盐卤腐蚀环境中胶结充填体的强度演化与细观损伤机理

为研究滨海矿区井下人工充填矿柱的盐卤腐蚀机理，并为充填材料耐腐蚀性能的提升提供技术参考，对不同腐蚀时间条件下的材料力学性能和细微观结构进行了研究。通过单轴压缩试验，分析了腐蚀时间对强度性能的影响规律，并利用计算机层析扫描(CT)和显微图像探究了试件在盐卤腐蚀作用下的细观损伤演化规律和微观机理。结果表明：随着腐蚀时间从0增至360 d,胶结充填体的抗压强度和弹性模量逐渐下降，变化速率先慢后快；胶结充填材料内部的细观裂隙随着腐蚀时间的增加逐渐扩张，由CT扫描图像计算的面裂隙率呈指数型增长，表明充填体结构损伤程度不断提高；适当增加充填料浆的质量分数有利于力学性能的增强，但效果在长期腐蚀作用下逐渐减弱；胶结充填体的抗压强度与面裂隙率呈负线性相关关系，说明采用CT扫描对预测充填体在腐蚀过程中的强度折减规律是合理可行的；在盐卤环境的长期作用下，腐蚀性离子的侵入和电化学作用使得水化产物的微观形态发生演变，孔隙逐渐扩张，结构的黏结程度下降，最终导致胶结充填材料力学性能发生弱化。     

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。     

不同温度场下充填体热稳定性特征

为揭示不同温度场下粉煤灰尾砂胶结充填体性能演变规律,以粉煤灰尾砂胶结充填体为研究对象,通过控制料浆温度和养护温度,采用单轴压缩试验,探讨了不同温度场下充填体抗压强度与加热时间的关系,以及不同料浆温度下充填体抗压强度与温度场的关系.结果表明,温度场一致时料浆温度越高,充填体抗压强度越大,加热时间越长,充填体抗压强度越小,即料浆温度与充填体抗压强度正相关、加热时间与充填体抗压强度负相关;温度场影响下,高料浆温度充填体的抗压强度均更大,且温度场温度越高,这种效应越显著,料浆温度合理调控对于抵抗高温下充填体强度损耗有积极作用.研究结果可为不同温度差异的尾砂胶结充填提供理论支撑.     

胶结充填体受温度作用的影响分析

对胶结充填体在深井开采过程中受到高温影响进行研究,分别将试件进行不同温度的热处理之后进行单轴抗压试验,分析温度、浓度和灰砂比对充填体强度的影响规律。研究结果表明:温度对充填体的强度有着一定的影响,充填体的影响因素敏感性先后顺序为灰砂比、温度、浓度。因素之间存在一定的交互作用。在浓度和灰砂比一定时,随着温度的升高充填体试件强度先增大后减少,在150℃附近强度达到最大。     

煤矸石膏体巷旁充填材料的研究

煤矸石膏体充填材料由煤矸石、粉煤灰、PL膏体胶结料和水组成.在目前PL膏体胶结料基础上,通过正交设计试验,改变煤矸石、膏体胶结料的用量,调整水灰比,测定充填材料的坍落度和抗压强度(1 d、3 d和7 d),在满足沿空留巷所需的力学性能条件下,得出了一种较为合理的配比方案,以及确定合理配比的方法,为煤矸石膏体巷旁充填材料的选择与应用提供了科学的依据.     

冻融循环下裂隙性泥岩的力学特性与细观损伤规律

冻融循环作用是加速岩石材料性能劣化的重要环境因素之一,也是影响露天矿边坡稳定性与安全性的重要隐患。为研究冻融循环作用下裂隙性泥岩的力学强度衰减特性和损伤效应,分别对经过0、5、10、20、50次冻融循环处理后的泥岩试样进行了单轴压缩试验和计算机层析CT扫描试验。同时,开展了扫描电镜试验对泥岩的微观损伤机理进行探究。试验结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐降低,且衰减速度在0～10次冻融循环时最为显著,随后衰减速率逐渐变缓;二维CT图像显示冻融循环使泥岩试样的孔隙结构不断发育,孔隙率与循环次数和弹性模量分别呈指数关系和负线性相关,该现象说明泥岩细观结构损伤的累积与宏观力学特性衰减程度显著相关;在冻融循环作用下,裂隙性泥岩内部微观结构的损伤程度逐渐加深,裂隙的拓展和颗粒接触关系的改变是导致泥岩强度下降的重要因素。上述分析对于裂隙性泥岩分布地区的露天矿山边坡设计与施工有一定的参考意义。     

全尾砂胶结充填体蠕变特性试验研究

胶结充填体的时效性往往影响着采矿工程的长期稳定性。为分析胶结充填体的蠕变特性,进行了单轴蠕变试验。采用BLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对灰砂比为1∶6浓度70%的胶结充填体在0.75应力水平下进行单轴压缩蠕变试验。试验结果和数据分析表明:在0.75应力水平下胶结充填体具有明显的衰减蠕变和等速蠕变阶段,并未显示出加速蠕变过程。其应变速率与时间呈指数衰减关系;变形模量随时间可用Logistic函数进行描述。采用伯格斯模型描述充填体蠕变特性并对参数进行辨识,拟合结果与试验数据可很好的吻合。     

煤矸石粉对矸石基绿色胶结充填体性能的影响

针对煤矸石排放及粉煤灰应用带来的一系列环境问题,以及以粉煤灰为掺合料的矿山矸石胶结充填成本相对较高的工程问题,通过试验分析研究了煤矸石粉掺量对矸石基绿色胶结充填体工作性能、力学性能和耐水性能的影响规律,并通过SEM和XRD试验分析煤矸石粉对充填体性能的影响机理。结果表明：掺加简单机械活化煤矸石粉的矸石充填材料,能够满足矿山对于泵送输送的要求并具有一定的抗压强度,适合对强度要求相对较低的采空区使用;微观形态效应与微集料效应减弱了煤矸石骨料的“微泵吸水”和表面颗粒摩擦力,工作性能得到改善;微火山灰效应和微集料填充作用使充填体内部形成大量的C—S—H和C—A—S—H结晶体,其内部骨架得到密实,微观孔结构得到改善,有害孔数量减少,充填体的强度和耐水性得到提升。     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

煤矸石膏体充填材料的试验研究

为了提高村庄下的压煤采出率和保护环境,采用煤矸石膏体充填采矿法解放村庄下煤炭．通过正交试验和线性回归,得出影响煤矸石膏体充填体强度和坍落度的因素及回归函数．结果表明：组成膏体充填材料的煤矸石,胶结料,粉煤灰及膏体质量浓度对强度均有不同程度影响,煤矸石对充填体的后期强度影响显著,胶结料对充填早期强度影响较显著,粉煤灰对充填强度影响不显著．煤矸石在加工成直径小于25mm后,还需进一步分级．提高细颗粒矸石加量和降低质量浓度可提高膏体的坍落度和可泵性,胶结料和粉煤灰对膏体的可泵性影响不如煤矸石和质量浓度影响显著．     

不同应力路径下块石胶结充填体破坏试验研究

充填体结构对其承载能力起到重要作用。通过对灰石配比为1∶0,1∶2,1∶3,1∶4,1∶5与1∶6的6组块石胶结充填体试件进行单调加载与分级加载下的压缩试验分析,得出块石胶结充填体抗压强度随块石占比变化的一般规律,发现不同加载方式下灰石比1∶2的充填体试件抗压强度和平均单位能耗均大于其余各组试件,而灰石比1∶5试件抗压强度与破坏能耗均与配比为1∶2的试件接近。     

高温对胶结充填体强度及变形特性的影响

为了研究高温对充填体强度及变形特性的影响,在实时高温和高温冷却后2种情况下分别对胶结充填体进行单轴压缩实验。实验发现:高温作用下,充填体的温度应变、热膨胀系数与温度存在增长函数关系,高温作用冷却后,充填体温度应变随温度升高而增加,在200℃达到峰值,随后又降低;实时高温作用下,充填体的抗压强度从25℃时的4.2MPa降低至300℃时的2.3 MPa,弹性模量从25℃的0.25 GPa降到300℃的0.15 GPa;高温作用冷却后岩样的抗压强度从25℃时的4.2 MPa降低至300℃时的2.1 MPa,弹性模量从25℃的0.25 GPa降到300℃的0.10 GPa。     

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。     

充填体分级加载蠕变试验及模型参数智能辨识

为研究充填体在荷载作用下的长时稳定性,对充填体进行单轴分级蠕变试验,研究其蠕变特性。由胶结充填体单轴分级蠕变曲线,采用陈氏数据处理方法绘出试块分别加载蠕变曲线,试验结果表明:充填体具有显著的蠕变行为包括瞬时变形、衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段,受荷载及时间所限并未出现加速蠕变阶段;瞬时应变与荷载成线性函数关系、蠕变速率随时间增长而逐渐降低至定值,显示出充填体具有同岩石类似的蠕变特性。充填体的蠕变特性符合Burgers模型,采用具有多点寻优、全局最优解等优点的遗传算法对不同应力水平下的Burgers模型参数进行了智能辨识,结果表明,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好,Burgers可较好的描述胶结充填体的蠕变特性。     

煤矸石改性膨胀土干湿循环下缩裂的调控机制

为寻求改性膨胀土干燥开裂的调控机制,预防膨胀土工程灾害,在干湿循环条件下,针对不同煤矸石粉掺量的膨胀土进行收缩试验,确定煤矸石粉的最佳掺量及体缩率,通过土样表面的裂隙图像,计算土样外表面的裂隙率,借助压汞试验获得土样内部孔隙率和平均孔径参数,对体缩率、裂隙率、孔隙率等收缩性指标进行分析,揭示煤矸石抑制膨胀土收缩裂隙发育发展的机制。结果表明,在干湿循环下,煤矸石粉掺量为9%时,土样的收缩性得到较好的抑制;掺入煤矸石可降低膨胀土孔隙率,使土体内部结构更加稳定;素膨胀土和改性膨胀土的体缩率、面裂隙率和孔隙率与干湿循环次数的关系均符合三元二次方程。     

温度裂隙对充填体强度耦合效应及裂纹扩展模式

温度与裂隙是影响充填体稳定性的两大重要因素。通过制备预制45°单裂隙全尾砂胶结充填体试样,对20~100℃范围内不同温度处置后的试样进行单轴压缩实验,分析温度-裂隙耦合作用下充填体强度及裂纹扩展规律。结果表明:1)裂隙存在劣化了充填体强度,温度升高使得充填体强度先增加后降低,二者对充填体强度的弱化系数Iσ1,Iσ2及耦合弱化系数Iσ分别介于0.401~0.504,-0.131~0.170及0.364~0.552之间;20~60℃之间,温度强化了充填体强度,温度在40℃左右,充填体强度达到最大值,60℃之后充填体强度开始劣化降低;温度-裂隙耦合作用下充填体强度的影响因素中,裂隙占主导地位,温度次之。2)预制单裂隙充填体试样在单轴压缩条件下先发生拉应力破坏,后转为剪切破坏;产生的翼裂纹形式大致分为4类,相比Ⅰ型和Ⅱ型裂纹形式,Ⅲ型裂纹对试样强度起到劣化作用,Ⅳ型裂纹提高了试样强度,裂纹最终贯穿方向均与加载方向一致。     

基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究

基于泰波理论,获得充填矸石的最佳级配,并掺入不同质量比的水泥,在不同的养护龄期条件下对矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,研究其压缩过程中的强度和变形特性以及充填体的最终破坏形态。结果表明:泰波系数n=0.4的级配为粒径不大于40 mm矸石的最佳级配;水泥掺量越多,养护龄期越长,试件的抗压强度数值越大;矸石胶结充填体单轴压缩试验应力应变全过程分为4个阶段,即孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段;矸石胶结充填体达到峰值强度后呈现出不同程度的应变软化特性,其最终破坏形态主要有3种,即劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏,劈裂破坏为最主要的破坏形态。     

基于PFC的废石胶结充填体破坏规律研究

为研究不同灰砂比下废石胶结充填体的破坏规律,对其进行了单轴压缩试验。结果表明,废石胶结充填体试样的失稳方式分为张开式和剪切式;在废石胶结充填体试样的峰值前应力—应变关系上,灰砂比对发生张开式失稳的试样影响较大,而对发生剪切式失稳的试样影响较小。运用基于细观颗粒流理论的PFC程序对废石胶结充填体模型进行单轴压缩模拟。结果表明,在应力—应变关系上,模拟结果与试验结果相一致;通过模型内部废石的位移情况可以揭示不同灰砂比下废石胶结充填体的失稳规律;通过粘结力分布情况得到废石胶结充填体不同失稳方式的原因。因此,PFC可以很好地应用于充填材料的选择与优化。     

多源煤基固废充填体固结与承载性能的温度效应研究

为研究煤基固废膏体充填体在煤矿深部高地温环境下的固结承载性能,采用单轴压缩和声发射试验,测试不同养护温度(20、35、50℃)和龄期(3、7、14、28 d)影响下膏体充填体强度与破坏特征;通过SEM测定充填胶结体微观形貌和矿物组成,从微观角度揭示养护温度对水化反应的影响规律。研究结果表明：伴随养护温度的升高,其对水化反应的影响逐渐从促进转变为抑制,28 d抗压强度在养护温度为35℃时达到最大值;声发射事件主要发生在压密和破坏阶段,养护温度提高促使声发射活动提前活跃,充填体破坏形态逐渐由延性破坏转变为脆性破坏;由于热损伤作用,高温养护加快了充填体早期水化反应速率,而对养护后期充填体内C-S-H和孔隙结构造成破坏,对其长期强度的增加产生不利影响。     

煤矸石作为胶结充填骨料性能的实验研究

通过室内试验，探讨了在大掺量煤矸石的情况下，不同浓度、配合比以及不同外加荆用量的粉煤灰煤矸石胶结充填体单轴抗压强度。