通用水泥全尾砂充填体强度的试验研究

为了研究全尾砂充填体试块的强度,使用普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和全尾砂制作充填试块,并进行了抗压试验.研究了充填试块强度与水泥种类、龄期、灰砂比和质量浓度之间的关系.试验结果表明:同样条件下,普通水泥充填试块的强度最高,随着龄期增加,强度增长的速率最快,增加质量浓度,强度增大的幅度较小.矿渣水泥充填体的强度次高,强度随龄期增长的速率较快.粉煤灰水泥充填体的强度一般,随着龄期的增加,强度增长的速率较快,在1?4的灰砂比下增加质量浓度,强度增加比例最大.火山灰水泥充填体的强度最低,随着龄期强度增加速率很慢.     

掺早强剂充填体在不同加载速率下裂隙破裂特性

与传统采矿法相比充填采矿法具有环保、安全等特点而在矿山生产中广泛使用,但充填过程中充填体会受到灰砂比、级配、料浆浓度等内在因素的影响,还受早强剂、加载速率等外在因素的影响。通过不同加载速率对掺早强剂与未掺早强剂充填体进行单轴压缩试验及声发射试验,对其力学性能和声发射特性进行研究。结果表明,充填体强度在不同加载速率下会呈现先增后减的趋势,且早强剂掺量不同时充填体的强度增幅也是不同的。而基于声发射特征参数RA和AF发现,随着加载速率的增加,剪切裂隙占比减少,在达到临界加载速率后随着速率的增加剪切裂隙增加。未掺早强剂充填体与掺早强剂充填体相比,在同等速率下加载所产生的剪切裂隙占比较多。     

碱激发矿渣胶结剂对尾砂充填料浆流动性和抗压强度的影响

针对固体浓度、胶结剂含量、激发剂/胶结剂(Al/Bi)比、硅酸钠/氢氧化钠(SS/SH)比对尾砂胶结充填料浆(CPB)流动性和抗压强度的影响进行了试验研究,结果表明:碱激发矿渣基充填料浆流动性和抗压强度均优于水泥基充填料浆。随固体浓度与SS/SH比值增大,碱激发矿渣基充填料浆流动性降低,而提高胶结剂含量与Al/Bi比值,碱激发矿渣基充填料浆流动性得到改善;随着固体浓度和胶结剂含量的增加,充填体试块强度随之增加,但增长速率降低;当Al/Bi比值小于0.3时,随着Al/Bi增大,碱激发矿渣充填体试块强度增加;Al/Bi比值大于0.3时,充填体试块强度呈现下降趋势;SS/SH比值对碱激发矿渣基充填体试块强度的影响则与养护时间有关。     

不同加载速率下充填体力学特性研究

地下矿山中的充填体往往会受到不同加载速率的载荷作用,因此研究不同加载速率下充填体的力学特性对矿山的安全生产具有重要意义。以湖南某铅锌矿的胶结充填体为对象,进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,研究了其相应的力学特性。结果表明:总体而言,加载速率越大,充填体的抗压强度也越大;加载速率存在一个临界值,当超过该临界值时,随着加载速率的增大,充填体的抗压强度反而减小;灰砂比越大,充填体强度受加载速率的影响越大。     

加载速率对充填混合材料力学特性影响研究

运用PFC2D软件研究加载速率对充填混合材料力学特性影响,选取了0.2,0.5,0.8,1.0,1.25m/s五个加载速率对充填混合材料数值试样进行单轴压缩数值模拟试验,分析不同加载速率对数值试样的破坏模式,轴向应力峰值变化影响。发现:加载速率的增大抑制单一剪切面发展,呈现同步发展,破坏模式发生较大变化。加载速率的增加抑制颗粒间裂纹发育造成的强度弱化,同时较高的加载速率造成数值模拟试样承载结构破坏,数值试样强度随着加载速率的增加呈现先增加后减小的趋势,在临界加载速率1m/s时出现轴向应力最大峰值。     

不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

充填体是维护采场安全稳定的关键因素,是由多种物质混合而成的非均质材料,力学特性复杂,加载条件改变会对其力学特性和损伤破裂机理有显著影响。通过进行不同应力速率下的充填体单轴抗压强度试验,并结合非接触式全场应变测量系统对试样破裂演化过程进行监测。结果表明:随着应力速率的增加,充填体的峰值强度不断增大,低浓度、低灰砂比试样的强度增幅更加明显;低应力速率下试样表面出现大量宏观裂纹,发生拉伸破坏,高应力速率下试块发生单斜面剪切破坏;低应力速率下试样内部的微裂隙和孔隙充分发育形成贯通面,进而弱化了充填体的强度,高应力速率下,试样内部微裂隙和孔隙的发育被限制,试样的整体承载结构对强度的影响占主要地位;应力加载下,试样在达到峰值强度瞬间发生破坏,积蓄的能量集中瞬间释放,破裂现象剧烈。     

改性镁渣基充填材料的性能评价及其孔结构演变规律研究

工业产生的固废所造成的环境污染问题是实现清洁生产的主要阻碍。为实现可持续发展,将镁渣(MS)和粉煤灰(FA)回收作为胶凝材料,再与尾砂(TL)混合,制成一种可用于采矿工程中的膏体充填材料,研究了不同粉煤灰掺量和尾砂含量充填体的流变特性、力学性能和孔结构演变。结果表明:(1)随着粉煤灰掺量增加,微型坍落度值先增大后减小,粉煤灰掺量为20%时,充填体的流动性最好。(2)单轴抗压强度随养护龄期和粉煤灰掺量的增加而增加,随尾砂含量增加而降低,低粉煤灰含量的充填体在早期强度发展缓慢,而高粉煤灰掺量的充填体早期强度发展较快。(3)临界孔径和孔隙率随着粉煤灰掺量的增加而减小,掺量越大临界孔径减小的幅度越大,随着尾砂含量增加,临界孔径和孔隙率逐渐增大。     

基于损伤力学模型胶结尾砂充填体强度特性研究

以地下矿山尾砂充填料为研究对象,利用充填体试块损伤力学模型和岩石力学试验机对胶结尾砂充填体在不同质量浓度、灰砂比和养护时间下的强度特性进行试验研究。引入充填体损伤力学模型和损伤因子来描述胶结尾砂充填体的强度特性和破坏过程。研究结果表明:充填体的单轴抗压强度随着质量浓度、灰砂比和养护时间的增加而增大,并且灰砂比和养护时间对充填体强度影响较大;结合试验结果,利用充填体损伤力学模型可以准确地描述充填体加载过程中的应力-应变曲线;结合应力-应变曲线得出的损伤因子值随应变增加而增大,且质量浓度和灰砂比越大、养护时间越长,损伤因子值越小,充填体越不容易破坏。     

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。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

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。     

低加载率范围内煤岩组合体冲击倾向性的率效应试验研究

以煤岩组合体为研究对象,进行4种不同量级下的低加载率(10-3~100MPa/s)单轴压缩试验,以抗压强度、弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数、归一化动态破坏时间为参量,考察加载率对煤岩组合体冲击倾向性的影响。研究结果表明:随着加载率的提高,煤岩组合体的承载失效结构由煤体转化为煤岩组合体,并存在明显的临界加载率现象。煤岩组合体的抗压强度和弹性模量在临界加载率以下保持在较低值,在临界加载率以上保持在较高值;冲击能量指数随着加载率的提高先增加后减小,在临界加载率附近出现最大值;弹性能量指数随着加载率增加而提高;修正动态破坏时间在临界加载率之前降低幅度较快,在临界加载率之后缓慢下降然后趋于平稳;综合判断煤岩组合体的冲击倾向性随加载率的增加划分为两个比较明显的水平,并且在临界加载率附近表现出较为明显的冲击倾向性突变。临界加载率效应可为现场条件下确定合适的工作面推进速度提供参考。     

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到：充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。     

含水粉煤灰泡沫混凝土力学性能退化试验研究

采用普通硅酸盐水泥、发泡剂、粉煤灰及外加剂制备采空区充填材料,通过室内试验研究不同含水率影响下充填体强度特性、蠕变特性、应力应变特性和变形特性退化规律。结果表明：自由水对充填体性能退化影响明显。具体表现为：随着含水率的增加,充填体抗压强度和抗剪强度递减,初期递减幅度较大,后期较小;充填体强度峰值、峰后残余强度及延性随着含水率增加而递减;随着含水率的增加,充填体弹性模量降低幅度较大,泊松比变化幅度较小,其他变形参数如剪切模量,体弹性模量均减小,充填体在水弱化情况下会进一步产生压缩,抗变形能力退化显著。     

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明:静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

矿渣粉掺量对高水材料物理力学性能的影响研究

为了降低高水材料充填体成本、提高充填体强度,并有效开发利用矿山工业固体废弃物,开展了掺入有活性成分的矿渣粉对高水材料浆液和充填体物理力学性能及晶体微观结构影响的试验研究。结果表明,随着矿渣粉掺量增加,浆液初凝时间缩短,试件的含水率降低、容重增大,且含水率与峰值抗压强度及容重与峰值抗压强度均具有较好的二次相关关系;随着矿渣粉掺量的增加,试件的峰值抗压强度与残余强度均先减小后增大,掺量为10%时,峰值抗压强度与残余强度均达最小值;从材料的微观结构可以看出,矿渣粉的掺入促进了钙矾石晶体和硅酸钙凝胶的生长发育,改变了晶体发育形貌及网状结构形态。在试验掺量范围内,掺加20%的矿渣粉可使试件晶体空间网状结构最为致密,在宏观上表现为峰值抗压强度达最大值。     

发泡剂用量对粉煤灰泡沫混凝土强度影响

为了制备适用于采空区充填的泡沫混凝土,探索发泡剂用量对粉煤灰泡沫混凝土抗压强度的影响规律,通过室内试验制备了发泡剂用量分别为3%、6%、9%的粉煤灰泡沫混凝土试块,并进行单轴压缩试验。结果表明:实验制备密度为513.6 kg/m3的粉煤灰泡沫混凝土,当增大发泡剂用量时,泡沫混凝土的峰值强度降低,其弹性模量出现较大幅度降低,对应达到峰值强度的应变增大。随着加载速率的降低,试块峰值强度有小幅度提高。说明发泡剂用量为3%时粉煤灰泡沫混凝土强度最高。