冲击作用下胶结充填体力学特性实验研究

充填体在动力作用下发生破坏是地下矿山安全生产面临的主要难题之一,通过冲击实验研究充填体的动力学特性具有非常重要意义。为研究充填体在冲击作用下的力学特性,以湖南省某铅锌矿的胶结充填体为对象,借助霍普金森压杆装置,开展了不同应变率下的冲击实验。结果表明:与岩石材料类似,胶结充填体材料也存在显著的应变率效应,随着应变率的增加,动态强度越大;同时,灰砂比也是影响充填体动力特性的重要因素,灰砂比越大,其应变率效应也越明显。     

单侧揭露后侧受压胶结充填体稳定性分析

为了研究阶段空场嗣后充填采矿法中单侧揭露后侧受压状态下胶结充填体的稳定性,根据胶结充填体、围岩和非胶结充填体三者之间力学作用关系,建立了更加符合现场实际的胶结充填体在单侧揭露后侧受压状态下三维力学模型,并同经典解析法计算结果进行比较。研究结果表明:在设计单侧揭露后侧受压胶结充填体强度时,采用自立性人工矿柱模型是不足的,应当考虑后侧非胶结体受压作用、自身尺寸、充填体与围岩之间有效摩擦力和顶部外荷载等因素。     

胶结充填体超声波波速损伤演化试验

胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律对其稳定性控制具有重要意义。为了研究胶结充填体损伤演化规律,运用损伤力学理论,构建基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程;结合超声波监测试验,研究胶结充填体在荷载作用下损伤演化与超声波波速之间的关系;通过声发射试验,结合试验所得声发射能量以及振铃次数,验证胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律。研究表明:胶结充填体的超声波波速值曲线、损伤值曲线以及基于声发射的能量、振铃次数曲线均与应力—应变曲线变化规律吻合,基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程能较好地表征充填体损伤演化规律。研究结果可为胶结充填体矿柱的稳定性控制提供理论指导。     

考虑胶结物含量的充填体蠕变特性研究

胶结充填体处于长期荷载环境,其长期服役性能关系到采空区的安全与稳定。为了探究胶结充填体蠕变变形特征,开展了胶结充填体的单轴分级加载蠕变试验,探讨了胶结物含量对胶结充填体蠕变变形破坏特性的影响,建立了能够表征胶结物含量的胶结充填体蠕变损伤本构模型,推导了相应的蠕变本构方程。研究结果表明:(1)长期荷载作用下,胶结充填体存在减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段,但胶结物含量越高,胶结充填体的瞬时蠕变量和瞬时蠕变速率越小,且进入加速蠕变破坏阶段的时间越晚;(2)蠕变过程中,胶结充填体的弹性模量与蠕变时间、胶结物含量呈非线性关系,但其初始弹性模量与胶结物含量呈正比关系;(3)改进的Burgers蠕变模型与不同胶结物含量下的试验数据吻合度较高,能够较好地表征不同胶结物含量下的胶结充填体蠕变变形规律。     

胶结充填体力学作用机理及稳定性分析

阐述了胶结充填体力学作用的机理,通过工程类比法和理论分析计算法,研究确定了满足安庆铜矿井下采空区所需的胶结充填体强度要求,为矿山充填配比设计提供了强度依据。同时也得出胶结充填体强度与暴露高度和宽度的关系,揭示具有稳定性的胶结充填体力学强度变化特性。     

阶段空场嗣后充填体三维拱应力及强度需求模型

在地下厚大金属矿体的两步骤阶段空场嗣后充填采矿法中,合理平衡一步骤矿房采场胶结充填体的揭露稳定性及其强度需求对安全经济充填采矿影响重大。为获取该采矿法中胶结充填体强度需求的三维解析模型与方法,解决类似矿山确定充填体强度需求主要采用经验类比、缺乏科学合理计算方法的问题,本文借鉴土力学应力拱理论,分析了两步骤采充时序过程中的相邻采场充填体空间接触关系,分别研究了二步骤采场非胶结充填体、一步骤采场胶结充填体(揭露后)的应力分布模式,基于Marston拱应力二维模型,拓展建立了各采场充填体的三维拱应力解析模型,得出了非胶结充填体-胶结充填体-采场围岩之间的应力传递规律及接触力学边界解析方法,并通过FLAC3D模拟的拱应力分布结果进行了三维拱应力解析模型的对比验证。进一步将提出的拱应力解析方法应用至Mitchell强度需求解析模型中,考虑了三维成拱作用下非胶结充填体对胶结充填体的侧向推力作用、采场上下盘围岩对胶结充填体的接触摩擦作用,以底部滑动面方向角、滑动体与围岩接触面摩擦力方向角的不同取值情况,定量表征了揭露后胶结充填体的潜在破坏模式,并据此提出了4种胶结充填体安全系数和强度需求的三维解析模型与方法。再利用FLAC3D开展了不同采场尺寸(长度、宽度、高度)、不同充填体参数(容重、内摩擦角)等条件下的充填体强度需求数值解搜索计算,与4种解析方法计算的强度需求结果进行了对比验证,得出了当胶结充填体底部滑动面方向角α=45°+φ_c/2且滑动体与围岩接触面摩擦力方向角β=45°-φ_c/2时,胶结充填体强度需求的三维解析解和三维数值解吻合度最佳,最终获取了最优的一步骤采场胶结充填体强度需求三维解析模型与方法。     

基于颗粒流的块石胶结充填体短时蠕变特性研究

为研究块石胶结充填体的失稳方式,对其进行了单轴压缩试验。结果表明:块石胶结充填体根据失稳方式可分为滑移式失稳和张开式失稳。运用基于细观颗粒流理论的PFC程序对块石胶结充填体模型进行蠕变模拟研究,结果表明:模型内部的块石在分级恒载作用下或多或少都会产生移动;灰砂比会影响块石胶结充填体内部块石的位移,从而影响块石胶结充填体的蠕变破坏过程。在模拟结果的基础上,建立了非定常蠕变模型,以更好地描述块石胶结充填体的整个蠕变过程。     

某矿胶结充填体破裂后强度降低原因分析

为研究某矿胶结充填体破裂后的强度变化及其原因,对充填体样品进行烘干浸水物理试验和岩石力学强度测试,同时利用X射线衍射分析技术对充填体主要矿物组成进行定性分析。结果表明,胶结充填体破裂面颜色变化深浅与其暴露在空气中的时间及所处温度有着密切的关系,含水率与空气是胶结充填体破裂面发生颜色变化的主要因素,充填体破裂后在空气中氧的作用下发生了"析盐"反应,其矿物组成发生了变化,在一定程度上影响其强度及完整性,使得胶结充填体强度急剧降低,其抗拉强度大约为未反应胶结充填体抗拉强度的52.9%,胶结充填体破裂后产生的"析盐"反应对充填体的整体稳定性存在着安全隐患,矿山需要加强关注,以免影响矿山安全作业。     

采用新月柄杆菌分泌强力胶的胶结充填体自稳能力构建试验

胶结充填体充填失效,严重影响井下采矿作业。为了提高采矿效率,确保采场安全,需要提高胶结充填体的自稳能力。基于此,提出了引入新月柄杆菌在胶结充填体拌合之时或胶结充填体充填井下之后分泌强力胶,以减少水泥用量和总物质用量,提高胶结充填体后期强度,同时进行相关的试验和应用探索。试验结果表明:木屑的加入既能够为新月柄杆菌提供营养物,又能够有效提高占据体积,并且含有木屑的胶结充填体抵御荷载作用的变形能力较强,具有较好的弹性特性,能够为提出的充填空区关键块撞击冲量解释胶结充填体所起主要作用的假定提供支撑。     

细粒级全尾砂膏体充填材料性能调控研究

针对传统胶凝材料在细粒级全尾砂膏体充填中存在的充填成本高、充填效果差等问题,研究新型胶 结媒介作用下细粒级全尾砂膏体充填材料性能的变化规律。试验结果表明：在新型胶结媒介体系下,尾砂越细,相 同条件下膏体充填材料抗压强度越高;细尾砂膏体充填材料在料浆浓度高的情况下,不同灰砂比下抗压强度几乎 相同;全尾砂中 Al2O3和 SiO2含量越高,相同条件下膏体充填材料抗压强度越高;新型胶结媒介用量的变化对膏体 充填材料抗压强度影响很小;新型胶结媒介作用下颗粒表面生成针状物质彼此搭接,使膏体充填材料结构密实,产 生强度,生成物为钙矾石和含硅化合物。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

接顶对充填体-围岩相互作用影响的声发射监测试验

运用相似原理,进行充填体与围岩相互作用的室内试验,借助声发射仪进行声发射点定位、声发射振铃数、声发射能量等相关数据的监测,引入强度占比系数和损伤变量,提出建立损伤变量与强度占比系数的关系,表征充填空区未接顶、接顶、接顶(充填厚度大小改变)三种工况的内部损伤及整体稳定性。同时借助超声波仪测试三种工况加载破坏前后的声波值变化。结果表明,充填空区未充填接顶时,在加载作用下,声发射点主要发生在充填空区界面以及充填体与围岩的接触面。当充填空区充填接顶后,声发射点主要发生在充填体与围岩接触面。当充填区面积减小时,增大了围岩的整体稳定性,声发射点主要发生在充填体存在区域。相较未接顶,充填空区接顶充分的充填体-围岩共同体的储能能力更强,相应的抵抗应力集中产生的内部破坏及能量释放的能力也更强。     

混杂纤维掺量对尾砂充填体力学性能影响研究

为了探究混杂纤维掺量对尾砂胶结充填体力学性能的增强效果,选取三种纤维材料进行坍落度、单轴压缩和SHPB冲击试验。结果表明：纤维材料对充填体流动性影响较大,纤维掺量越高时流动性越弱,其中聚丙烯纤维对流动性影响最显著;混杂纤维对充填体的动、静力学性能提高幅度均受混杂纤维掺量影响,在一定范围内随纤维掺量增高呈现先变大后减小的趋势,0.4%质量分数的聚丙烯纤维对充填体早期抗压强度增幅最为显著,28d标准养护龄期时钢纤维对充填体动、静力学性能的提高均大于另外两种纤维;总纤维掺量在1.4%~1.5%的混杂纤维对充填体动态抗压强度提高最大,提高幅度大于更高或更低纤维掺量的方案;在相同的平均应变率下,随着混杂纤维掺量增加,充填体的反射能和吸收能先减小后增大,透射能先增大后减小。试验结果表明适量的混杂纤维可以有效提高充填体的力学性能,有利于充填开采的安全性,同时对矿山充填体材料设计具有一定指导作用。     

安庆铜矿充填体内破坏区和非破坏区地震波衰减规律研究

本文首先采用爆破震动测试法对充填体内的地震波进行测试,然后根据数理统计原理运用最小二乘法进行方程回归拟合,获得测试区段充填体内破坏区和非破坏区的地震波衰减公式,进而通过解方程求算充填体内安全允许震速。然后采用声波测试法根据声波传播速度的变化分析爆破引起的充填体破坏状况验证所求得的充填体地震波衰减公式和安全允许震速的正确性。     

上向进路充填采矿法充填体强度设计

矿山常采用经验类比的方法确定上向进路充填采矿法充填体所需强度,该方法主观随意性较大,忽略因素较多。为了更科学合理地确定上向进路充填采矿法充填体所需强度,文章以充填体所起到的力学作用及爆破应力波的影响为分析依据确定小官庄铁矿充填体所需强度。考虑到上向进路充填采矿法中充填体应该起到自立性人工支柱和支撑顶板岩层松动压力的力学作用,同时考虑到爆破应力波的影响,通过自立强度模型方法、扩大压力拱理论和ANSYS/LS-DYNA显式动力分析软件模拟分别得到相对应的强度,综合确定出该矿的充填体所需强度。文章确定上向进路充填采矿法充填体所需强度的过程和方法,为相似矿山充填体强度确定提供了较为科学合理的参考。     

某矿膏体充填物料配比优化研究

某矿采用上向分层充填采矿法,对充填体强度要求较高,基于一维应力波理论及充填体抗动载特性,充填体的抗压强度不得低于1.2 MPa。充填物料配比是影响该工艺技术经济指标的关键参数。根据现场的实际情况,运用四因素三水平的均匀设计方法研究充填料浆浓度、尾库比（全尾砂与库存尾砂用量比）、灰砂比和添加剂硫化钠添加量对充填体强度及凝结性能的影响,寻求最优的充填配比。结果表明：在满足充填强度的前提下,当硫化钠添加量为0.4%时,灰砂比宜为1∶8,尾库比为8∶1,充填料浆浓度控制在77%;当硫化钠添加量为0.6%时,灰砂比宜为1∶9,尾库比为8∶1,充填料浆浓度控制在76%。     

掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征

为了探究掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性及能量演化规律,对掺不同质量含量的聚丙烯纤维充填体进行单轴压缩试验,得到了掺不同纤维含量充填体优化后的本构模型。研究结果表明:向充填体添加聚丙烯纤维能够有效的提高充填体的力学性能,当纤维含量达到0.6%时,纤维增强充填体的效果最好;对现有的掺纤维充填体损伤本构理论模型进行优化,得到了优化后掺聚丙烯纤维充填体理论曲线,并将理论曲线与试验曲线和文献曲线进行对比验证,发现优化后的理论曲线与试验曲线拟合度更高;构建了损伤与应变能之间的关系,损伤-应变能关系曲线能更好描述掺不同纤维含量充填体的损伤特性,发现纤维增强充填体力学特性的主要机理,即纤维不仅增强了充填体储存应变能的能力,还增大了充填体峰后储能的能力。试验结果对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有一定意义。     

充填采矿法胶结充填体力学作用分析

结合某矿山应用胶结充填采矿法的试验 ,测试胶结充填体的力学参数 ,采用数值模拟方法研究胶结充填体的受力情况和变形特征。结果表明 :尾砂胶结充填体 ,具有独特的支护特性和力学特征、良好的可塑性和较高的残余强度 ;尾砂胶结充填体受动态载荷作用的动态强度、动态弹性模量均高于受静态载荷的静态值 ;胶结充填体的支护作用是对围岩的限制和与围岩的共同承载。     

冲击载荷下岩石破碎能耗及其力学性质的探讨

作者采用应力波加载方法,研究了与凿岩爆破有关的岩石破碎力学性质,着重考察了不同应力波延续时间和波幅对岩石破碎强度和破碎效果的影响。     

某地下矿山充填采矿过程的ABAQUS数值模拟分析

运用大型三维有限元软件ABAQUS，基于现场地质调查和室内试验得到的数据， 根据矿体开采条件，建立开采模型，对矿体开采和充填过程进行了数值分析，得到了每一施工步的应力场和位移场分布规律。对于每一施工步而言，围岩中应力场由于开挖效应先增大，后因充填作用又减小。结果表明，使用上向水平胶结充填法时，采用胶结充填和尾砂充填可以有效控制采场围岩的稳定性。充填体可以有效地抑制围岩应力释放和变形，减缓岩层储备能量的释放速率，避免出现冲击地压等动压现象。同时对采场的稳定性和安全性做出了综合评判，得出一些非常有益的结论。