块石胶结充填体组成材料的力学特性

目前,国内外对于块石胶结充填体组成材料力学特性的研究较少,而材料的力学特性在一定程度上影响充填效果的好坏.基于目前的研究成果,借助室内单轴抗压、抗拉试验,得到块石胶结充填体各组成材料的应力-应变关系曲线、载荷-时间关系曲线.结果表明:3种组成材料强度差异性大;骨料试件的强度远远大于尾砂充填体试件与骨料-尾砂试件;骨料试件与骨料-尾砂试件峰后应力跌落较快,表现为脆性特征;尾砂充填体试件在到达峰值应力后下滑迟缓,说明其具有一定残余强度;尾砂充填体试件与骨料试件在单轴荷载的条件下具有初始压密、线弹性变形、塑性变形和失稳破坏4个阶段.     

块石含量对充填体残余承载阶段损伤演化影响研究

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验。试验结果显示了不同块石含量胶结充填体承载过程中残余承载阶段应力-应变变化关系。利用损伤力学理论建立了不同块石含量的损伤本构方程及损伤演化方程。对比损伤-应变关系曲线,发现随着块石含量的增加,块石胶结充填体应力峰值所对应的损伤值逐渐增加。分析认为,块石含量对充填体试件残余承载阶段的损伤增长速率的影响规律是块石含量较低（10%、20%）时加速损伤增长,块石含量较高（30%）时抑制损伤增长。     

单轴压缩下不同尺寸充填体能量损伤演化特征试验研究

对4种不同尺寸（40,70.7,100,150 mm）的充填体试件进行了室内单轴压缩试验,研究了尺寸变化对充填体能量演化规律和损伤破坏机制的影响,并得到了基于弹性能耗比的充填体破坏前兆判据。研究结果表明：单轴压缩下不同尺寸充填体的能量演化规律相似,体现为峰前以弹性应变能积蓄为主,峰后耗散能占比不断上升并迅速超越弹性应变能;随着试件尺寸的增加,充填体在峰值应力处总输入应变能、弹性应变能和耗散能均呈非线性下降趋势;根据耗散能曲线,可将充填体能量损伤演化过程划分为初始损伤、损伤加速、损伤稳定发展和损伤破坏4个阶段;试件尺寸越大,弹性能耗比K值变化幅度越大;弹性能耗比K值曲线整体先上升后下降,持续到一个较低值,在临近峰值应力处再转为上升。弹性能耗比K值曲线的这一变化规律可作为充填体临界破坏前兆特征。     

基于声发射概率密度函数固废胶结充填体损伤分析

固废胶结充填体是保障矿山安全回采的关键承载结构,为探究其实际承载损伤破坏过程,在RMT-150C岩石力学测试系统上对不同粗骨料含量的4组胶结充填体试样进行了单轴压缩与循环载荷下的声发射试验。结果表明：循环载荷下,4组试样均具有显著的Kaiser效应,且含块石的3组试样声发射事件数更丰富,峰值应力前达到了纯尾砂试样的152%、225%和300%。同时,利用声发射概率密度与承载应力水平间的关联性,得到了4组不同块石含量胶结充填体的声发射概率密度方程,通过声发射概率密度函数实现了声发射参数量化分析胶结充填体承载损伤过程。对比损伤变量-应力水平曲线可以看出,块石的加入能够有效减缓并抑制前期损伤,当块石含量为20%时,效果最好。     

块石对充填体损伤演化影响的声发射表征

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩实验,利用1 MHz的宽频声发射传感器采集峰值破坏前各阶段声发射参量,试验结果显示了块石对充填体不同承载阶段应力-应变水平的影响。对比应力-应变-累计声发射事件数关系,发现块石的掺入有利于降低充填体裂纹产生与扩展的速率从而使其承载能力得到加强。分析试验数据得到用累计声发射事件数表征充填体损伤程度的关系式,并得到2组试件的损伤-应变水平关系曲线。分析表明,块石的加入有效抑制充填体前期的损伤增长速率,并使得损伤激增段出现后延趋势。     

单轴压缩下充填体损伤本构模型研究

为了揭示充填体材料在单轴荷载下的损伤机理,首先对充填体材料在单轴荷载下的应力—应变曲线进行分析,再以损伤变量作为影响充填体材料力学特性的内变量,基于统计损伤理论、最大拉应力准则和应变等效假说,推导了充填体材料在单轴荷载下的经典损伤本构模型。由于充填体试件在初始阶段存在压密过程,提出了压密系数并将其引入到经典损伤本构模型,弥补了经典损伤本构模型无法合理解释充填体压密过程的缺陷。采用修正损伤本构模型对几种不同试验数据进行拟合,并与经典损伤本构模型进行对比,结果表明：拟合曲线不仅能够较好地模拟充填体试件在初始加载阶段的压密过程,而且拟合曲线与应力—应变试验数据基本吻合,充分说明所建立的修正损伤本构模型可靠性较好。为了进一步研究拟合参数变化对拟合曲线形状的影响,采用控制变量法改变其中一个参数,结果表明不同类型的拟合参数会对拟合曲线的形状产生不同的影响。     

充填材料特性试验研究及充填工艺参数选择

充填料浆流动性和充填体强度是影响矿山充填质量的关键因素。通过开展粗骨料膏体充填料浆流动性及泌水率试验,确定合理的粗骨料膏体浓度范围,并以此浓度范围为基础,开展了充填体强度配比试验,测试了不同浓度、不同灰砂比条件下充填体单轴抗压强度。同时结合强度试验结果分析了充填体强度影响因素及规律。结合矿山生产实际,确定了最佳充填工艺参数,推荐充填工艺参数为:充填料浆浓度74%、底部充填体灰砂比1∶4、顶部充填体灰砂比1∶8。     

围压与料浆浓度对尾砂充填体峰后损伤演化研究

对于矿山地下深部开采存在的地压问题，选取3组料浆浓度充填试件在RMT-150C压力机上经过不同围压三轴压缩后再进行单轴压缩试验，获得经过3组围压压缩后不同料浆浓度试件的应力—应变曲线数据，并结合Lemaitre应变等价原理，得到全尾砂胶结充填体的峰前后损伤值公式和损伤本构方程。从损伤—应变曲线可知：当料浆浓度一定时，增大围压，充填体弹性变形阶段缩短，更早达到屈服极限且峰值损伤值增大，继续增大围压，充填材料峰值损伤值降低；在低围压条件下，增大料浆浓度抑制了峰前损伤增长,但促进峰后损伤增长；在高围压条件下，随着料浆浓度的增大，充填材料损伤值先降低后升高，促进了试件破坏。     

采矿废石—尾砂混合骨料在下向分层进路胶结充填采矿中应用的试验研究

为了降低金川矿山充填采矿成本,针对下向分层进路胶结充填采矿法,开展了废石—尾砂混合骨料现场工业充填试验。对废石和尾砂进行了粒度分析与级配研究,选取合适的废石—尾砂配比混合骨料开展现场工业充填试验研究。结果表明：-16 mm废石粗骨料和选矿尾砂细骨料的配比在5∶5~7∶3范围内,此时混合骨料的堆积密实度达到或接近于最大;对于废石与尾砂配比为6∶4和5∶5的混合骨料,当水泥添加量为260 kg/m³时,2种配比的混合骨料的胶结充填体强度均满足金川矿山充填法采矿的胶结体强度要求;采用一段搅拌时废石—尾砂混合骨料充填料浆搅拌不均匀,水泥和尾砂存在结团现象,导致胶结充填体均质性较差,整体稳定性较低,因此,废石—尾砂混合骨料的充填料浆需要采取二段活化搅拌来提高胶结充填体整体质量;对混合骨料充填料浆配比的精确控制,是影响胶结充填体强度和整体稳定性的重要因素。     

块石对充填体强度特性及损伤演化的影响

块石胶结充填体中块石含量是决定承载能力的关键因素,在RMT-150C材料试验机上进行不同块石含量的尾砂胶结充填体单轴压缩试验,研究块石对充填体不同承载阶段变化规律的影响。对比应力-应变关系曲线,发现块石的加入有利于提高充填体抗压强度,延迟应力峰值出现。利用试验测试结果得到损伤本构模型表达式和损伤演化方程表达式。分析损伤变量-应变关系曲线可知,块石的加入有利于减缓损伤变量的增长速率,并对提高残余承载能力具有显著效果。