含混杂纤维尾砂胶结充填体静态力学性能试验研究北大核心

为探究钢纤维(SF)与聚丙烯纤维(PF)混杂后对尾砂胶结充填体静态力学性能及破坏模式的影响,采用电子万能试验机和扫描电镜分别对含混杂纤维尾砂胶结充填体进行单轴压缩试验和微观测试。结果表明:混杂纤维的掺入对充填体破坏模式有显著影响,无纤维充填体(CTB)最终以单斜面剪切破坏为主,呈明显的脆性破坏,而掺混杂纤维充填体(SP-FRB)因内部纤维的桥连和阻滞效应,最终破坏以较多的微小次生裂纹为主,试件整体裂而不断,表现出明显的延性变形;混杂纤维的掺入能够提高充填体的单轴抗压强度,但纤维含量存在最佳值;CTB及SP-FRB的应力-应变曲线均存在孔隙压密、线弹性变形、塑性屈服和破坏四个阶段。微观测试结果表明:充填体内部初始孔隙的数量和大小是破坏失稳的重要因素,钢纤维和聚丙烯纤维能够在充填体内保持较高的完整性,并分别通过与基体间的黏结力和自身疲劳断裂阻滞裂缝的扩展。     

絮凝剂对超细尾砂胶结充填体性能的影响

为研究絮凝剂对超细尾砂充填材料性能的影响,从而提高超细尾砂的利用率。对不同絮凝剂掺量 （0,45 g/t,75 g/t 及 105 g/t）下的充填料浆的流动性和充填体的力学特性进行了测试,并利用压汞实验与扫描电镜测 试探究了充填体微观演化。结果表明：超细尾砂胶结充填料浆流动性能相较于普通尾砂胶结充填料浆对固体浓度 更不敏感且强度远低于普通充填体;絮凝剂对超细尾砂胶结充填材料流动性和强度有消极影响,但存在一个饱和 浓度（75 g/t 左右）;絮凝剂的掺入会延长浆体内部渗透网络达到稳态的时间;掺絮凝剂的超细尾砂胶结充填体强度 与超声波波速呈线性关系,因此可以利用超声波波速进行超细尾砂胶结充填体的强度预测。此外,絮凝剂会弱化 充填体的孔结构,主要表现在掺入絮凝剂后,小于 1 μm 的孔隙体积明显增加。研究结果将有助于设计出更经济有 效及更耐用的超细尾砂胶结充填体。     

聚丙烯纤维磷石膏胶结体早期力学强度特性及增韧机理研究

在传统水泥基复合材料的研究领域,纤维增强了材料的强度、韧性、延展性和抗裂性。为了提高磷石膏胶结体的早期强度,掺入聚丙烯纤维作为增强剂,开展了掺纤维磷石膏胶结体制备试验以及单轴抗压强度试验,分析了纤维对磷石膏胶结体破坏规律的影响,并通过SEM探究了纤维对磷石膏胶结体的增韧机理。研究结果表明:随纤维掺量增加磷石膏胶结体单轴抗压强度呈先增加后降低的趋势,且纤维最优掺量为1%;掺入纤维的磷石膏胶结体能延缓峰值抗压强度达到时间且破坏时的峰值应力更大,未掺入纤维的磷石膏胶结体在荷载超过应力峰值后快速失稳,掺入聚丙烯纤维的磷石膏胶结体则呈缓慢降低趋势;随着纤维的掺入,磷石膏胶结体的裂纹数量逐渐减少,且裂而不断,磷石膏胶结体的延性变形明显;微观下聚丙烯纤维表面附着有絮团状水化产物,且在磷石膏胶结体固结过程中相互缠结形成稳定的网状结构。研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定参考。     

不同纤维调控水泥基胶结充填体强度性能研究

为了提高充填体稳定性和采空区充填质量,采用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和玻璃纤维作为增强剂,探讨了3种纤维不同掺量对尾砂胶结充填体力学性能的影响规律,比较了掺纤维和无纤维作用下胶结充填体的破坏模式,采用扫描电子显微镜揭示了掺纤维尾砂胶结充填体水化机理。试验结果表明,胶结充填体抗压强度随着纤维掺量的增加呈先上升后降低的趋势,当纤维掺量为0.6%时,充填体抗压强度达最大值,从强度增益效果来看,聚丙烯纤维最好,聚丙烯腈纤维次之,玻璃纤维最差。纤维对充填体抗折强度增益效果优于抗压强度的增益效果,当聚丙烯纤维掺量为0.9%,聚丙烯腈纤维掺量为1.2%,玻璃纤维掺量为1.2%时,胶结充填体抗折强度达最大值,掺纤维胶结充填体3 d、7 d、14 d和28 d最大抗折强度增幅为157.89%、216.00%、217.86%、143.40%。在单轴荷载破坏作用下,无纤维充填体试块出现多条长且宽的贯穿性裂纹,边角部位伴有较多碎块脱落,而掺纤维充填体试块仅出现细短微裂纹,试块保持较高的完整性。掺纤维充填体水化产物以钙矾石、C—S—H凝胶和Ca(OH)₂为主,纤维与充填体基体交界处被大量水化...     

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。     

尾砂胶结充填体力学性能与微观结构研究

胶凝材料水化产物的种类、数量及其微观结构将直接影响尾砂胶结充填体的宏观力学性能。本文采用XRD、TG-DSC、SEM等研究方法,建立了尾砂胶结充填体宏观力学性能(单轴抗压强度)与胶凝材料水化产物种类和数量之间的关系。研究结果表明,随着灰砂比和养护龄期的增长,尾砂胶结充填体内钙矾石等水化产物的含量随之增多,尾砂胶结充填体的单轴抗压强度σc与胶结体中钙矾石的含量x呈一次直线正相关关系,即σc=2.0126x+0.5295,相关性系数为0.9610;增加充填体中AFt的含量有助于提高其单轴抗压强度。     

全尾砂胶结充填体蠕变损伤破坏规律研究

以龙湾铁矿全尾砂为原材料,采用325#硅酸盐水泥为胶结材料制作全尾砂胶结充填体,设计出灰砂比为1∶6,1∶8,1∶10与料浆浓度为65%,70%,75%的9种全尾砂充填体试块进行单轴强度测试,确定出最优灰砂比与料浆浓度,对其进行不同百分比荷载下单轴蠕变试验。全尾砂胶结充填体抗压破坏试验结果显示充填体的破坏经历了4个阶段,分别为微裂隙闭合阶段、线弹性阶段、微裂纹扩展阶段及裂纹贯通破坏阶段。充填体蠕变试验结果表明:充填体具有显著的蠕变行为,包括瞬时变形、衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段。     

尾砂胶结充填体试样早期强度发展监测探索研究

本文研究不同胶凝材料、不同硫酸盐浓度的尾砂胶结充填体试样的强度发展过程,分别对养护龄期为1、3、7和28天的试样系统进行了单轴抗压强度、基质吸力、含水率和孔隙率测试,分析了尾砂胶结充填体试样早期强度和基质吸力发展变化的原因及二者的相关性,研究结果表明：密封养护条件下尾砂胶结充填体试样的早期单轴抗压强度与其基质吸力存在显著的线性相关规律,获得了尾砂胶结充填体试样早期单轴抗压强度与基质吸力相关性方程,探讨了基于基质吸力监测尾砂胶结充填体强度的可能性。     

聚丙烯纤维对水泥基充填复合材料强度性能及破坏形态的影响

为提高某金矿尾砂胶结充填体稳定性,以聚丙烯纤维作为增强剂,开展了以纤维掺量、纤维长度、矿粉掺量为研究对象的三因素四水平正交试验,考察充填料浆流动性、充填体力学性能及充填体破坏形态的变化规律。研究结果表明：充填料浆流动性与纤维掺量和长度呈负相关,随着纤维掺量的增加,充填料浆塌落度和流动度分别降低8.19%和17.79%;纤维长度从3 mm增加至9 mm的过程中,充填料浆塌落度和流动度分别降低2.49%和7.21%。充填体抗压强度随着纤维掺量和长度的增加表现为先升高后降低的趋势,纤维掺量0.6%是其临界点,此时,养护龄期1 d、3 d、7 d、28 d充填体抗压强度分别为3.87 MPa、9.32 MPa、10.27 MPa、11.88 MPa。掺入纤维的尾砂胶结充填体能够形成较为完整的网络结构,均匀分散外界荷载,阻滞裂纹扩展,微裂纹多且小,使充填体保持较高的整体性。     

尾砂胶结充填体试样早期强度与孔结构关联规律研究

本文为研究尾砂胶结充填体试样单轴抗压强度与其孔结构的关联规律,开展了不同类型胶结剂、不同浓度硫酸盐条件下共8组配比试验,并对养护龄期为28d的所有充填体试样进行了单轴抗压强度测试和压汞法孔结构测试(MIP),系统分析了尾砂胶结充填体试样早期强度和孔隙结构的关联规律,研究结果表明:(1)密封恒温养护条件下,不同配比的尾砂胶结充填体试样具有不同的单轴抗压强度、孔隙率和孔径分布;(2)尾砂胶结充填体试样的28d抗压强度与其孔隙率存在一定的线性相关规律,即在总体上表现出孔隙率越高强度越低的趋势;(3)尾砂胶结充填体试样中直径大于0.2μm的多害孔体积与其单轴抗压强度的线性相关性比孔隙率与其单轴抗压强度的线性相关性更为显著,说明试样强度的降低主要与多害孔体积增大有关,得了到尾砂胶结充填体试样充填体试样28d强度与多害孔总体积相关性方程。     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力-应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

聚丙烯纤维加筋尾矿砂力学特性试验研究

为探索加筋尾矿砂用作路堤填料的可行性,将不同长度、不同含量的聚丙烯纤维掺入铁尾矿砂中,开展纤维对尾矿砂单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角影响的室内试验。结果表明,掺加聚丙烯纤维能够显著提高尾矿砂的单轴抗压强度,但连续增大聚丙烯的纤维长度、持续提高纤维含量对尾矿砂抗压强度影响不大;加筋尾矿砂的黏聚力随纤维长度和含量的增加呈先增大后减小的趋势,但掺加纤维后尾矿砂的黏聚力整体上高于未添加纤维的尾矿砂;尾矿砂的内摩擦角几乎不受聚丙烯纤维长度和含量的影响。长度1.5 mm、含量0.20%的聚丙烯纤维是最优的加筋配比,这为尾矿砂用于路堤填料提供了试验依据。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:(1)不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;(2)不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;(3)对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;(4)构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试...     

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。     

聚丙烯纤维高水材料力学性能的试验研究

在充填开采中,高水材料作为一种新型的充填材料,近年来得到广泛应用。但纯高水材料充填体在受压后往往裂隙较多,导致其受压后的强度不高,强度保持不稳定。利用聚丙烯纤维对高水材料进行掺杂,借助ETM力学试验系统,对掺杂聚丙烯纤维后的高水材料的破坏过程、压缩强度和变形特性等进行测试研究。结果表明:聚丙烯纤维的长度和掺量对高水材料试样的强度均有影响;聚丙烯纤维几乎不会改变高水材料的破坏形式和应力—应变曲线的形状,掺杂试样依然是"X"型剪切—劈裂破坏;纤维的掺入使得试样的峰后力学性能表现增强,掺杂纤维试样的残余强度占峰值强度的65%~84%;聚丙烯纤维的阻裂效应使得高水材料具有更好的完整性和连续性,聚丙烯纤维对高水材料有补强效应,适合作为采空区高水材料充填体的补充材料。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

分层特性对充填体强度及破坏模式的响应特征分析

多次充填导致的充填体分层现象给矿山后续开采带来了许多未知的因素。本文采用室内实验的方法，设置1：4、1：6、1：8三种灰砂比；66％、67％、68％三种质量浓度；1、2、3三种分层数，排列组合了27组充填体。对各组充填体进行单轴压缩试验，探究分层特性对充填体强度的影响规律，并结合FLAC3D软件利用“分界面”功能分析不同分层的充填体进行单轴压缩实验时的受力状态与破坏模式的变化。结果表明：分层特性会影响灰砂比、质量浓度等参数与充填试件强度之间的作用关系，分层数越多时充填体强度随灰砂比、质量浓度提升的幅度越小；分层界面会改变试件单轴受压时的破坏模式，分层数的增加会使充填体破坏模式从平行于加载方向的张拉破坏转变为靠近上分层的剪切破坏再转变为贯穿两个分层面的张拉破坏，同时分界面处的剪切错动现象也更加明显。