合方程相关系数达0.97以上。

图6 不同加载应力下试样粒径分布分形维数拟合过程Fig.6 Fitting process of fractal dimension of sample particle size distribution under different loading stresses

根据直线方程的斜率与分形维数的关系，计算得到不同轴向应力下破碎矸石承压后的分形维数，分形维数与轴向应力关系如图7所示。由图7可以看出，曲线随轴向应力增大呈上升趋势，但上升幅度逐渐减缓，曲线斜率逐渐减小。破碎矸石的分形维数与轴向应力呈=+ln(-)型对数关系，相关系数为0.974 6。轴向加载初始阶段，轴向应力从0增至5 MPa，分形维数从2.29增到2.48。这主要是由于初始阶段破碎矸石中含大粒径颗粒较多，大粒径矸石具有棱角鲜明、接触面积小等特点，在轴向应力作用下接触位置受力较大，极易发生破碎，导致破碎矸石粒径分形维数快速上升。

图7 试样粒径分布分形维数-轴向应力拟合曲线Fig.7 Fractal dimension axial stress fitting curve of sample particle size distribution

轴向加载初始阶段产生的小颗粒矸石在轴向应力作用下，克服颗粒间的摩擦阻力，产生滚动和滑动，移动到孔隙较大的地方，孔隙体积压缩，破碎矸石更加密实。当轴向应力大于5 MPa时，破碎矸石的分形维数逐渐趋于平缓，这是由于破碎矸石经历了初始加载，颗粒间接触面积增大，接触点增多，散状矸石的孔隙结构和骨架结构趋于稳定。此时破碎矸石抵抗变形的能力较强，随着轴向应力的增大，只有少量矸石发生破碎，表现为分形维数减缓上升。

图8 不同加载速率下试样粒径分布分形维数拟合过程Fig.8 Fitting process of fractal dimension of sample particle size distribution under different loading rates

不同加载速率下破碎矸石分形维数如图8所示，拟合方程相关系数较高。根据直线斜率与分形维数的关系，计算得出分形维数与加载速率关系如图9所示。由图9可以看出，曲线随加载速率的增大呈下降趋势。破碎矸石的分形维数与轴向应力呈对数函数关系，当轴向加载速率从0.05 mm/s增至1 mm/s时，分形维数从2.658降至2.452。这主要是由于采用位移控制加载，加载速率越大破碎矸石的承载时间越短，破碎程度较低，从而导致破碎矸石粒径分形维数减小。

图9 不同加载速率下试样粒径分布分形维数- 加载速率拟合曲线Fig.9 Fitting curve between fractal dimension of sample particle size distribution and loading rate under different loading rates

3 矸石集料压实变形细观分析

3.1 矸石集料压实变形能量演化

矸石颗粒在上覆岩层作用下逐渐被压实，发生明显的滑移破碎现象，颗粒间的相互咬合抑制滑动与移位，对矸石颗粒的承压变形具有较大影响。基于PFC颗粒流模拟软件建立不同形状的矸石块体如图10所示，试验模拟分析矸石颗粒压实变形过程的能量演化与力链结构形态。

图10 部分不同形状矸石块体模型Fig.10 Some gangue models with different shapes

不同粒径级配矸石压缩应变能演化特征如图11所示。从图11可以看出，相同轴向应力、加载速率下，破碎矸石的压缩应变能随加载应力的增大而增大。不同粒径矸石集料的应变能起始变化时刻不同，大粒径矸石集料的应变能起始变化最早，小粒径矸石集料最晚。轴向载荷作用下不同矸石颗粒应变能的增大速率不同，大粒径和中等粒径矸石颗粒的应变能增大速率最大，矸石集料持续压缩变形吸收能量。

图11 不同粒径级配矸石压缩应变能演化特征Fig.11 Evolution characteristics of compressive strain energy of gangue with different particle size gradation

不同粒径级配矸石压缩摩擦能演化特征如图12所示。从图12可以看出，初始加载阶段小粒径矸石变形摩擦能缓慢增大，达到一定载荷时，矸石摩擦能迅速增大，大粒径矸石加载过程中摩擦能快速增大。不同粒径级配矸石压缩侧向应力演化特征如图13所示，相同轴向应力作用下，0～10 mm粒径的矸石集料初始加载阶段侧向应力缓慢增大，20～30 mm粒径的矸石集料初始加载阶段侧向应力快速增大。结合矸石压缩的摩擦能演化特征，当矸石集料中大粒径占比大时，试样的孔隙、空隙空间大，相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎，矸石颗粒结构克服变形消耗摩擦能，表明大粒径矸石颗粒有利于增强承载结构的摩擦效应。平均级配的矸石集料在外载荷作用下各粒径相互调整补充，逐渐形成稳定密实的承载结构，试样摩擦能缓慢增大；小粒径级配的矸石集料在外载荷作用下颗粒相互填充，试样内部颗粒不易发生滚动移位，颗粒间及颗粒与缸筒内壁的挤压摩擦较少，初始加载阶段试样摩擦能缓慢增大，加载后期摩擦能增大速率逐渐加快。

图12 不同粒径级配矸石压缩摩擦能演化特征Fig.12 Evolution characteristics of compression friction energy of gangue with different particle size gradation

图13 不同粒径级配矸石侧向应力演化特征Fig.13 Lateral stress evolution characteristics of gangue with different particle size gradation

3.2 矸石集料压实变形力链演化

矸石堆积体松散分布，岩块间孔隙较大，随着轴向应力的逐渐增加，松散矸石逐渐被压实，岩块间空隙不断减小。颗粒流模型采用力链表示颗粒间的相互作用，分布密集表明结构密实性好，力链数值大的区域为结构的主要承载区。0～10 mm模型由粒径0～5 mm和5～10 mm的矸石块体等比例混合；10～20 mm模型由粒径10～15 mm和15～20 mm的矸石块体等比例混合；20～30 mm模型由粒径20～25 mm和25～30 mm的矸石块体等比例混合。图14为不同粒径下矸石集料承载力链演化，从图14可以看出，岩块间相互接触形成网络结构，应力通过网络自上而下传递，当矸石颗粒网络结构上传递的应力大于平均接触力时，称为强力链结构，反之为弱力链。当轴向应力较小时，试样主要承载区位于上部，随着轴向应力的增大，试样主要承载区逐渐向下发展，范围逐渐扩大，最终贯穿整个试样。矸石颗粒间相互作用关系如图15所示，颗粒间的接触点随外载荷的增大而增多，由锐角接触转为钝角或球面接触，颗粒抵抗变形能力逐渐增强，演变成连续介质，压缩模量快速增大。

矸石集料压实变形力链演化与轴向加载应力与粒径级配密切相关。相同轴向应力下，矸石集料力链表现出：小粒径矸石密集分布，密实性好，大粒径矸石稀疏分布，密实性较差，中等粒径矸石数值最大。相同粒径级配下，矸石集料力链表现出：矸石颗粒尖端随外载荷的增大逐渐出现应力集中，导致颗粒间网络状力链局部失效进而劣化其承载性能；轴向应力较小时，小粒径矸石集料的主要承载区位于上部，大粒径矸石集料的主要承载区覆盖范围大，几乎遍布试样。矸石颗粒的力链方向与载荷方向一致，外部载荷主要通过网络状力链自上向下传递，力链长度随载荷的增大逐渐增长，覆盖范围逐渐增大，高应力范围自上而下逐渐扩展。矸石集料形成的网状结构随外载荷的增大逐渐断裂失效，小粒径矸石颗粒可以弱化断裂失效，力链长度增大。

破碎矸石不同层位空隙率如图16所示(为筒的高度)，由图16可知，不同层位的破碎矸石空隙率存在差异。相同轴向应力下，破碎矸石试样顶部至底部的空隙率逐渐升高，即试样密实性逐渐降低，这是由于轴向加载过程中，力链自上向下传递，颗粒的移位、破碎、填充程度从顶部至底部逐渐降低，最终导致试样空隙被压缩和填充程度从顶部至底部逐渐降低。不同轴向应力下，破碎矸石试样空隙率随轴向应力的增大而减小，顶部空隙率变化较小，底部空隙率变化较大，表明矸石颗粒在轴向应力作用下，试样顶部区域受载荷影响大，底部区域受载荷影响小。

图14 不同粒径下矸石集料承载力链演化特征Fig.14 Evolution characteristics of bearing capacity chain of gangue aggregate under different particle sizes

图15 不同粒径下矸石颗粒相互作用形式Fig.15 Interaction forms of gangue particles under different particle sizes

图16 破碎矸石不同层位空隙率分布Fig.16 Distribution of voids in different layers of broken gangue

4 矸石集料承载压缩力学响应机制

破碎矸石颗粒在外载荷作用下逐渐压缩变形，克服试验缸筒内壁及颗粒间的摩擦阻力，颗粒产生滑动移位，运动到更加平稳的位置，试样孔隙体积逐渐减小，矸石集料更加密实。随着轴向应力的进一步增大，矸石颗粒整体破裂、棱角破碎，细小颗粒填充到大颗粒孔隙中，试样整体体积减小。矸石颗粒的主要破碎类型如图17所示，矸石颗粒自身蕴含着大量缺陷，在外载荷作用下分解细化成不均匀的小颗粒，如图17(a)所示；当矸石颗粒棱角较多时，颗粒间以点接触为主，接触位置易出现应力集中，致使矸石棱角破碎脱落，如图17(b)所示；当矸石颗粒外形规整表面粗糙时，外载荷作用下矸石颗粒相互挤压研磨，使其表面光滑、形状规则，如图17(c)所示。

图17 矸石颗粒破碎类型Fig.17 Types of gangue particle crushing

结合对破碎矸石滑动移位、空隙率演化等的分析，将破碎矸石压缩变形分为快速变形和缓慢变形2个阶段。快速变形阶段，试样变形速度快，轴向变形占破碎矸石总变形的50%～60%。这是由于初始状态下的破碎矸石试样松散，存在大量的空隙；在较低的轴向应力下，矸石块体没有形成稳定的骨架结构，易发生滑动移位；轴向应力下矸石块体的少量软弱棱角破碎细化，破碎现象随加载载荷的增大更加显著，但细小颗粒对矸石孔隙的填充不够充分。因此，该阶段试样变形主要是由于矸石块体结构重新调整排列导致的。缓慢变形阶段，试样变形速度逐渐变缓，这是由于该阶段试样中应力较大，矸石块体由于应力集中发生大量破碎，导致试样骨架结构失稳；快速变形阶段试样空隙被大幅度压缩，另外破碎的细小颗粒填充空隙，试样整体粒径分布处于理想状态，颗粒之间充分紧密接触，矸石颗粒的滑动移位、二次破碎、重新排列等难以发生，试样变形逐渐趋于稳定。因此，这个阶段试样变形主要是由于矸石块体破碎导致的。

5 讨 论

综上，获得了不同粒径级配、轴向应力、加载速率下矸石集料的瞬时压实特性。轴向加载过程中矸石颗粒不断发生滑动移位与二次破碎，逐渐形成稳定的承载结构。基于破碎矸石分形维数与模拟分析可知，不同层位的破碎矸石空隙率存在差异，从顶部至底部空隙率逐渐升高。工程现场采空区矸石分布着大量孔隙、空隙，为固废注浆充填提供了有利的空间条件，因此基于破碎矸石瞬时压实的演化特征，未来将开展矸石堆注浆的时空关系与矸石固结体的蠕变特性研究，为采空区注浆充填提供理论指导和参考依据。

6 结 论

(1)根据破碎矸石集料的承压变形特征，将其压实过程分为孔隙压密阶段、结构调整阶段和弹塑性变形阶段。孔隙压密阶段矸石颗粒发生孔隙闭合，压缩模量逐渐增大，表现出变形大、承载性能差等特征，结构调整阶段矸石颗粒相互挤压重新排列，试样内部颗粒结构发生变化，压实曲线呈现波动增长，弹塑性变形阶段矸石颗粒以点接触的形式相互啮合，矸石颗粒挤压破碎成细小颗粒填充孔隙，试样孔隙率逐渐降低，承载能力显著增强。

(2)外载荷加载过程中，矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙，是矸石颗粒承压变形呈现阶段特征的主要原因；随着载荷的增大颗粒间的接触点逐渐增多，接触方式由锐角接触转为钝角或球面接触，颗粒抵抗变形的能力逐渐增强，压缩模量快速增大，逐渐演变成连续介质。

(3)破碎矸石的压缩应变能随加载应力的增大而增大，不同粒径矸石应变能的增大速率不同；相同轴向应力作用下，大粒径矸石易发生挤压破碎，矸石颗粒结构克服变形消耗摩擦能，有利于增强承载结构的摩擦效应；小粒径级配的矸石集料在外载荷作用下颗粒相互填充，颗粒间及颗粒与缸筒内壁的挤压摩擦较少，初始加载阶段试样摩擦能缓慢增大。

(4)轴向载荷下岩块间相互接触形成网络结构，应力通过网络结构自上而下传递，相同加载应力下，小粒径矸石密集分布，密实性好，大粒径矸石稀疏分布，密实性较差；轴向应力作用下小粒径的主要承载区位于上部，大粒径矸石集料的主要承载区覆盖范围较大，几乎遍布试样。力链长度随载荷的增大逐渐增长，覆盖范围逐渐增大，高应力范围自上而下逐渐扩展。矸石集料形成的网状结构随外载荷的增大逐渐断裂失效，小粒径矸石颗粒具有弱化断裂失效作用。