破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

侧限压缩下破碎矸石混合粒径非Darcy流渗透特性

房柱式及巷式矸石充填开采中,煤柱与矸石两两相隔,破碎矸石充填体处于侧限压缩状态,破碎矸石的密实程度、孔隙特征及渗透特性对于煤层瓦斯流动及地下水渗流的控制具有重要的价值。基于稳态渗透法及轴向位移控制法,利用一套自制的破碎岩体渗透试验系统,测定了破碎矸石在不同混合粒径下承压过程中的非Darcy流渗透特性,得到渗透特性(渗透率k和非Darcy流β因子)随孔隙率的变化规律。研究表明:1)雷诺数计算及孔压梯度与渗流速度关系曲线说明破碎矸石的渗透特征属于非Darcy流;2)孔隙率随着压缩位移的增加而减小,对于混合粒径试样,较小颗粒充填到较大颗粒的孔隙中,是使岩样的初始孔隙率减小的主要原因;3)在侧限压缩下,大颗粒受挤压破碎是产生0~2.5 mm粒径的原因,而渗流造成细小颗粒质量流失;4)侧限压缩下,渗透率总的趋势减小,而非Darcy流β因子增加,但在压缩过程中,渗透特性的变化趋势受颗粒粒径的影响会出现局部波折,说明破碎矸石的渗透特性与侧限压缩位移、颗粒粒径大小、压缩破碎、排列方式及孔隙结构(通道)有关。     

压实过程中煤矸石颗粒流细观演化规律研究

研究煤矿矸石充填材料压实变形中的细观演化规律对提升固体充填效果有重要意义。本文采用颗粒流数值软件PFC2D,考虑压实过程中颗粒破碎,通过颗粒簇cluster单元构建煤矿矸石颗粒模型,分析在单轴侧限压缩条件下不同配比颗粒体系细观演化特征,研究颗粒力链分布、裂隙与细观特征之间的关系。结果表明:模拟模型的应力应变和破碎方式等方面与实验室试验结果有着良好的对应;分析模型颗粒内部力链分布和裂隙演化规律,发现多数力链集中在颗粒较大的颗粒单元附近,形成"骨架力链"现象,裂隙也主要产生在颗粒较大的颗粒单元周围,该现象导致大颗粒单元周围配位数个数与接触力大小较其他颗粒明显增加。     

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。     

露天矿排放矸石三轴压缩宏-细观力学特性研究

露天矿排放的矸石目前被广泛应用于井下固体充填采煤中。针对固体充填采煤中破碎矸石在采空区的受压状态及矸石块体形状不规则、块体间咬合作用突出的特点,采用PFC3D数值软件,通过编写边界面程序,选用Clump模型生成形状不规则的凸面几何块体以模拟矸石块体,对破碎矸石在三轴压缩条件下的宏观力学响应及微观运动特性进行研究。研究结果表明:破碎矸石在侧限压缩条件下所产生的侧压力与其所受轴压成正比;破碎矸石承载能力随围压的增加而增加;围压效应下块体轴向位移呈上凹型层状分布,试样顶部存在明显的轴向位移三角区,试样两侧中部存在明显的侧向位移三角区;且粒径越小颗粒转动越活跃,大颗粒自身具备"运动惰性";随围压增加,试样内部力链间相互贯通程度逐渐增强,接触力链总数及颗粒间最大接触力逐渐增大,且相同轴向应力状态下侧限压缩条件时试样内部接触力链总数及最大接触力均高于围压条件。     

胶结充填体抗压强度尺寸效应的试验研究

尺寸变化会影响材料的力学性能参数,充填体作为一种类混凝土材料,其立方体试件的单轴抗压强度具有显著的尺寸效应。保证灰砂比、料浆浓度和养护龄期等条件一致,研究尺寸变化对胶结充填体单轴抗压强度的影响并结合VIC-3D全场应变测量系统对充填体试件的破裂演化过程进行监测。结果表明:胶结充填体的单轴抗压强度随着立方体试件尺寸的增大而逐渐减小,减少近一半,试件的峰值应变随着尺寸的增大而逐渐减小,并稳定在0.9%附近,弹性模量和变形模量随着尺寸的增大而逐渐增大;引入尺寸效应度对试件峰值强度的尺寸效应进行定量分析,尺寸为200 mm的试件的尺寸效应度达到了54%;尺寸较小的试块破坏时表面出现多条裂纹,随着试件尺寸的增大,试件破坏时表面出现显著的宏观破坏带,尺寸较大的试块在达到峰值强度时,局部区域发生严重的损伤断裂,大部分区域并未发生明显的应变变化。     

矸石充填材料应力应变特征实验研究

为掌握矸石充填材料应力应变特征,选取云冈煤矿3组粒径80 mm以下原生矸石试样,同时设计6组不同粒径级配的矸石试样,加工大直径加载容器,采用TAW-3000型电液伺服控制材料试验系统进行了压缩实验。结果表明:矸石压缩过程可分为应变快速增长、非线性增长和缓慢增长3个阶段;应变主要由矸石块体的移动、破碎而导致块体之间空隙被填充引起,而并非矸石本身变形所致;相同轴向应力下,应变随试样中的小粒径矸石占比增加而减小,随大粒径矸石占比增加逐渐增大;原生组矸石试样应变处于设计级配组的中间范围。实验得到矸石试样应变与小粒径矸石占比的关系式,可为矸石充填开采设计研究提供参考。     

矸石充填体受压裂纹扩展规律及声发射特性研究

为研究矿井矸石充填体内外破坏形式以及裂纹演化规律,利用PCI-2型声发射测试仪和压力试验机等仪器,分析不同水灰比、胶凝材料条件下,矸石充填体的强度、AE信号以及裂纹演化规律。结果表明：矸石充填体3d强度最小为3.6MPa,满足充填要求,水灰比的增加使得矸石试件的应变曲线斜率减小,提升了试件的抗变形能力|应力最大时,AE活动最为剧烈,试件裂纹上下贯通,呈张拉破坏|矸石充填体裂纹演化分为：闭合压密阶段、线弹性变形阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。闭合压密阶段与线弹性变形阶段内,试件AE信号较弱|不稳定阶段矸石试件AE活动剧烈,内部颗粒碰撞明显|峰后变形量大,AE活动骤减。     

酸性环境中矸石胶结充填体强度及徐变特征

为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征,采用实验室加速腐蚀方法,测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律,建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型,通过SEM和XRD分析腐蚀后充填体微观结构及化学成分.研究表明:随腐蚀龄期的增加,试件抗压强度和波速先增加后减小,质量先减小后增加再减小,90 d后强度损伤度逐渐增大;pH值越小、充填材料质量分数越小,试件各宏观性能随龄期增长所受影响越大;充填体徐变应变随时间增长而增加,随pH值、质量分数的降低而增加;腐蚀前期,硅酸钙凝胶和钙矾石填充内部孔隙,试件承载能力增加;腐蚀后期,钙矾石分解生成二水石膏后吸水膨胀,破坏材料内部晶体结构,试件承载能力降低.     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

矸石充填材料承载压缩变形时效性试验研究

掌握矸石充填材料承载压缩变形时效性是矸石充填开采顶板变形、岩层移动与地表沉陷预计的重要基础。基于矸石充填材料在采空区的受力状态,分析了矸石充填材料承载压缩变形特征,借助自制的散体充填材料双向加载试验系统,采用分级加载方式测试了矸石充填材料承载压缩特性,得到了矸石充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。研究结果表明:1)矸石充填材料本身的强度越高,其瞬时与蠕变压缩应变越小;2)随着轴向应力增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大;3)随着蠕变时间增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大。     

真三轴压缩及卸载条件下充填体力学特性研究

对于采用充填采矿法的矿山,充填体是井下采场的重要组成部分,在先采矿房并充填完成后再回采矿柱的充填采矿工艺过程中,充填体受原生地应力及矿体开挖的扰动、卸载作用.基于充填开采工艺过程中的应力变化路径,开展充填体真三轴压缩及卸载试验,分析充填体失稳破坏过程及声发射响应特征,研究充填体力学特性.结果表明:真三轴压 缩条件下充填体试件的破坏形式主要以拉伸破坏为主,表现出更好的弹性,峰值强度和弹性模量随养护时间的增加和围压的增大而增大;单向卸载条件下,充填体试件峰值强度较真三轴压缩条件下的峰值强度降低约17.74％,峰值强度随围压的增大而增大,弹性模量随围压的增大而减小,泊松比随围压的增大先增大后减小;双向卸载条件下,充填体试件快速失稳破坏,峰值强度较真三轴压缩条件下的峰值强度降低约17.76％,充填体试件的峰值强度、弹性模量、泊松比均随围压的增大而增大;充填体试件在双向卸载条件下比单向卸载条件下产生的变形更大,破坏强度也更低。     

煤矸石胶结充填体强度与细观结构的高温损伤效应

为了探究深部高温环境下胶结充填体的损伤规律，对煤矸石胶结充填体进行不同温度的高温加热处理，然后开展单轴压缩试验、计算机层析(CT)扫描试验和扫描电镜图像分析。试验结果表明，试件的抗压强度和弹性模量随温度升高而逐渐降低，且衰减速度在0～300℃范围内较快，随后逐渐变缓；二维CT图像表明，高温冲击作用使试件内部的裂隙数量和尺寸快速增加；由CT图像计算的试件孔隙率与环境温度呈正相关的指数型关系；在高温作用下，胶结充填体的内部孔隙、裂隙扩张与煤矸石颗粒接触关系均发生显著改变，这是导致试件强度衰减的根本机理。     

采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律研究

在覆岩载荷作用下，采空区冒落矸石会产生施加于巷旁支护体或煤柱上的侧向压力，在时间效应影响下，侧向压力可能引发巷旁支护体或煤柱失稳，进而诱发地表塌陷。为研究采空区冒落矸石承压变形特征及侧向压力分布规律，研制了可测量侧向压力的组合式冒落矸石承压变形试验装置。以满足均匀粒径分布的5-30 mm的冒落矸石为例，通过设置相同加载总时长（16 h）、相同目标载荷（10 MPa）、不同数量加载水平（水平1、2、4），研究冒落矸石承压变形特征、侧向压力分布规律及试验前后粒径变化情况。结果表明：随载荷增加，冒落矸石变形逐渐增大，残余碎胀系数和空隙率逐渐减小，加载较恒载阶段尤为明显；恒载初期，轴向应变增长较快，而后逐渐变缓并趋于平稳，若不发生应变突增，时间-应变呈现对数关系；目标载荷相同，加载总时长一致，随加载水平数量增加，恒载阶段产生的总应变显著增加，分别为3.02%、9.07%和17.72%，表明随加载水平数量增加，虽然载荷对冒落矸石输入的总能量减少，但却对冒落矸石的滑移填充和结构调整起到了明显的促进作用；冒落矸石侧压力系数随着载荷增加明显变大；冒落矸石体展现出较强的载荷传递折减效应，自冒落矸石体顶界...     

破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验研究

为研究破碎矸石变形后的渗流规律,利用渗透仪、液压泵等组成的渗流系统,在DDL600电子万能试验机上采用分级加载方式,对5种不同粒径破碎矸石进行了蠕变过程中的渗流试验,得到了各级应力水平下岩样的渗透参数,及其Kelvin-Volgt蠕变模型中的各特征参数E0,E1,η1,并对其变化规律进行了分析。结果表明:1)不同粒径岩样随着应力水平的变化,其孔隙度大小差异逐渐减小,同一应力水平下,颗粒间的相互调整随时间推移逐渐停止;2)破碎岩样的蠕变参数E0,E1,η1均随应力水平的提高而增大,小粒径矸石的比面较大,在压缩过程中与其他粒径岩样相比其轴向变形小、蠕变参数E0大,大粒径矸石颗粒间的充填效果明显且其变形大,孔隙连通性减弱,渗流时黏滞阻力大;3)随着孔隙度减小,岩样的渗透率与非Darcy流β因子的绝对值两者近似呈反比关系。破碎矸石密实度越大非Darcy流特性越显著,当颗粒细化程度较大时,破碎矸石渗流过程中易发生渗流失稳。     

粉煤灰优化破碎矸石充填材料承载压缩力学特性试验研究

为揭示破碎矸石充填材料在承载压缩过程中的破碎机理,提高充填材料的承载力学特性,通过破碎矸石侧限压缩试验和声发射试验,研究了承载压缩过程中破碎矸石不同应力状态下的声发射(AE)频率,揭示了破碎矸石承载压缩过程中的破碎损伤机理,分析了粉煤灰掺量对破碎矸石充填材料承载压缩率的影响,得到了最佳粉煤灰掺量。试验结果表明：随着应力逐渐增大,累计AE事件逐渐增多;在1～8 MPa的应力段,发生的AE事件数较多,矸石变形破坏比较严重;掺入粉煤灰后,充填材料承载压缩特征得到了一定程度的改善,试验条件下的粉煤灰最佳掺量为30%,其2 MPa应力下的应变为0.248,容重为18.67 kN/m³。     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

混凝土充填材料在沿空留巷巷旁充填中的试验研究

对沿空留巷巷旁充填混凝土充填材料进行了配比试验,测试不同配比的水泥砂浆与矸石形成的胶结体单轴压缩强度;分析了不同水灰比及加入矸石后材料强度的变化。试验结果表明:试件强度值的变化随着水灰比值的增加而有所降低;含矸试件强度要大于纯水泥砂浆试件强度;随着矸石间隙的减小,充填浆液的流动性受到一定的限制,导致矸石填充效果受到影响,降低矸石充填体的整体强度。     

矸石集料承载力学特性模拟研究

为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径（0～5,5～10,10～15,15～20,20～25,25～30 mm）、轴向应力（2.5,5.0,7.5,10.0 MPa）、加载速率（0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s）影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC^3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆...     

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。