特厚煤层矸石充填控制岩层变形特性研究

为研究特厚煤层在矸石充填下岩层变形特性,以某矿矸石为充填材料,采用侧限压缩试验研究其在压应力下的变形特征,并采用FLAC^3D建立数值模型,将侧限压缩试验中压实8 MPa的矸石的弹性模量应用至数值模型中,对比分析充填和未充填两种开采模式下的岩层的受力及变形。研究结果表明,矸石充填体变形特征表现为随着载荷的持续增加应变量逐渐增加,且两者呈现对数函数关系,应变量前期变化明显,后期逐渐减小;矸石充填开采后,对比未充填时岩层的位移量明显减小,且应力在岩层中分布更加均匀。试验和模拟结果均表明,矸石的压密致使充填体的变形趋于稳定,从而可以承担上部压力。     

煤矿膏体充填材料力学变形性能的试验研究

力学变形性能的研究在煤矿膏体充填材料压缩变形研究中居于十分重要的位置。通过实验室正交试验,得出了膏体充填材料的弹性模量、横向应变、纵向应变和泊松比,并首次利用数字图像测量软件绘制了材料在单轴压缩过程中的全应力-应变曲线和泊松比曲线,为选择最佳配比的充填材料提供依据。     

侧限高应力条件下充填体压缩变形规律分析

为了研究充填体在侧限高应力下的变形规律,根据现场调研结果试验室内选取灰砂比为1∶10,浓度为70%的充填体试块进行9级加载蠕变试验,得到每级加载应力下充填体的轴向变形规律。通过对充填体的压缩特性分析,得到了不同加载应力条件下充填体试块的侧限压缩系数和压缩模量;通过压缩变形应变-时间图,对侧限高应力条件下充填体试块的压缩变形机理进行分析,分析结果为新城金矿矿山充填设计及安全生产提供科学依据。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

水泥-尾砂充填体常规三轴压缩性能研究

由充填体常规三轴压缩强度和变形试验得到了峰荷应力和应变及相关试验曲线,对充填体三轴受压渐进破坏过程进行了描述分析。试验中看到,充填体在轴压下产生的裂缝的发展因施加围压而受到抑制,这种约束与围压成正比,即充填体破坏形式从零或低围压的脆性破坏到高围压的塑性软化流动。工程实际中,充填体多数情况下处于多轴受力状态,因此对充填材料进行多轴应力下的强度和变形行为研究具有现实意义。     

掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征

为了探究掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性及能量演化规律,对掺不同质量含量的聚丙烯纤维充填体进行单轴压缩试验,得到了掺不同纤维含量充填体优化后的本构模型。研究结果表明:向充填体添加聚丙烯纤维能够有效的提高充填体的力学性能,当纤维含量达到0.6%时,纤维增强充填体的效果最好;对现有的掺纤维充填体损伤本构理论模型进行优化,得到了优化后掺聚丙烯纤维充填体理论曲线,并将理论曲线与试验曲线和文献曲线进行对比验证,发现优化后的理论曲线与试验曲线拟合度更高;构建了损伤与应变能之间的关系,损伤-应变能关系曲线能更好描述掺不同纤维含量充填体的损伤特性,发现纤维增强充填体力学特性的主要机理,即纤维不仅增强了充填体储存应变能的能力,还增大了充填体峰后储能的能力。试验结果对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有一定意义。     

废石-尾砂胶结膏体料浆的压力泌水效应及管输边界层厚度估算

为探究充填膏体料浆在管道输送过程中的压力泌水效应及边界层效应,对某矿废石尾砂充填膏体拌合物进行侧限压缩试验及压力泌水试验。结果表明：废石尾砂充填膏体拌合物的初始空隙率,体积浓度,所受压力及压力作用时间对压力泌水率影响巨大;根据充填料的e-p曲线的变形规律,提出了充填膏体料浆压力泌水率的计算模型,定义了影响充填膏体拌合物压力泌水效应的材料参数A和应力参数n,将级配因素引入到压泌水率计算模型中,分析了应力参数随着应力和初始空隙率的演化规律,认为应力参数是一个关于压应力和初始空隙率的多项式函数,函数的阶数越高,精度越高;认为膏体管输边界层厚度不是一成不变的,并建立基于压力泌水效应的膏体管输边界层估算方法。     

建筑物下超高水材料充填体稳定性研究

针对建筑物下3603超高水材料充填开采工作面,经在采空区内布置顶板变形仪和压力传感器,对充填体进行监测研究,得出超高水充填体在工作面中部压缩变形量和应力比端部高;充填体压缩变形量及应力随工作面的向前推进而增加,且在初期总体上均呈线性关系,达一定距离后,逐渐趋于稳定;超高水充填体能有效控制顶板下沉,减缓上覆岩层向下移动,能对地表变形起到很好的控制作用。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

充填膏体蠕变宏观硬化试验研究

为探索煤矿充填膏体的长期强度特征,采用水泥、粉煤灰、煤矸石等材料按照1∶4∶6配比制成充填膏体试件,对其进行了单轴压缩与蠕变试验。基于试验结果,分析了充填膏体试件的物理特性、蠕变瞬时变形模量等参数变化规律。研究表明:充填膏体致密性差、可压缩性强,在缓慢加载过程中试件趋于均匀、致密;蠕变试验过程中,在破坏前的各级应力水平上,随着应力水平提高和变形增加,充填膏体试件的瞬时变形模量增大,增长率为1.77×105%;同时,每级应力水平下弹性应变阶段的应变率随应力水平提高而逐渐减小;充填膏体蠕变强度大于单轴抗压强度,平均蠕变系数为1.09,充填膏体在蠕变过程中强度发生了宏观硬化。     

采空区不同岩性破碎岩石压实变形及声发射特征研究

采空区不同岩性冒落破碎矸石的压实特性及承载力学性质对上覆岩层移动破坏有重要影响。采用侧限压缩试验与声发射测试试验方法,对相同级配的砂岩、砂质泥岩两种单一岩性及砂岩-砂质泥岩组合岩性破碎岩石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明：在加载前期,破碎岩石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,随时间增加,呈现急剧上升后趋于平缓的特征;不同单一及组合岩性破碎岩石在侧限受压过程中应力与应变均呈非线性关系;根据破碎岩石的应力-应变特征将破碎岩石的压缩变形过程划分为快速压密阶段、缓慢压实阶段及稳定压固阶段。随着轴向压力逐渐增大,破碎岩样的大颗粒骨架破坏、中等颗粒移位滑动、小颗粒填充孔隙;不同岩性的应变与应力呈正相关关系,孔隙率与应力呈负相关关系,组合岩性岩样介于单一岩性岩样之间;不同单一、组合岩性比例与破碎岩样分形维数呈指数函数关系;基于压实变形声发射测试试验结果将破碎岩石压缩过程划分为滑移流动变形阶段、压裂变形填充阶段及压密弹性变形3个阶段;不同阶段破碎岩样的累计计数及累计能量曲线均表现出阶段性的变化特征,随着应力增加,前期声发射累计振铃计数及累计能量表现...     

尾砂胶结充填体侧限高应力固结特性实验研究

充填接顶后,充填体在复杂应力条件下发生变形量的大小直接关系到能否对上覆岩层进行有效控制。为揭示深部开采充填体服役过程中的力学作用机制,必须深刻了解充填体在复杂应力作用下的变形性能。本文结合工程实际,在实验室实验基础上分别对不同龄期充填体侧限约束条件下的固结变形特性进行研究,得到了不同养护龄期充填体的压缩规律;对侧限高应力固结过程中充填体的本构关系进行了探讨,分析了侧限约束条件下充填体由弹性变形到弹塑性变形再过渡到弹性变形的全过程,研究结论能够为深部开采充填设计及安全管理提供科学依据。     

块石胶结充填体循环加卸载损伤特性研究

在RMT-150C岩石力学试验系统上对四种不同块石含量胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验,得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化,发现块石胶结充填体卸载点应力水平由低到高的每个循环过程中,试件呈现先强化后劣化的规律,且适量块石的加入可提升充填体强化过程。采用改进的混凝土分段损伤本构模型对循环加卸载下的块石胶结充填体受压破坏应力—应变曲线外包络线进行拟合,理论曲线与试验曲线吻合度较高,此模型对块石胶结充填体循环加卸载损伤破坏过程描述较为准确。     

新型胶凝结构下全尾砂充填体配比决策模型

为改进全尾砂胶结充填体配比决策思路,选用新型胶凝材料制备试块,完成力学试验并进行理论分析。设置6组梯度配比全尾砂胶结充填体试块进行单轴压缩,依据试验力学参数及应力-应变关系曲线,建立全尾砂胶结充填体非线性强度模型。基于充填体配比及充填体压缩比能的关联,依据采场充填体与围岩能量匹配原则,建立全尾砂胶结充填体强度配比决策模型。实例验证表明,模型深度关联岩体参数及埋深,且与现场应用及客观规律相吻合,能便捷实现充填体配比的精细决策。     

不同配合比下尾砂充填体的动载冲击破坏研究

以紫金山金铜矿分级尾砂作为充填骨料,按灰砂比1∶4,1∶8,1∶12,浆料浓度66%,70%,74%配制的胶结充填体试件共9组。采用SHPB杆对充填体进行单轴冲击试验,并与单轴压缩试验对比,以确定动载条件下充填体抵抗破坏的能力及特征。结果表明:充填体在动载情况下,其峰值应力与灰砂比和浓度的关系与静载条件下表现出相同的性质,但极限应力是静载的6~10倍。根据动载时充填体的本构关系曲线的特征,可以得出随着应变的增加,充填体在抵抗冲击时具有应变软化与强化的阶段,且各试件的应力应变曲线在最初上升阶段具有较好的重合性,判断其弹性模量具有较好的一致性,但应力的增幅并不一致,表现出差异性。根据对不同配比充填体的流动应变对比,可以判断出其变形能力与砂浆浓度、灰砂比成反比。充填体变形能力越强,破坏所吸收的能量值也越大。     

高水充填材料失稳破坏特征研究及性能改善

针对高水充填材料强度低、稳定性差等问题,对高水充填材料的性能进行改善,并通过应力-应变和蠕变试验,研究高水充填材料失稳破坏特征;通过扫描电镜与差热-热重实验,研究高水充填材料的微观结构与高水充填材料的改善机理。结果表明:高水充填材料在应力水平较小时,蠕变曲线有衰减蠕变和稳定蠕变2个阶段;当应力水平达到临界荷载时,蠕变曲线出现加速蠕变阶段;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段:初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段;改善后的高水充填材料胶凝时间缩短,抗压强度提高,弹性模量增大,失稳破坏的临界荷载提高,变形减小;改善后的高水充填材料生成更多的钙矾石晶体和铝胶,硬化体微观结构更致密,有利于提高充填体的承载能力。     

矸石充填材料承载压缩变形时效性试验研究

掌握矸石充填材料承载压缩变形时效性是矸石充填开采顶板变形、岩层移动与地表沉陷预计的重要基础。基于矸石充填材料在采空区的受力状态,分析了矸石充填材料承载压缩变形特征,借助自制的散体充填材料双向加载试验系统,采用分级加载方式测试了矸石充填材料承载压缩特性,得到了矸石充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。研究结果表明:1)矸石充填材料本身的强度越高,其瞬时与蠕变压缩应变越小;2)随着轴向应力增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大;3)随着蠕变时间增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大。     

粉煤灰优化破碎矸石充填材料承载压缩力学特性试验研究

为揭示破碎矸石充填材料在承载压缩过程中的破碎机理,提高充填材料的承载力学特性,通过破碎矸石侧限压缩试验和声发射试验,研究了承载压缩过程中破碎矸石不同应力状态下的声发射(AE)频率,揭示了破碎矸石承载压缩过程中的破碎损伤机理,分析了粉煤灰掺量对破碎矸石充填材料承载压缩率的影响,得到了最佳粉煤灰掺量.试验结果表明:随着 应 力 逐 渐 增 大,累 计 AE 事 件 逐 渐 增 多;在 １~８MPa的应力段,发生的 AE事件数较多,矸石变形破坏比较严重;掺入粉煤灰后,充填材料承载压缩特征得到了一定程度的改善,试验条件下的粉煤灰最佳掺量为３０％,其２ MPa应力下的应变为０．２４８,容重为１８．６７kN/m３.     

某金矿氟石膏基新型膏体充填材料配比试验研究

基于目前水泥胶凝材料价格大幅上调导致膏体充填成本高昂的实际境况,为降低充填成本,以工业废弃氟石膏为主要研究对象进行相关研究。利用氟石膏代替水泥,结合废石、粉煤灰、生石灰等掺加料,并辅以一定量的添加剂,开展氟石膏基新型膏体充填材料配比试验研究。通过坍落度、扩展度等试验确定材料的最优配比,并对膏体进行单、三轴及SEM试验,分析其宏微观结构。研究结果表明：质量浓度增大0min至120min,坍落度、扩展度损失率随之增大,泌水率却逐渐减小;最优配比所制成氟石膏基膏体的单轴压缩应力—应变曲线属于弹塑性曲线,最高可达6~7MPa;单轴与三轴压缩试验后,膏体表面未出现大的破裂面,且随围压的增加,应力—应变曲线不再出现峰值应力;所制充填材料的水化物主要包括钙矾石（AFt）、水化硅酸钙凝胶（C-S-H凝胶）和二水硫酸钙（CaSO4?2H2O）。氟石膏基新型膏体充填材料的配制具有深远的影响,为实现高效安全、绿色可持续的矿山开采提供了保障。     

压实过程中煤矸石颗粒流细观演化规律研究

研究煤矿矸石充填材料压实变形中的细观演化规律对提升固体充填效果有重要意义。本文采用颗粒流数值软件PFC2D,考虑压实过程中颗粒破碎,通过颗粒簇cluster单元构建煤矿矸石颗粒模型,分析在单轴侧限压缩条件下不同配比颗粒体系细观演化特征,研究颗粒力链分布、裂隙与细观特征之间的关系。结果表明:模拟模型的应力应变和破碎方式等方面与实验室试验结果有着良好的对应;分析模型颗粒内部力链分布和裂隙演化规律,发现多数力链集中在颗粒较大的颗粒单元附近,形成"骨架力链"现象,裂隙也主要产生在颗粒较大的颗粒单元周围,该现象导致大颗粒单元周围配位数个数与接触力大小较其他颗粒明显增加。