循环冲击条件下磁铁矿石损伤特征研究

为研究磁铁矿石循环载荷条件下的损伤发展规律,采用落锤冲击试验装置,对磁铁矿石进行了不同高度的循环冲击试验,分析了损伤因子随冲击次数和矿石吸收能的变化特征。结果表明:冲击高度较小时,前几次冲击波速与损伤因子无明显变化,随着循环冲击次数的增加,波速缓慢减小,损伤因子缓慢增加,试件发生宏观破坏时,其值发生急剧变化;随着冲击高度的增加,波速逐渐降低,试件累积吸收能和冲击次数显著减少,损伤因子增长速率明显增大;研究结果将磁铁矿石循环冲击损伤至完全断裂过程划分为三个阶段,即初始损伤阶段、加速损伤阶段、断裂阶段,存在使磁铁矿石发生一次性冲击完全断裂的最低能量。研究结果为矿山磁铁矿石破碎节能降耗提供理论依据。     

岩石准静态和动态冲击试验及尺寸效应研究

为了研究尺寸效应对材料力学性能的影响,利用MTS(材料试验系统)和SHPB(分离式霍普金森压杆)试验装置,对不同长径比石灰岩试件进行了准静态和动态冲击压缩试验.试验结果表明:准静态加载条件下,岩石试件的强度随长径比的增大而减小;而动态冲击条件下,试件长径比对强度的影响存在一个临界值.长径比低于临界值,强度随长径比的增大而减小;长径比高于临界值,强度随长径比的增大而增大.对于高于临界长径比的岩石试件,存在临界加载速度,低于临界加载速度,静态尺寸效应占主导地位;高于临界加载速度,动态尺寸效应占主导地位.     

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明：煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。     

饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后，工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响，开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验，探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应，揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大，干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大，加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏，最大声发射能量值先减小后增大，在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大，在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡，临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大，饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小，大粒径煤屑质量占比增大；干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小，拟合曲线满足幂函数规律，且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大，干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律，在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用...     

冲击载荷作用下材料I型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明：在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8KN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

胶结充填体抗压强度尺寸效应的试验研究

尺寸变化会影响材料的力学性能参数,充填体作为一种类混凝土材料,其立方体试件的单轴抗压强度具有显著的尺寸效应。保证灰砂比、料浆浓度和养护龄期等条件一致,研究尺寸变化对胶结充填体单轴抗压强度的影响并结合VIC-3D全场应变测量系统对充填体试件的破裂演化过程进行监测。结果表明:胶结充填体的单轴抗压强度随着立方体试件尺寸的增大而逐渐减小,减少近一半,试件的峰值应变随着尺寸的增大而逐渐减小,并稳定在0.9%附近,弹性模量和变形模量随着尺寸的增大而逐渐增大;引入尺寸效应度对试件峰值强度的尺寸效应进行定量分析,尺寸为200 mm的试件的尺寸效应度达到了54%;尺寸较小的试块破坏时表面出现多条裂纹,随着试件尺寸的增大,试件破坏时表面出现显著的宏观破坏带,尺寸较大的试块在达到峰值强度时,局部区域发生严重的损伤断裂,大部分区域并未发生明显的应变变化。     

破碎矸石侧限承载条件下的宏-细观尺寸效应研究

矸石充填体在承压过程中力学性能受充填体尺寸的影响较大，实验室力学参数测试结果很难反映工程实际情况。为研究破碎矸石充填体侧限承压条件下的力学性能尺寸效应，借助实验室试验和颗粒流数值模拟，从宏-细观尺度分析了破碎矸石试件的直径与径高比对其承载性能的影响。结果表明：试件直径对其宏观力学性能影响显著，随着试件直径增大其抗变形能力明显减弱；破碎矸石的孔隙率变化量随试件直径增大而增加；其压缩过程中试件两侧的矸石块发生挤压破碎，细颗粒逐步填充至试件中部，颗粒配位数随试件的可变形空间增加而增大；在应力加载阶段，颗粒逐渐破碎，颗粒力链由“环状力链”演化为“柱状力链”,平均接触力变化率表明体积大的试件更易达到抗压缩变形能力极限；矸石试件主要以拉伸破坏为主，矸石块的破碎程度随试件尺寸增加而增大。研究成果对矿山充填开采的充填物料选择具有重要意义。     

冲击载荷作用下材料Ⅰ型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明:在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8kN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被"活化"有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

冲击载荷下锚杆护表构件力学响应规律研究

为了揭示锚杆护表构件的抗冲击力学性能,从而为冲击地压巷道锚杆支护中护表构件的选择提供设计依据,采用落锤冲击试验装置开展煤矿常用托盘及其组合构件力学响应试验研究,分析护表构件的冲击力及变形特征.托盘冲击力时程曲线呈现急剧震荡加载、震荡稳载和迅速卸载3个阶段,冲击力以波动的形式围绕冲击力均值上下浮动;冲击力峰值随托盘面积增大而降低、随高度增加而增大.随着冲击能量增加,托盘冲击力峰值和均值均呈增大趋势,明显高于静载下托盘承载力,而锚索和锚杆托盘作用时长变化呈相反趋势,单次落锤冲击下托盘作用时长均不超过8 ms.低能量循环冲击下,托盘承载力趋于稳定,最终承载力随单次循环能量增加而增大,拱位移随循环次数呈线性增加.总冲击能量恒定时,低能量循环冲击下托盘最终承载力低,总变形量小.锚杆托盘与W钢护板组合构件冲击力时程曲线对称性好、作用时程长、震荡幅度弱,且总变形量小,抗冲性能优于单一托盘,表明W钢护板能够起到降低冲击震荡幅度、改善组合构件承载特性的作用.试验获得煤矿常用托盘抗冲能量值,抗冲能量高低与托盘拱部结构有关,由其拱厚度、拱高和面积决定.     

微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究

在矿山的矿石破碎过程中,存在着能耗巨大的弊端,严重阻碍了企业的绿色发展。利用落锤冲击破碎试验,结合微波加热技术,针对含层理面的矿石试件进行冲击破碎试验,并基于岩石剪切破坏角的Coulomb准则,对未经微波照射与经微波照射下,含不同层理倾角矿石的吸收能及碎屑块度分布情况进行了研究。研究表明,随着层理倾角的增大,矿石吸收能呈先降低后增大的趋势,当倾角为90°时,吸收能存在最小值;经微波加热处理后的矿石吸收能E_(WJL)低于未经微波处理的矿石吸收能E_(JL),且在10°～20°时,E_(JL)-E_(WJL)值最大。随着层理倾角的增大,矿石破碎后的平均块度呈逐渐减小趋势,破碎程度加重;经微波预处理后,矿石的平均块度显著降低,破碎程度最高;因冲击破碎后的碎屑尺寸影响,矿石的平均块度与分形维数相关性较弱。研究成果对于矿石破碎中的能耗控制具有一定参考价值。     

基于矿物学特征的磁铁矿石破碎解离预测研究

为研究矿石矿物学特征对破碎后矿物解离程度的预测机制,以水厂铁矿沉积变质型磁铁矿石为研究对象,采用偏光显微镜观测矿石结构、构造与粒级组成,对比冲击破碎与二段磨矿产品的品位特征,分析磁铁矿石的破碎性质,预测矿石破碎后不同粒度范围下矿物颗粒的解离程度。结果表明,水厂铁矿磁铁矿石的结构构造简单,破碎过程中易产生沿晶断裂,冲击破碎至嵌布粒度的磁铁矿颗粒解离程度高于二段磨矿后磁铁矿颗粒的解离程度。矿石结构与构造特征可以反映矿石破碎与矿物解离的难易程度,通过分析磁铁矿石原矿矿物的粒级组成,可以有效预测矿石破碎后不同粒度范围内的矿物解离程度。研究结果丰富了矿石碎磨特性的分析方法,为矿山改进矿石加工工艺、实现节能增效提供了理论依据。     

冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布的影响

为研究冲击速度对煤岩破碎能量、粒度分布的影响,根据断裂力学理论建立了煤岩冲击破碎断裂耗能的计算表达式,并建立了煤岩冲击破碎粒度的威布尔分布表达式,以此为基础,研究冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布规律的影响。利用冲击破碎实验台对不同冲击速度的煤岩进行破碎实验,结果表明：冲击速度对煤岩破碎粒度的分布规律影响较小,威布尔分布表达式可以很好的表征不同冲击速度情况下的煤岩破碎质量累积概率,但煤岩破碎特性指数和表征破碎程度的参数随冲击速度增大分别呈指函数上升和下降;煤岩冲击破碎断裂耗能和耗散能都随冲击速度的增大而上升,煤岩冲击破碎的能量利用率随冲击速度增大而减小,且它们之间呈指函数关系,能量耗散率与冲击速度也成指函数关系,但冲击速度越大耗散率越高。     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

不同冲击比能下煤岩颗粒破碎的分形演化

为研究不同冲击比能对矿岩粒度分布的影响,根据分形理论建立了粒度分形维数与冲击比能的理论模型。利用落重试验机对无烟煤和矸石进行不同冲击比能下破碎试验,结果表明:冲击比能对无烟煤和矸石破碎粒度分布规律影响较小,G-S分布可以很好的表征不同冲击比能下无烟煤和矸石的累积分布规律;粒度分形维数随着冲击比能的增加呈对数增长。通过试验和其他学者的试验数据验证该理论模型的正确性。     

冲击荷载下运动裂纹与空孔相互作用的焦散线试验研究

为了研究含有圆形缺陷的半圆盘试件在不同冲击速度下的断裂特征,采用霍普金森杆加载系统和动态焦散线试验系统,对半圆盘试件进行了试验研究。结果表明:裂纹起裂前,焦散斑半径出现跳跃情况,是入射杆的反复加载造成的;随着冲击速度的增加,裂纹穿过圆形缺陷的应力强度因子峰值有所增加,裂纹穿过圆形缺陷的扩展速度也增加明显;随着圆形缺陷半径的增大,裂纹在圆形缺陷处发生二次起裂时的应力强度因子变大。     

冲击荷载作用下煤矿泥岩能量耗散试验研究

岩石破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程,煤矿岩巷钻爆掘进过程中,既要有足够的爆炸能量使待开挖区岩石破裂破碎和抛掷、形成空腔,又要控制爆炸能量对保留岩体造成的损伤,尤其是冲击荷载作用时强度较低的泥岩的动态响应特性更需要重点研究。以淮南矿区典型巷道泥岩为研究对象,利用直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下泥岩动态压缩试验,研究在冲击荷载作用下泥岩的动态力学性能和破裂破碎特征,重点研究动荷载作用下泥岩的能量耗散规律。为了进一步揭示泥岩动态破碎破裂与泥岩构成主要化学成分与细观结构之间的关系,对泥岩的静态物理力学性能进行了测试并进行泥岩的X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)测试,确定其主要组分、化学和颗粒成份;同时采用放大1 000倍的电子数码显微镜对泥岩试件表面、断口进行放大观察,从岩石细观结构出发,通过对细观结构变化、物理与力学过程的分析研究了岩石的损伤及其演化。结果表明:泥岩的主要化学成分主要为Si O2,其次为Al2O3,Fe2O3,其力学强度低,物理性能指标差,在冲击荷载作用下,泥岩内部大量空隙缺陷(如空穴,位错,微裂隙等)动力学过程加剧,形成损伤;在应力波的持续作用下,大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化,在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展,在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹,泥岩试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏;试件吸收能、透射能和反射能均随入射能增加而增加,分别呈线性、对数和二次函数形式增长;试件吸收能可以用单位体积耗能密度、单位质量耗能和吸收阻抗比能表征,三者均随入射能增加呈线性增长,随应变率呈二次函数增长。     

矿石颗粒破碎特征的影响因素研究

矿石破碎所消耗的能量是矿山企业能源消耗的主要方向，为了寻求有效的节能方法，探讨了颗粒破碎特征的主要影响因素，系统阐述了粒度、孔隙度和矿物组成对矿石颗粒力学性质的影响。结果表明，粒度较大的矿石颗粒内部的孔隙密度大，强度相对较低；预弱化能使矿石内部出现微裂缝，增加矿石的破碎程度；石英和斜长石是硬度较高的矿物，但它们含量在临界值以下时，对矿石破碎的影响不明显。     

动态扰动对围岩力学性质及破坏模式的影响

矿山开采过程中,围岩容易受到掘进爆破等动态扰动作用而产生失稳破坏。为此,使用Blast-UM型爆破测振仪对新城金矿Ⅳ#矿体-680 m中段开采过程中的爆破震动信号进行监测,利用小波变换技术将监测信号转换为应力波形,利用自行研制的摆锤冲击加载SHPB试验装置,通过改变锤头的形状和控制锤头的冲击速度,以获得与监测波形较为相似的加载波形,对取自-680 m中段花岗岩试样进行动态巴西盘试验。研究结果表明:花岗岩的动态抗拉强度随着冲击速度的增大而增大,并表现出明显的应变率效应。试样沿着加载直径方向呈现劈裂破坏模式,与入射杆、透射杆接触面处的"V"字型破坏区随着冲击速度的增大而趋于明显。所设计的试验装置为测试巷道围岩的动态破坏机理提供了一种有效的试验手段。     

基于高压电脉冲技术的方铅矿石破碎试验研究

高压电技术破碎技术是一种新型晶界破裂技术,具有选择性破碎、污染小、无粉尘的优势。 为进一步完善高压电脉冲预处理技术体系,针对辽宁某方铅矿石开展高压电脉冲预处理试验,系统考察了球隙间距、输出电压及脉冲次数等参数对矿石破碎效果的影响。结果表明:对 7~ 5 mm、10~ 7 mm、12. 5 ~ 10 mm 这 3 种粒级原料,适宜的高压电脉冲预处理条件为:球隙间距 25 mm、输出电压 25 kV、脉冲次数 150 次,此时破碎产品-2 mm 粒级产率最高,平均破碎比和粒度分布均匀系数最优。此外,给料粒度越细,破碎产品粒度分布均匀系数越大,粒度分布范围越宽,产品粒度均匀性越差。机械破碎主要通过冲击剪切作用力来减小矿石的粒度,以实现矿物单体解离;而高压电脉冲破碎通过介电常数差异,破坏矿石的内部结构,相界面由此产生的大量裂隙和微裂隙有助于矿石的进一步解离破碎。