尾矿细观结构变形演化非线性特征试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究受载尾矿细观结构变形演化的非线性特征,包括尾矿内部应力的方向性、孔隙比的变化规律、细观孔隙结构的分形特征,以及荷载作用下孔隙结构变形演变规律等。研究结果表明：(1) 随着荷载的增加,尾矿试样内不同位置的垂直应力呈阶梯状增加,且略低于荷载,水平应力呈近线性增加,但增量微小,尾矿内部应力存在显著的方向性特征;(2) 受荷载作用,尾矿的孔隙比变化较大,随着荷载的增加,试样中不同高度的孔隙比呈非均匀减小,下层的变化滞后于上层,并有趋于一致的趋势;(3) 提出尾矿细观结构切面孔隙比的概念,对于同一切面,随着荷载的增加,切面孔隙比与同层孔隙比呈线性正相关;(4) 尾矿细观孔隙结构具有显著的周长–面积分形特征,分形维数为1.424～1.537,其值与切面孔隙比存在显著的对数负相关关系;(5) 在荷载不变的情况下,随着加载时间的增长,切面孔隙比降低,且有微小的反弹上升现象,而孔隙周长–面积分形维数呈阶段性增加,每一阶段有小幅回落现象。提出的表征尾矿细观结构特征的切面孔隙比与孔隙周长–面积分形维数2个参数,对定量研究尾矿坝体细观结构特征及其力学特性具有重要的实际意义。     

粉粒含量对尾矿力学特性的影响

 尾矿的力学特性与粉粒含量有关,但目前对粉粒含量的影响机制研究较少。为了研究粉粒含量对尾矿力学性质的影响及其细观机制,通过显微观测、三轴试验和离散元模拟,研究砂粒和粉粒的显微特征,分析尾矿的临界粉粒含量,并讨论粉粒含量效应的细观力学机制。结果表明：砂粒和粉粒在粒径分布、棱角性和表面形貌方面存在差异,粒径小于30 µm的颗粒具有独特的显微特征;随着粉粒含量的增加,混合尾矿逐渐由砂性尾矿过渡到粉性尾矿,临界粉粒含量在30%～50%范围;理论推导证明,粉粒的粒径和弹性模量越小,相同力作用下的土体形变越大;从介观上看,粉粒含量的增加弱化了原有的强力链,是导致粉粒含量效应的重要原因。研究结果揭示了混合尾矿的细观力学行为机制,为宏细观关联性研究提供了参考。     

干滩表层沉积尾矿的细观几何特征研究

 为了从细观上描述干滩表层沉积尾矿的几何特征及其随沉积距离的变化,采用显微实验和理论分析,研究尾矿颗粒细观几何特征的描述方法,分析尾矿细观几何特征随沉积距离的变化趋势。结果表明：沉积尾矿的细观几何特征可以用颗粒粒径的数量频率分布图、面积频率分布图、圆形度、磨圆度和织构分维数进行描述;35 ?m粒径是划分微米级颗粒和非微米级颗粒的界限,2种粒径的颗粒在几何特征上有很大差别;尾矿沉积距离模型表明在干滩上的尾矿分布与粒径、初始矿浆流速和坡度等因素密切相关;当沉积尾矿达到临界状态时,临界状态应力比接近1.4。研究结果揭示了干滩表层沉积尾矿的粒形粒径特征,为沉积尾矿多尺度研究和分布规律提供参考。     

尾矿料的动强度特性试验研究

通过对某尾矿坝料进行固结不排水动力三轴试验。对两种尾矿料在不同围压和固结比应力条件下之动强度、孔隙水压力及轴向应变的变化进行了研究。试验结果表明,在循环振动荷载下,对同一固结比,动剪应力随围压的增大而增大,同一围压下,动剪应力随固结比的增大而增大。孔隙水压力的增长主要发生在振动前期,固结比对孔隙水压力的增长影响明显,同时试验结果可用双曲线较好地进行拟合。在低固结比条件下,轴向应变1%附近存在应变突增点。试验研究成果为该坝的动力稳定性分析提供了参数,也为后续尾矿料的动力特性研究提供参考。     

攀枝花尾矿砂动力特性实验研究

对攀枝花尾矿砂常规动力三轴试验作了介绍，确定了该尾矿砂的动力参数，并分析了影响尾矿砂动力特性的几个因素，对尾矿坝的设计和施工具有一定的指导作用。     

电渗作用下软土细观孔隙结构

软土细观孔隙结构变化是其宏观变形的根本原因。为了探索电渗中软土细观孔隙结构变化以及与宏观变形之间的关联机制,采用杭州软土开展电渗试验,监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量,从定性和定量两个方面对试验结果进行分析。研究发现,电渗过程中,粘土颗粒重新排列形成面面接触的片堆结构,土体孔隙比降低,孔隙空间形态变光滑,结构复杂性减弱。通过含水量计算所得孔隙比较实测孔隙比小,说明电渗排水量大于土体收缩量,这是因为,电渗本质为离子带动水分子的迁移,不能直接引起土骨架压缩。实际工程中,电渗法应与堆载、真空预压等联合使用。     

软黏土在卸荷作用下孔隙水回流规律的试验研究

通过改装后的三轴仪进行室内试验,研究武汉地区软黏土在卸荷作用下孔隙水回流的规律。试验结果表明:①软黏土在卸荷作用下存在临界卸荷比R,临界卸荷比R约为0.28和0.91;②当0﹤R﹤0.28和R0.91时,软黏土不发生回弹变形,固结过程中排出的孔隙水不能回流到孔隙中;当R在0.28和0.91之间时,软黏土发生回弹变形,并且在回弹过程中吸水;③孔隙水回流量不大,约占固结作用下孔隙水排出量的10%。     

小打鹅尾矿库筑坝尾矿的动力学特性试验研究EI北大核心CSCD

以小打鹅尾矿库筑坝尾矿为研究对象,对尾粉砂和尾粉土2种尾矿,在自然固结和机械碾压2种密度条件下,进行动三轴试验的对比研究,获得2种尾矿的动力学特性。在动三轴试验前,对试验试样的粒度大小和颗粒形貌等进行详细测试,使研究成果更有针对性。结果显示:尾矿中黏粒组分非黏土矿物,黏粒组分的增多不能提高尾矿的动强度。不同围压下的2种尾矿的动剪应力比τ_d/σ_(3c)归一性均较好。破坏时的动孔隙水压力比μ_d/σ_(3c)随破坏振次N_f增大而增大,动应力对其的影响较小。动内摩擦角φ_d随破坏振次N_f的增加而降低,有效动内摩擦角φ'_d的变化受动孔隙水压力μ_d的影响。最大动弹性模量E_(d0)随围压和固结比的增大而增大,而最大阻尼比λ_(max)随围压和固结比的增大而有所减小。相比于尾粉砂,尾粉土的动强度与动弹性模量明显较低。机械压密后,2种尾矿的动力学特性均有所提高,且尾粉土的提高效果更为显著。     

冻融循环及碳化作用下混凝土细观结构试验研究

本试验为了研究冻融和碳化共同作用对混凝土细观结构的影响,采用了Rapid Air 457型硬化混凝土气孔结构分析仪对混凝土试样进行检测,具体包括评估混凝土抗冻性的内部含气量及气泡间距;为了连续观测混凝土结构中具有代表性的孔隙,选用精度较高的金相显微镜。试验结果表明,混凝土结构内部气孔结构越小,混凝土抵抗冻融的能力越强。随着冻融次数的不断增加,混凝土内部会逐渐形成较大的贯通裂缝,细观结构试验结果与宏观试验所观察到的结果相符,本试验具有说服性。     

层状盐岩细观孔隙特性试验研究

孔隙特性是决定盐岩储库密闭性的关键因素。对层状盐岩中不同岩性的试样开展压汞法测试和电镜扫描试验,分析层状盐岩孔隙率与渗透率的关系,并对层状盐岩的孔隙结构、分布特性及其密封性能进行研究。压汞测试表明：盐岩、泥岩和泥质钙芒硝的孔隙率平均值分别为2.7%,6.0%和2.5%,与常规岩石对比发现层状盐岩的孔隙率处在非常低的水平。孔隙率与渗透率之间存在明显的关系：低孔隙率是低渗透率的充分非必要条件,而高渗透率是高孔隙率的充分非必要条件,高孔隙率的试样有时也会出现低渗透率的情况。对岩体渗透率影响最大的是相互连通的部分孔隙,一旦存在连通的孔隙,渗透率就会显著增加。电镜扫描结果显示,盐岩是典型的晶体构造,内部结构密实,无明显的孔隙存在。泥岩中黏土和有机质颗粒的差异会显著影响其孔隙性质,颗粒粒径大小不一且呈块状或卵石状的区域孔隙大量发育,颗粒均质、呈块状的区域结构密实,孔隙较不发育。泥岩和盐岩的交界面处并不是孔隙发育的区域,泥岩和盐岩相互咬合、嵌入及泥岩细小颗粒的填充使孔隙率降低。含泥盐岩(含盐泥岩)中局部孔隙较为发育,并且连通度较高,是渗流可能发生的区域,建议储气库设计建造时避免将关键部位设置在孔隙发育区域,以保障密闭性。本文的研究成果可为储气库的建造及密闭性分析提供指导。     

动荷作用下饱和尾矿砂的孔压和残余应变演化特性

在不同固结状态下对饱和尾矿砂进行动三轴试验,探讨饱和尾矿砂的动孔压和动残余应变发展特性。试验结果表明:(1)动应力、固结围压变化对饱和尾矿砂的孔压增长曲线基本上没有影响,固结应力比变化对其有较明显的影响。(2)均压固结和偏压固结时孔压增长曲线形态不同。均压固结时,可用修正后的Seed应力孔压模型表达式来描述;偏压固结时,可用指数函数来模拟。(3)在均压固结和偏压固结条件下饱和尾矿砂均产生较大的残余应变。固结围压、动应力变化对残余应变增长曲线基本上没有影响,固结应力比对其有明显的影响。(4)残余应变增长曲线在均压固结和偏压固结时具有明显不同的形态。均压固结时,可用反正弦函数来描述;偏压固结时,可用幂函数来模拟。     

煤的变质程度、孔隙特征与渗透率关系的试验研究

以贵州六盘水矿区中高变质程度的原煤为对象,利用TESCAN VEGA II型自带能谱扫描电镜、ASAP2020型比表面微孔分析仪,对煤样的内外部孔隙特征进行研究;借助自主研制的三轴渗流装置,进行不同瓦斯压力条件下含瓦斯型煤的三轴渗流试验。结果表明：(1) 煤的变质程度与内外部孔隙特征呈正相关关系,变质程度越高,原煤的分形维数越高,原煤的吸附量和孔容也越大;(2) 原煤的内外部孔隙特征与渗透率呈正相关关系,内外部孔隙越发育,渗透率越大;(3) 在恒定平均有效应力和温度条件下,随瓦斯压力的增大,渗透率先急剧降低,而后降低趋势渐缓,且渗透率与瓦斯压力服从指数分布关系。研究结果对贵州六盘水矿区瓦斯灾害的防治和煤层气的开发利用具有一定的理论指导意义。     

尾砂分形级配与胶结强度的知识库研究

采用分形理论研究了尾砂材料的级配。分析了国内外大量矿山的尾砂材料分形级配与强度试验数据,用神经网络建立了尾砂胶结强度与水泥含量、浓度、孔隙分形维数及分形维数相关率的知识库模型。考虑神经网络在训练大规模样品时易陷入局部极小,用梯度下降法与混沌优化方法相结合,使神经网络实现快速训练的同时,避免陷入局部极小。研究结果表明:尾砂孔隙分形维数减小,尾砂胶结强度增高;分维形数相关率越好,尾砂胶结强度越高。孔隙分形维数和分形维数相关率反映了尾砂粒度分布的整体信息,可用来判断尾砂级配的合理性。应用知识库模型可以根据尾砂的级配特性,预测不同水泥含量、不同浓度下的尾砂胶结充填体强度,指导矿山充填设计。     

结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响

 为了研究煤体瓦斯的解吸特性受高压注水影响的机制,结合压汞试验测定的煤的沟通孔隙率和孔径分布规律以及煤样注水后水残留在煤样中的质量,对不同煤种一定吸附瓦斯压力在注入不同压力水的条件下,煤体瓦斯解吸规律的差异进行分析。结果表明：(1) 不同煤种在同等吸附瓦斯压力条件下,沟通孔隙率越大,煤体瓦斯解吸能力越强;(2) 相同煤种煤体瓦斯的解吸能力与吸附瓦斯压力大小有关,吸附压力越大,解吸能力越强;(3) 根据煤的孔径分布规律和注水后煤中水的含量,计算出不同注水压力下水进入到煤体的临界孔隙尺度,该值直接影响煤体瓦斯的解吸能力,即临界孔隙尺度越小,解吸率越低;(4) 通过数据拟合得出煤体瓦斯的解吸率与水进入到煤体的临界孔隙尺度符合Langmuir型规律的函数关系式。     

沉积相变岩体声波速度特征的试验研究

声波测试技术发展至今已有30多年的历史,但对声波速度与岩石力学特性相关联的问题研究还只是处于起步阶段。以淮南潘三矿区地质条件为研究背景,以相似物理模拟试验和数值模拟技术为主要研究手段,研究潘三矿区沉积相变岩体声波速度特征及其影响因素,得出岩体中相变体的存在改变岩体应力分布特征:在相变体上部一般为承压区,端部为应力集中区。相变体的存在也使模型中声波速度产生新的分布,相变体上部声波速度较其下部速度大,相变体中声波速度一般较低,经过相变介质声波速度受相变体影响速度变小。研究结果对地下工程声波探测及煤田地震进行精细构造勘探具有重要意义。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。     

软土卸荷时效性及其孔隙水压力变化试验研究

 采用英国GDS公司生产的STDTTS+UNSAT(7 kN/1 700 kPa)型号三轴测试系统,对上海淤泥质软土进行一系列室内试验研究,系统地探讨基坑不同区域的卸荷时效性特性及其孔压变化规律。试验结果表明,软土卸荷后蠕变可出现3个阶段：衰减蠕变、等速蠕变、加速蠕变。当应力水平较低时,蠕变曲线只出现蠕变的第1阶段;当卸荷应力水平增大到一定值时,蠕变曲线出现第1,2阶段;当应力水平较高时,变形急剧增加,土样很快就出现破坏。但不会出现从蠕变的第2阶段(等速蠕变阶段)直接过渡到蠕变第3阶段(加速蠕变阶段)的情况。孔压系数随时间而变化,并不是常数。卸荷时基坑不同区域孔压均减小,然后在不排水蠕变阶段逐渐增加到最大值,此时基坑安全系数达到最小。     

地形地貌对爆破振动波传播的影响实验研究

爆破振动波在岩土介质中的传播规律主要受岩体介质特性以及装药参数的影响,但在地形起伏较大的情况下,地形地貌对爆破振动波传播具有非常大的影响。结合广东岭澳核电站二期工程爆破负开挖振动监测,分析凹、凸形地貌对爆破振动波的传播影响。分析结果表明:凹形地貌对爆破振动波具有衰减效应,其衰减系数不仅与其宽度和深度有关,还与最大段药量和爆源距有关;凸形地貌不仅对爆破振动波具有放大效应,而且放大效应具有方向性,振动速度垂直向较水平向放大效应明显;凸形地貌对振动波的放大系数随相对高程增大而增大,而随爆源比例距离增大而减小。另外,凸形地貌的放大效应还与岩性、岩石构造和节理发育程度有关。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。