泥岩相似材料力学性能影响因素试验研究

为了指导模型试验填料并提高试验精度,选取泥岩相似材料制作试件进行试验,研究模型试验填料过程的3个影响因素对泥岩相似材料力学性能的影响。分析结果表明:分层层数由1层增加至5层,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别降低了23.80%、32.20%、20.83%;压实次数由1次增加至5次,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别提高了15.00%、28.61%、6.76%;相比于进行粗糙处理的界面处理方式,在此基础上喷洒石膏水处理时单轴抗压强度提高了14.25%,弹性模量提高了22.63%,抗拉强度提高了7.99%。建立了相似材料力学性质与填料过程影响因素之间的多元线性回归方程,结合试验结果和方程可以指导模型试验填料,防止相似材料力学性能下降,提高试验精度。     

三维激光扫描监测相似材料模型含水率研究

相似材料模拟是研究岩层移动与破坏的主要手段,相似材料模型的含水率与模型强度密切相关。高效监测相似材料模型含水率变化是相似材料模拟试验是否成功的关键。探讨了采用三维激光扫描技术进行相似材料模型含水率监测的可行性。首先分析了激光反射强度值与相似材料含水率之间的关系,进而讨论了三维激光扫描监测相似材料模型含水率的精度。研究表明:激光反射强度值对相似材料含水率较为敏感,两者之间为指数关系,三维激光扫描监测相似材料模型含水率的精度可达到0.23%,能够满足相似材料模型含水率监测的精度要求,为相似材料模型含水率监测提供了一条新途径。     

红土隔水层相似材料优化配比研究及应用

红土隔水层模拟材料的相似性是研究隔水土层裂缝发育规律的基础和前提。为提高红土隔水层相似材料模拟的相似性,以陕北榆林某矿隔水层裂缝发育规律为研究对象,采用优化配比试验、数据拟合分析和现场实测等研究方法,对红土隔水层相似材料最优配比进行研究。通过实验室测试和现场测试,验证优化前后隔水层模拟材料的相似性。研究结果表明:沙土比为1∶5,机油含量为19.5%时,相似模拟材料单轴抗压强度与红土相似度达98.5%;当骨胶比为7∶1,沙土比1∶5,相似模拟材料含水率和膨胀率与红土相似度可达85.4%和84.5%;红土隔水层相似模拟材料的最优配比为骨胶比7∶1,沙土比1∶5,机油19.5%,相似比1∶200与红土隔水层材料相似度达92.5%;实验室和现场实测验证发现,优化后红土隔水层相似材料比原相似材料模拟效果提高50%,模拟试验的隔水层裂缝发育特征与现场观测基本一致。该研究可为红土隔水层裂缝发育规律研究提供借鉴和参考。     

软弱围岩相似材料力学特性实验研究

为了研究软弱围岩力学特性,在相似三定律基础上选择以河砂、重晶石粉、橡胶粉为骨料,石膏、石蜡油为胶结剂配制相似材料,对相似材料进行单轴抗压、抗拉以及抗剪试验,测定了相似材料在不同配比下的抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角;分析了不同含量原材料以及养护时间对相似材料力学性质的影响。结果表明:当骨胶比为6∶1∶0.06,骨料比为5∶4.5∶0.5,养护时间为7 d时的相似材料,与原岩的力学性质具有较好的一致性,能更好地满足相似材料的选材要求,是一种比较理想的软岩相似材料。     

水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响

为探索水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响,选用粒径小于0.18 mm和0.18~0.25 mm、二者质量比为1∶1的煤粉作为骨料,水泥为黏结剂,水为溶解剂,在不同条件(成型压力、含水率)下压制突出煤相似材料。利用岩石三轴试验机、瓦斯放散初速度测定仪测定突出煤相似材料的单轴抗压强度及瓦斯放散初速度,获得了不同条件下突出煤相似材料单轴抗压强度和瓦斯放散初速度的变化规律。实验结果表明:当含水率为12%~20%时,配制出的突出煤相似材料单轴抗压强度随含水率的增大呈现先增大后减小的趋势;当含水率达到16%时,其单轴抗压强度达到最大值8.99 MPa;当含水率为20%时,成型压力越大,突出煤相似材料成型后密实度越大、脱模后的试件含水率越低,单轴抗压强度越大;突出煤相似材料的瓦斯放散初速度随含水率的增大而减小。     

岩质边坡不良地质体模型试验中泥岩相似材料试验研究

针对岩质边坡不良地质体渐进破坏,开展模型试验中泥岩相似材料的试验,参考学者们已有的研究经验,选用两种配合比进行试配。第一组：铁精粉、重晶石粉、石英砂、橡胶粉及松香酒精;第二组：铁精粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和水。通过测试密度、抗压强度及变形模量发现第一组相似材料各指标与目标值均相差甚远,而第二组相似材料,需至少养护7 d,除密度外其余指标均在目标值范围。参照第二组配比,通过二次试验,重点调整铁精粉、重晶石粉掺量,两种材料质量占比约为65%～72%。另外加入适量甘油,得到了满足泥岩相似材料各项指标的配合比,试验结果能为制备泥岩相似材料时提供一定的借鉴。     

泥岩相似材料力学性能影响因素的试验研究

为了分析成型压力、压实速率、重复搅拌次数对泥岩相似材料力学性能的影响,选取相似模型试验中常用的石膏作为胶结材料,黄沙、石英砂及重晶石粉作为骨料制成相似材料试件,进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验,得到试件的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量。结果表明:成型压力由2.0MPa增加至4.0MPa,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别增加49.9%、54.4%、88.6%;压实速率由0.5mm/min增加至4.0mm/min,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别增加22.9%、89.6%、32.5%;重复搅拌次数由1次增加至9次,材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量分别减小31.6%、22.2%、43.2%。这些研究成果对提高模型试验精度、指导模型试验的操作具有一定意义。     

铁矿床物理模型相似材料正交配比试验

以河砂、碳酸钙、石膏和重晶石为相似材料,应用正交设计方法,以骨料质量与胶结材料质量比、碳酸钙质量与石膏质量比、重晶石粉质量与骨料质量比为控制因素,制定了三因素五水平的试验方案。通过室内力学试验,在获取不同方案的密度、抗压强度、弹性模量等力学指标测试的基础上,分析了力学指标影响因素,得出了相似材料配比与力学指标关系方程。结果表明:重晶石含量对相似材料密度起控制作用;抗压强度力学指标主控因素是骨料质量与胶结材料质量比;相似材料的弹性模量力学指标受骨料质量与胶结材料质量比影响最大,其次为重晶石含量,受碳酸钙质量与石膏质量比影响最小。采用MATLAB程序进行多元线形回归得出,相似材料配比与力学指标关系方程可用于相似材料模型试验配比的确定。     

松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究

针对松软砂岩型铀矿床在常规开采过程中存在巷道稳定性差、难以成型的问题，开展巷道开挖支护相似材料配比试验。以细砂、重晶石粉、膨润土、425普通硅酸盐水泥为原料，采用正交试验方法，获得了不同配比条件下相似材料的单轴抗压强度、密度、单轴抗拉强度等物理力学参数。研究表明，与矿岩物理力学参数接近的相似材料配比为：灰砂质量比为1∶8,m(重晶石粉)∶m(砂)为20%,m(膨润土)∶m(砂)为8%,细砂粒径-2.00 mm;得到的相似材料的关键指标(密度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度)与矿岩比较接近，误差均在7%之内。相似材料配比试验结果能够满足相似模拟试验要求，研制的松软砂岩相似材料可为开展巷道开挖与支护相似模拟试验提供参考。     

恒温恒湿实验室铺设相似模型适宜温湿度值设定方法

相似材料模拟是矿业领域研究岩层移动重要的手段。考虑到温度及湿度会影响原型与模型的相似度,故为了降低温湿度对相似材料模拟结果的影响,提高模型结果的可靠性,建议在恒温恒湿实验室铺设。但是如何设置合适的温湿度值是一个亟待解决的问题。首先根据相似材料试件试验揭示了相似材料的强度时变特征,在此基础上,设计出4种温湿度试验环境方案,基于恒温恒湿实验室进一步探索了温湿度对试件含水率的影响。研究表明:温度和湿度会影响相似材料含水率,进而影响相似材料强度的变化率,可通过设置合适的温湿度值来减缓相似材料模型的强度变化,从而提高模型与原型的相似。在上述研究成果的基础上,提出了恒温恒湿实验室铺设相似材料模型适宜温湿度值设置流程。研究成果对于促进恒温恒湿实验室建设、提高相似材料模拟结果具有理论与实践意义。     

相似材料单轴压缩力学性能及强度误差来源分析

为提高相似材料模型试验的模拟精度,通过单轴压缩测试了2种不同材料(砂-石膏、砂-水泥-石膏)、不同配比试件的应力-应变特性,分析其力学性能、破坏特征,并探讨了相似材料模型制作及试件测试过程中的误差来源.研究结果表明:1)2种相似材料试件在加载过程中均能表现出良好的弹塑性性质,可针对不同试验岩体进行模拟仿真;2)2种相似材料试件峰后软化段平稳,残余强度稳定;3)由于相似材料体胶结不够充分,原发损伤多,加载过程中易出现异常卸压和应力波动,破坏特征主要以张裂和共轭双剪为主;4)相似材料模型制作过程中,人为因素影响较大,提出了配制和测试过程中的误差来源,应尽量避免以增加相似材料试验精度.     

砂粒径对相似材料力学特性的影响机理

为探明砂粒径对相似材料力学特性的影响机理,提高相似物理模拟实验的精度,对0.1～3mm的11种粒径条件下的99个力学试件进行了单轴抗压测试及渗透系数测试,并从石膏水化反应机理和内外部结构特征两方面阐释了试件力学特性变化的规律及机理。研究发现:砂粒径对相似材料的抗压强度影响范围在-16.51%～49.79%之间,但总体上粒径对材料强度的影响成负相关关系;SEM电镜观察发现,在较小砂粒径条件下生成的CaSO4·2H2O晶体多以相互交织的针状和短粗棒状晶体呈现,材料强度也较大,而粒径大时多以层片状、板状出现,交织程度差,力学强度弱;表征观察发现,砂粒径越小的试件界面缝长度与宽度则越小,砂粒的比表面积越大,接触应力更加均匀,不易产生应力集中而破坏材料;相似材料的渗透系数随砂粒径的增加而增大;当粒径大小为1.5～2.0mm时,试件单轴抗压强度与目标值最为接近。     

基于响应面法的页岩相似材料配比试验研究

为高效选取页岩相似材料配比,使用水泥和石膏为胶结材料,河砂和重晶石粉为骨料配制页岩相似材料,采用响应面法进行试验设计及数据分析,以砂胶比(骨料质量/胶结材料质量)、水泥含量(水泥质量/胶结材料质量)、重晶石含量(重晶石粉质量/骨料质量)3个因素作为控制因素,以密度、单轴抗压强度和弹性模量作为目标响应,分别建立了相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量与各配比因素间的多元非线性回归模型。对因素进行了方差分析和响应面分析,研究表明,砂胶比、水泥含量、重晶石含量对相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量均有显著影响,且砂胶比和水泥含量对密度、单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响,砂胶比和重晶石含量对密度有显著的交互影响,水泥含量和重晶石含量对单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响。确定了用于页岩相似材料配比的经验方程,并进行了试验验证。研究证明,响应面法在相似材料配比试验应用中具有较好的适用性和有效性。     

相似材料力学特性试验方法的探讨

本文介绍了几种进一步研究相似材料力学特性的试验方法:弹模及泊桑比内贴片测定法、应力应变全过程试验以及静水压力试验。这些方法将有助于提高相似材料模拟法的可靠性。     

基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

在前人相似材料研究的基础上,应用正交设计方法,以（铁粉+重晶石粉）/骨料、铁粉/（铁粉+重晶石粉）、黏结剂浓度、石膏含量为4个因素,每个因素设置5个水平,设计了25组材料配比方案,进行了称重、单轴压缩、劈裂和直剪试验,获得了不同配比相似材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质指标。试验结果表明：不同配比相似材料的物理力学参数分布的范围较大,能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求;采用极差分析法分析了各因素的敏感性,发现（铁粉+重晶石粉）/骨料对试件密度、内摩擦角起主要控制作用,黏结剂浓度对试件的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力起主要控制作用;并作出了各因素对相似材料物理力学参数影响的直观分析图,分析了各因素对相似材料参数的影响规律。     

基于正交设计的“固-气”耦合相似材料力学与渗透特性试验研究

为研究“固-气”耦合相似材料力学与渗透特性,运用正交试验设计配制了以河砂为骨料、石蜡为胶结剂、液压油为调节剂等组合的相似材料;采用极差分析及多元回归分析等方法,研究了冲击次数、骨料粒径、油含量、胶砂比对相似材料抗压强度、弹性模量、泊松比及渗透率的影响。结果表明：各因素对抗压强度的影响由大到小依次为油含量、冲击次数、骨料粒径及胶砂比;对弹性模量的影响为油含量、冲击次数、胶砂比及骨料粒径;对渗透率的影响为冲击次数、胶砂比、油含量及骨料粒径;各因素对泊松比影响较小。相似材料的抗压强度、弹性模量与冲击次数、骨料粒径呈正相关关系,与油含量、胶砂比呈负相关关系;渗透率与冲击次数、骨料粒径、油含量呈负相关关系,与胶砂比呈正相关关系;泊松比与各因素无明显关系。得到各因素共同影响下相似材料特性参数的综合模型。     

铁晶砂混合相似材料力学性能影响因素的试验研究

选取模型试验中常用的铁晶砂混合相似材料制作试件,将相似材料试件置于不同压实次数、分层次数、界面处理方式条件下进行单轴压缩试验,得到单轴抗压强度和弹性模量,分析不同因素对相似材料力学性能的影响规律。结果表明:压实次数由1次增加至2次、4次、6次,材料的单轴抗压强度分别提高了4.7%,12.1%,13.9%,材料的弹性模量分别提高了37.1%,60.1%,65.3%;分层次数由1次增加至2次、3次、4次,材料的单轴抗压强度分别减少了15.8%,19.2%,25.7%,材料的弹性模量分别减少了17.3%,27.6%,37.5%;相比于使用松香酒精溶液处理分层界面,使用酒精处理和无处理时材料的单轴抗压强度分别减少了8.5%和26.8%,弹性模量分别减少了1.9%和6.1%。这些研究成果对提高模型试验精度具有一定意义。     

相似材料配比量化确定方法的研究

基于相似模拟试验对地质研究的重要性,以石英砂、石灰和石膏为配比原料,通过正交设计与极差分析结合的方法,以砂胶比、灰膏比、养护天数作为控制因素,研究了各个因素对相似材料力学参数敏感性影响。结果表明:砂胶比对材料密度的影响要大于灰膏比对密度的影响;抗压强度随着砂胶比增大会显著降低,随着灰膏比增大会缓慢降低,养护天数对抗压强度的影响则介于两者之间,且随着时间增加强度趋于稳定。通过对试验结果进行多元线性回归分析,确定相似配比材料试验方程,并以养护天数对大致确定的配比材料进行调整,做出最合理的相似材料。     

含水率和压实度对矿区回填土力学性质的影响

以某矿区填土为研究对象,采用直剪试验和压缩试验,对不同含水率及不同压实度条件下的土样进行抗剪强度和压缩指标的测定,并分析了因含水率和压实度的不同引起抗剪强度和压缩特性的变化规律。结果表明:当所选取的含水率均不大于最优含水率时,黏聚力随含水率变化不明显,但在高压实度下,存在1个含水率值,令填土的黏聚力达到峰值,而内摩擦角受含水率变化影响较小;黏聚力随压实度的增大而增大,且呈指数形式增长,内摩擦角随着压实度增大呈近似线性增长,且增长幅度不大;压缩系数随含水率的增大而增大,压实度对压缩系数的影响与含水率影响相反,呈递减趋势。     

基于正交试验的砂岩相似材料力学性能研究

砂岩相似模拟试验在矿业、土木等领域中应用广泛,为确定砂岩相似材料的配比方案,应用正交设计方法,以河砂/重晶石粉、石膏/水泥、胶结材料/骨料的质量比设置3因子3水平正交试验,对不同配比的试样开展单轴抗压试验、环剪试验,测得每组配比的抗压强度、黏聚力、内摩擦角,研究各参数与正交设计3因子之间的变化规律。基于测试数据,得出以下结论：(1)砂岩相似材料的应力-应变曲线与一般岩石的规律基本相同;(2)对单轴抗压强度起主导作用的是胶结材料与骨料比,试样破坏形态以拉伸-剪切复合失效为主;(3)对黏聚力和内摩擦角起主导作用的是胶结材料与骨料比,环剪试样破坏后发生脆性断裂,且伴有碎石脱落。研究提供了9种相似材料设计配比,可根据需要选择合适的相似材料。