干湿循环下橡胶-尾砂充填体能量损耗本构关系研究

为了探究橡胶-尾砂充填体在干湿循环影响下的破坏特性和能量演化规律，制作了橡胶-尾砂充填体试块，并对橡胶-尾砂充填体进行了干湿循环处理、单轴压缩试验和扫描电镜试验，探究了橡胶-尾砂充填体的破坏特征、能量演化规律和微观形貌，借助Weibull统计分布理论，建立了干湿循环影响下橡胶-尾砂充填体的分段损伤本构模型。结果表明：干湿循环会造成橡胶表面水化产物分解，造成橡胶-尾砂充填体抗压强度与弹性模量降低；橡胶-尾砂充填试块在峰值应力时以弹性能为主，耗散能为辅，试验结束时亦然，但是弹性能占比迅速减小；推导了干湿循环影响下橡胶-尾砂充填体试块的分段能量耗散本构模型，且拟合程度高。     

不同养护温度下水泥基尾砂胶结充填体的力学特性及能量演化规律

养护温度能够对水泥基尾砂胶结充填体力学性能造成显著影响,在实验室开展了不同养护温度下的充填体单轴抗压试验,研究了养护温度对充填体应力-应变曲线及力学特性的影响规律,并揭示了充填体变形破坏各阶段的能量演化规律。结果表明：当养护温度范围为20～50℃时,充填体的峰值应力、初裂应力及弹性模量均随着养护温度的增加呈现先增大后减小的趋势,并且都在养护温度为30℃时达到最大值,说明充填体的养护温度存在临界值;充填体在峰值应力点处的总应变能及弹性应变能随着养护温度的增加均表现出先增大后减小的趋势,并且耗散能与总应变能随着轴向应变的增加呈现非线性递增规律;此外,在初始压密、线弹性变形及屈服破坏阶段,能量主要以弹性能的形式储存在充填体内部,而在峰后变形破坏阶段能量以耗散为主,并且养护温度会对能量指标水平产生影响;微观测试结果表明,充填体在高温养护环境下产生的自由水蒸发效应会导致充填体内部空隙结构更为明显,从而对充填体力学性能产生不利影响。     

考虑接触面倾角的充填体—围岩组合体能量特征分析

为研究充填体—围岩组合体能量特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概 化出接触面非线性特征下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验对包括 7 个角 度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2 种灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)充填体—围岩组合试块的变形、声发射特征和能量耗散特 性进行了系统分析。 结果表明:接触面倾角 0°、15°和 30°时,组合体破坏发生在充填体区域;接触面倾角 45°和 60°时, 组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象;0° ~ 60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点 小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯状现象明显。 接触面倾角 75°和 90°组合体破坏发生在充填体、接触面和围岩区 域,破坏过程声发射能率表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑。 不同 接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随接触 面倾角增加逐渐减小。 峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。 能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”变 化规律,随接触面倾角变化,峰值个数和出现位置不同。 声发射累计能量和能量耗散率曲线斜率变化特征与组合体 试块破坏过程中裂隙发育、发展、贯通和失稳信息相关性好,可为组合体破裂预测提供有效前兆信息。     

玄武岩纤维尾砂充填体力学性能及损伤本构模型研究

为了提高采空区充填体的力学性能,对加入玄武岩纤维的尾砂充填体进行抗压强度试验,研究不同纤维掺量、灰砂比和养护龄期对充填体的抗压强度影响规律,构建充填体损伤本构模型并分析其能量耗散规律。研究结果表明：玄武岩纤维的加入能够明显提高尾砂充填体的抗压强度,随着纤维掺量的增加,充填体的抗压强度呈先增大后减小的趋势,且最优掺量为0.4%,对比素尾砂充填体强度提升了13.277%~24.865%。纤维充填体峰后残余强度较高,引入损伤修正系数的损伤本构模型能合理表述纤维充填体峰后残余强度,根据损伤本构模型可得到充填体的峰值比能演算模型,适量掺加纤维可以提升充填体的峰值比能并减少能量耗散。玄武岩纤维能提高充填体的力学性能,强化矿山采空区充填效果。     

加载速率对充填体强度特性影响的试验研究

充填体强度是充填采矿技术发展的关键,加载速率变化会对充填体的强度特性产生影响,针对不同灰砂比的充填体试块进行不同加载速率下的单轴抗压强度试验。结果表明：充填体强度随加载速率的增加表现出先上升后下降的现象,存在临界速率使充填体强度最大,低于该临界速率,充填体强度随速率增加而增大,高于该临界速率,试块强度随速率增加反而减小;较快的加载速率限制了充填体内部裂隙和孔隙的发展,降低了其强度弱化效应。同时,较快的加载速率加快了充填体能量的积聚和耗散的过程,缩短了试块进入弹性阶段的时间,并且能使试块在峰前积聚更多的弹性能,更早地达到轴向应力峰值。     

单轴压缩下尾砂胶结充填体细观能量耗散与损伤表征研究

尾砂胶结充填体在两步骤回采中充当人工矿柱支撑采场顶板,其稳定性对矿柱的安全回采至关重要。基于室内试验进行尾砂胶结充填体细观参数标定,建立了尾砂胶结充填体颗粒流模型,开展了单轴压缩下尾砂胶结充填体细观力学特性研究,构建了尾砂胶结充填体细观能量指标体系,探讨了尾砂胶结充填体细观能量演化及耗散特征,揭示了尾砂胶结充填体破坏形式;结合能量耗散理论,考虑残余应变能影响,引入修正系数λ,提出了改进的损伤变量D,较好地表征了尾砂胶结充填体损伤演化过程。研究结果表明：尾砂胶结充填体细观能量主要由边界能输入,一部分通过能量积聚转化为平行黏结应变能和线性应变能,另一部分通过能量耗散转化为黏结阻尼能、摩擦能、介质阻尼能和动能;尾砂胶结充填体细观能量演化过程具有阶段性特征,包括能量积聚和能量释放两个阶段,在能量耗散阶段体现明显的延性破坏特征;尾砂胶结充填体细观损伤表象为颗粒错动和黏结破坏,考虑残余应变能的改进损伤变量更准确,能较好地反映尾砂胶结充填体延性特征。研究成果可为尾砂胶结充填体稳定性控制提供理论指导。     

常规三轴加载下尾砂胶结充填体的力学特性及能量变化特征

基于室内常规三轴压缩试验,结合能量耗散原理,系统研究了质量浓度及围压的变化对尾砂胶结充填体力学性能及能量演化特征的影响规律。结果表明：三轴加载下,尾砂胶结充填体的变形破坏均经历了微孔隙、裂隙压密阶段(OA)、线弹性变形阶段(AB)、屈服阶段(BC)及应变硬化阶段(CD);充填体的峰值应力随着质量浓度或围压的增加而不断增大,其中一次函数能够很好的表达围压与峰值应力间的关系;充填体的残余应力及弹性模量随着围压的增大基本遵循一次函数和指数函数递增规律,且质量浓度的增加也有利于提高充填体的残余应力及弹性模量;充填体的裂纹分布密度均随着质量浓度或围压的增加而降低,说明围压或质量浓度的提高均能够有效的提高充填体的抗变形破坏能力;三轴加载下,充填体的总能量、弹性应变能及耗散能均随着围压或质量浓度的增加而增大,并且围压与各能量间的关系符合二次函数模型。     

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。     

尾砂胶结充填体力学试验及损伤研究

尾砂胶结充填体是一高度非线性介质,有不同于岩石和混凝土的独特力学特性。本研究分别对灰砂比为1：4、1：8和1：10的3种尾砂胶结充填试块进行了压缩与拉伸力学试验,测试了其应力-应变关系,分析了充填体破坏机理及不同配比下的力学特性,建立了3种不同配比充填体压缩和拉伸损伤本构方程。经验算对比,所建立损伤本构方程与试验结果吻合较好。     

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。     

不同养护温度下尾砂胶结充填体抗压强度及破坏形态的试验研究

为探究养护温度对尾砂胶结充填体抗压强度及破坏特征的影响,开展充填体单轴抗压强度试验,并通过扫描电镜试验分析不同养护温度下充填体的微观结构。研究结果表明：养护温度的增加有利于提高充填体的早期抗压强度,但当养护龄期超过14d后,充填体的抗压强度随着养护温度的增加呈先增大后减小的趋势;当养护温度处于20℃~30℃时,充填体抗压强度随着养护龄期的增加而增大,但当温度超过30℃后,充填体抗压强度随着养护龄期的增加呈先增大后减小的趋势,并且充填体抗压强度的降幅也随着养护温度的增加而增大;养护温度的改变不会对充填体应力-应变曲线形态产生显著的影响,并且充填体的单轴受压破坏主要经历了孔隙、裂隙压密、线弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段;不同养护温度下的充填体均表现出了明显的拉伸破坏,并且随着养护温度的增加,充填体的变形破坏也越严重;微观结果表明,合适的养护温度能够显著提高充填体微观结构的致密性,有利于强度的发展,而高温产生的自由水蒸发效应会导致水化产物的减少及空隙结构的增多,从而对充填体抗压强度产生不利的影响。     

冲击荷载下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的力学性能及能耗特征

为了解中等应变速率下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的动载强度、应力-应变、能量演化及破坏形态特征,采用分离式霍普金森压杆系统对不同掺量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的尾砂胶结充填体进行了单轴单次冲击荷载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度与平均应变率呈正相关关系,碱化水稻秸秆的掺入可有效提高充填体的动态抗压强度,且随碱化水稻秸秆掺量的增加,充填体的动态抗压强度先增大后减小,最佳掺量为0.3%,动态抗压强度最大增幅为26.81%;单次冲击荷载下,掺碱化水稻秸秆的充填体相比于未掺碱化水稻秸秆的充填体应变更大,但破坏程度更小;同一应变率下,充填体的单位体积吸收能和单位质量破碎耗能均随平均应变率的增大呈现类似指数增长规律,掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的能量水平、吸能性能,且破碎时需要消耗更多的能量;单次冲击荷载下,充填体的破坏形态主要为宏观上的轴向主裂纹拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率超过临界应变率时,充填体破坏形态多为压碎破坏;碱化水稻秸秆在充填体基体内部起到桥连作用,从而减缓充填体裂纹的扩展与能量的释放,使掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的临界应变率,显著提高充填体的稳定性与完整...     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力-应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

砂岩三轴加载过程中力学特征与能量耗散特征

为了获得岩石加载过程力学特性与能量演化特征,开展了不同围压下砂岩力学特性试验。基于能量平衡理论,分析不同围压下砂岩加载过程能量转化规律,研究不同围压下砂岩特征应力、裂纹演化与能量耗散之间的关系。结果表明:砂岩三轴压缩加载过程中,试样的裂纹闭合应力、起裂应力、扩容应力及峰值应力均随围压增大呈线性增加;起裂应力和扩容应力可以较好的描述岩石稳定状态,起裂应力可以看作为岩石出现新生微破裂的初始应力,而岩石扩容应力可以认为是进入塑性屈服状态的标志。岩石加载过程中能量演化特征与应力-应变曲线和特征应力呈现较好的对应关系,压密阶段对应的原生裂纹压密过程能量转化率低;弹性变形及微裂纹稳定扩展阶段,外力做功转化的应变能大部分储存为弹性应变能,岩石内部损伤和塑性变形耗散的能量较小;扩容应力后的裂纹非稳定扩展阶段,岩石内部损伤和塑性变形耗散能量明显增大;峰值应力附近,积聚弹性应变能迅速转化为用于岩石破坏的耗散能。耗散比(U^d/U)随轴向应变的增加,呈现增大-减小-再增大的规律,耗散比趋势变化的转折点与裂纹闭合应力和扩容应力对应。耗散能随着轴向裂纹应变的累计逐渐增大,扩容应力前,耗散能随...     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力—应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

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.     

含不同充填面倾角的胶结充填体力学特性及破坏模式试验研究北大核心

在大规模的采空区充填过程中,受限于充填站的连续造浆能力,多次充填导致充填面处易出现不同的倾角。为探究含不同充填面倾角的胶结充填体(CTB)的力学特性及破坏模式演化过程,制备不同养护龄期下含不同充填面倾角的CTB试件以及完整试件,采用WDW-20电子万能实验机进行单轴压缩试验。结果表明:1)含充填面倾角试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量均随着充填面倾角的增加呈现减小的变化趋势,而养护龄期的增加能够有效弱化充填面倾角所带来的结构效应。2)与完整试件相比,含充填面倾角的试件在孔隙压密阶段以及裂纹扩展阶段历时较短。在峰后破坏阶段,均表现出延性破坏特征,但随着养护龄期增加,延性破坏特征逐渐减弱。3)含充填面倾角试件的总能量、弹性应变能、耗散能和能量耗散率均小于完整试件。充填面倾角与总能量之间遵循线性函数关系、而与弹性应变能和耗散能之间遵循二次多项式函数关系。4)充填面倾角显著影响了CTB试件的破坏模式,随着倾角的增加,破坏模式演化过程为充填面处张拉破坏(0°、10°)→垂直充填面处张拉破坏(20°)→充填面处张拉-剪切破坏(30°),研究结论可为存在充填面倾角的充填体强度设计提供一定的理论参考。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

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。