不同尺寸矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏研究

为研究不同尺寸矸石胶结充填体在受压过程中的损伤破坏特征,分别制备了边长为50 mm、70 mm、100 mm和150 mm的立方体试件,并对试件进行单轴压缩试验,监测加载过程中试件的声发射能量变化;采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,分析矸石胶结充填体的损伤演化规律。结果表明：随着试件尺寸的增大,其抗压强度呈现出先增大后减小的规律,边长为100 mm的试件抗压强度最大;试件的破坏形式随尺寸的增大由劈裂破坏逐渐变为X状共轭剪切破坏;单轴压缩过程中试件的声发射能量变化可以分为4个阶段,与应力应变曲线有较好的对应关系,在峰值应变附近试件的声发射能量会发生激增,可以作为试件破坏的预兆,在峰后破坏阶段,不同尺寸试件的声发射能量变化较大。     

尾砂胶结充填体强度特性试验研究

以尾砂胶结充填体试块为对象,选取对强度敏感性最高的影响因子——龄期,对不同龄期的尾矿胶结充填体进行单轴抗压强度和直接剪切试验,分析了尾砂胶结体的强度规律及破坏特征。试验结果表明:尾矿胶结体的强度随着养护龄期的增加而升高,其中7~28d强度增加较为显著,并建立抗压强度、抗剪强度与龄期回归方程,为后期充填采矿设计和降低采矿成本提供了依据。     

物料配比对胶结充填体强度的影响研究

为了研究固体物料配比对胶结充填体强度的影响,采用压力机对16种不同配比养护龄期28d的胶结充填体试件进行单轴压缩试验,使用引伸计测量了胶结充填体试件的应变,研究了胶结充填体试件单轴抗压强度与物料配比的关系以及试件在压缩过程中的应力应变关系。试验结果表明,灰砂比相同时,胶结剂中水泥含量越多的充填体单轴抗压强度越大;胶结剂成分相同时,胶结剂含量越多的充填体单轴抗压强度越大;胶结充填体的应力应变曲线分为5个阶段,分别是孔隙裂隙压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段、应变软化阶段以及残余强度阶段。     

充填膏体蠕变宏观硬化试验研究

为探索煤矿充填膏体的长期强度特征,采用水泥、粉煤灰、煤矸石等材料按照1∶4∶6配比制成充填膏体试件,对其进行了单轴压缩与蠕变试验。基于试验结果,分析了充填膏体试件的物理特性、蠕变瞬时变形模量等参数变化规律。研究表明:充填膏体致密性差、可压缩性强,在缓慢加载过程中试件趋于均匀、致密;蠕变试验过程中,在破坏前的各级应力水平上,随着应力水平提高和变形增加,充填膏体试件的瞬时变形模量增大,增长率为1.77×105%;同时,每级应力水平下弹性应变阶段的应变率随应力水平提高而逐渐减小;充填膏体蠕变强度大于单轴抗压强度,平均蠕变系数为1.09,充填膏体在蠕变过程中强度发生了宏观硬化。     

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。     

连续级配高强胶结充填体力学特性及破坏特征分析

充填开采技术不仅采出率高,而且能有效防止地表沉陷,维持采场稳定性,因此研究充填体受载时的力学特性与破坏特征具有一定的工程指导意义。开展了不同骨料粒径分布胶结充填体的单轴压缩试验和声发射监测试验,获得了粒径分布对充填体力学特性、声发射特征参数的影响规律及破坏特征。研究结果表明：随着泰波(Talbot)指数n的增大,胶结充填体的单轴抗压强度、弹性模量均呈先增大后减小的趋势,与峰值应变的变化规律相反。通过拟合分析得到充填体单轴抗压强度与Talbot指数n呈二次多项式关系,Talbot指数n在(0.4～0.5)间抗压强度达到最优。任意Talbot指数下,充填体在加载过程中声发射计数和能量均经历3个阶段：声发射平静期、低幅增长期和高幅增长期;充填体裂纹起裂应力和损伤应力随着Talbot指数的增大呈先增加后减小的趋势;裂纹起裂应力为峰值应力的31%～45%,损伤应力为峰值应力的74%～96%,两应力与峰值应力比值随Talbot指数无显著规律性变化,受自身性质影响较大。从宏、细观角度分析不同Talbot指数的胶结充填体的破坏模式,发现两者特征基本一致;不同骨料粒径的充填体试样的内部孔隙、裂隙等微观结...     

不同养护龄期下分层胶结充填体力学特性研究

为探究养护龄期对分层胶结充填体力学特性的影响, 对不同养护龄期下的分层胶结充填体进行了单轴压缩试验, 获得了分层胶结充填体的应力 应变曲线,分析了分层胶结 充填体的峰值强度、弹性模量及强度折减系数。结果表明: 分层胶结充填体与完整充填体具有类似的应力 应变曲线, 各养护龄期下应力 应变曲线均分为4个阶段,但是不同养 护龄期之间存在明显区别;分层胶结充填体的抗压强度和弹 性模量随养护龄期的增加而增加;各养护龄期下的分层胶结 充填体的强度折减系数均小于1,分层结构对其强度有明显 的弱化效应,随着养护时间的延长,这种弱化效应减弱,因 此,适当延长养护龄期有利于减弱分层效应。     

不同加载速率下露天端帮胶结充填体的变形破坏试验研究北大核心

为了揭示加载速率对废石胶结充填体变形破坏特征的影响,开展了5组加载速率下废石胶结充填体的单轴压缩试验,分析其力学特性、破坏模式和能量耗散的变化。结果表明:废石胶结充填体的峰值强度和弹性模量与加载速率分别呈正线性相关和二次函数增长关系;随着加载速率的增大,充填体试样的破坏模式由张拉劈裂破坏转向剪切破坏,且加载速率越大,破坏程度也越大;结合能量演化特征,废石胶结充填体均经历压密、线弹性、裂纹稳定扩展、裂纹加速扩展和峰后应变软化衰减5个阶段;随着加载速率的增大,废石胶结充填体总应变能和弹性应变能的涨幅越来越大,耗散能的涨幅变小,弹性应变能占比增大,峰前塑性减弱。     

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。     

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。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

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。     

表面活性剂对全尾砂胶结充填料强度及流动性作用机理研究

根据表面活性剂的作用原理,采用物理化学方法,对添加两种不同活性剂的全尾砂胶结填料的强度及流动性分别进行试验研究。试验采用三因子五水平二次回归正交设计,得出掺有活性剂的充填料试块7天、14天、28天的单轴抗压强度方程。试验结果表明,表面活性剂的增强作用与其种类和自身的掺入量有关,也与全尾砂胶结充填料的砂灰比有关,而与充填料的浓度关系不大。通过坍落度的测试,认为表面活性剂可显著地改善全尾砂胶结充填料的流动性,因而可增大充填倍线。     

不同孔径尺度水泥石单轴压缩力学特性试验研究

为了研究深部巷道锚喷层卸压孔径大小对围岩应力释放与喷层承载强度的影响，对6种不同孔径的12个试件进行了单轴压缩试验，研究了不同孔径条件下水泥石试件应力-应变关系，以及试件抗压强度、峰值应变与弹性模量的变化，得到了试件的破坏形态与失稳模式。结果表明：孔洞水泥石试件孔径越大，试件破裂粘结面积与试件抗压强度越低|随着孔径尺寸由0mm向50mm增加，试件抗压强度、峰值应变与弹性模量呈减小趋势，且减小趋势变缓，衰减率分别是52.74%、22.31%与34.63%，孔径尺寸与试件抗压强度、峰值应变与弹性模量可采用负线性函数表征，但线性关系依次减小|0～20mm孔径水泥石试件裂纹起裂于孔壁上下斜角，破坏于上下斜角孔壁对角线，称为小孔径破坏形态，而30～50mm孔径水泥石试件起裂于左右侧孔壁，破坏于孔壁两侧垂直劈裂，称为大孔径破坏形态，30mm以上试件破坏形态明显具有孔洞试件结构特征|依据大小孔径破坏形态差异，不同横向孔径水泥石试件失稳模式分为剪切错动失稳与片状劈裂失稳。     

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。     

煤岩单轴与三轴压缩试验研究

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。     

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

构建不同结构特征的离散裂隙网络,然后建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明：随着裂隙密度P₃₂的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增；随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,在60°时达到极值；对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小；对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小；敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。     

内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究

为研究部分充填置换高强度充填材料对矩形开口矿柱力学承载特性的影响。采用中机电子万能试验机和DS5型声发射信号采集系统,对不同开口宽度的矿柱试样开展了单轴载荷作用下破坏全过程的力学承载特性试验,在破坏过程中采用快速相机进行监测和记录,总结了充填高强度充填材料填充矩形开口矿柱的力学承载特性和破坏机理。结果表明：无充填矿柱试样(Ore Pillar Bearing, OPB)和充填矿柱试样(Ore Pillar-Filling Bearing, OPFB)模型试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,与AE振铃计数演化特征同步响应;OPB模型试样b值曲线缓慢下降,而OPFB模型试样b值曲线呈平缓趋势,高强度充填材料能有效改善脆性材料的应变软化现象,且对破坏后残余强度的提升影响最大;OPB和OPFB模型试样抗压强度及弹性模量随着掘充宽度的增加而减小,OPB模型试样由劈裂破坏面转向剪切破坏面,呈现延性向脆性破坏转变,OPFB模型试样呈现出延性破坏。研究可为矿柱的回收和稳定提供科学依据。