不同水固比富水充填材料失稳破坏特征研究

为探讨在开采扰动作用下不同水固质量比富水充填材料失稳破坏时的特征与临界条件、水固质量比对富水充填材料变形特性的影响,通过蠕变、应力-应变等试验,研究了不同应力条件下不同水固质量比富水充填材料的蠕变性能及应力-应变特征,并得到了不同水固质量比充填材料失稳破坏的临界荷载。结果表明：富水充填材料在应力水平较小时,蠕变曲线有衰减阶段和稳定阶段2个阶段;当应力水平达到临界荷载时,蠕变曲线表现出3个阶段,衰减阶段、稳定阶段和加速阶段;水固质量比为1.7、2.0和2.5的充填材料失稳破坏的临界荷载分别为其28 d抗压强度的92%、90%和85%,临界荷载随着水固质量比的提高而降低;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段：初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段;弹性模量随着水固质量比的提高而降低。     

矿用富水充填材料的蠕变特性及损伤演化

为探讨富水充填材料稳定性与时间的关系及其在荷载作用下的失稳破坏特征与损伤发展规律,文中制备了一定水固比的富水充填材料,通过蠕变试验对不同应力水平下富水充填材料的蠕变性能进行测试,研究蠕变过程中应变速率衰减、稳定及加速3个蠕变阶段应变随时间的变化特征,提出充填体失稳的临界荷载。根据蠕变试验数据,引入损伤变量,建立符合富水充填材料的蠕变损伤模型,推导出应力、应变、时间及损伤因子等力学参量之间的相关关系。结果表明:水固比2.0的富水充填材料失稳破坏的临界荷载为其强度的90%;改进后的Burgers模型,综合考虑了蠕变参数受时间和应力水平的影响,反映了参数随时间弱化的现象,拟合后发现该模型可以描述富水充填材料失稳破坏前的损伤劣化规律。     

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...     

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。     

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。     

大尺寸高水材料巷旁充填体蠕变特性试验研究

针对高水材料巷旁充填体具有蠕变特性的特点,采用自行研制的大尺寸(1500 mm×600mm×900 mm)蠕变实验系统和FLAC3D数值模拟软件对其蠕变特征进行了试验研究,分析了高水材料充填体蠕变过程中瞬时、稳定及加速3个阶段位移和应力随时间的变化特征,指出充填体蠕变极限载荷随高水速凝材料水灰比降低而提高;结合充填体在加速蠕变阶段变形速度过大的特点,为确保井下充填体长期稳定,需保证充填体保持在稳定蠕变阶段,认为充填体载荷不超过其强度的70%~80%时较为合理。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

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。     

不同养护温度下水泥基尾砂胶结充填体的力学特性及能量演化规律

养护温度能够对水泥基尾砂胶结充填体力学性能造成显著影响,在实验室开展了不同养护温度下的充填体单轴抗压试验,研究了养护温度对充填体应力-应变曲线及力学特性的影响规律,并揭示了充填体变形破坏各阶段的能量演化规律。结果表明：当养护温度范围为20～50℃时,充填体的峰值应力、初裂应力及弹性模量均随着养护温度的增加呈现先增大后减小的趋势,并且都在养护温度为30℃时达到最大值,说明充填体的养护温度存在临界值;充填体在峰值应力点处的总应变能及弹性应变能随着养护温度的增加均表现出先增大后减小的趋势,并且耗散能与总应变能随着轴向应变的增加呈现非线性递增规律;此外,在初始压密、线弹性变形及屈服破坏阶段,能量主要以弹性能的形式储存在充填体内部,而在峰后变形破坏阶段能量以耗散为主,并且养护温度会对能量指标水平产生影响;微观测试结果表明,充填体在高温养护环境下产生的自由水蒸发效应会导致充填体内部空隙结构更为明显,从而对充填体力学性能产生不利影响。     

充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

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。     

复合充填结构体承载破坏演化特征

针对力学性质存在差异的材料组合而成的复合充填结构体在承载过程中内部应力分布不均的现象,开展了由不同强弱介质组合而成的复合充填结构体的单轴压缩试验。结合声发射特征分析,研究了复合充填结构体的承载特征、损伤演化和破坏特征。研究表明：①单轴压缩状态下复合体内部应力分布不均,强介质内部应力大于弱介质内部应力,整体荷载主要由强介质承担;②当复合体中强介质强度一定时,复合体整体强度与弱介质强度呈正相关;③当弱介质强度小于等于3.21 MPa时,复合体应力—应变曲线出现两个弹性阶段,且第一弹性阶段的斜率大于第二弹性阶段,随着弱介质强度增加,第一弹性阶段增长、第二弹性阶段缩短,当弱介质强度大于3.21 MPa时,第二弹性阶段消失;④声发射信号演化特征表明：两个弹性阶段的拐点处弱介质出现大量损伤破坏,弱介质先于强介质破坏,当弱介质强度大于3.21 MPa时,损伤主要发生在压密和屈服后阶段,弱介质与强介质同时破坏。研究成果可为地下采场复杂应力场控制措施研究提供基础。     

膨胀充填材料工程力学特性的试验研究及应用

充填材料的工程力学性质对煤矿绿色开采有重要影响,是解决煤矿安全高效生产以及煤矿可持续发展的主要途径。本文以水泥、砂或粉煤灰为材料,双氧水为发泡剂制作的膨胀充填材料泡沫混凝土为研究对象,试验研究了密度为1 000kg/m~3、1 200kg/m~3、1 400kg/m~3含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土动静载力学特性。试验结果表明:两种膨胀充填材料在单轴抗压下经历了弹性阶段、应力下降阶段、平台阶段和压密阶段。在冲击荷载作用下的应力-应变曲线表现为线弹性阶段、屈服阶段和孔壁破坏阶段。含粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度大于含砂泡沫混凝土的抗压强度,泡沫混凝土的抗压强度随密度的增大而增大。对比不同龄期下的膨胀充填材料可以看出,泡沫混凝土龄期越长,泡沫混凝土的固化程度越高,泡沫混凝土的抗压强度越大。现场应用表明,膨胀充填泡沫混凝土材料具有缓冲吸能作用,可以吸收顶板动静载荷能量,达到抗冲接顶目的,研究成果对膨胀充填材料泡沫混凝土在采矿绿色开采领域的使用提供了一定的参考指标。     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究

为研究部分充填置换高强度充填材料对矩形开口矿柱力学承载特性的影响。采用中机电子万能试验机和DS5型声发射信号采集系统,对不同开口宽度的矿柱试样开展了单轴载荷作用下破坏全过程的力学承载特性试验,在破坏过程中采用快速相机进行监测和记录,总结了充填高强度充填材料填充矩形开口矿柱的力学承载特性和破坏机理。结果表明：无充填矿柱试样(Ore Pillar Bearing, OPB)和充填矿柱试样(Ore Pillar-Filling Bearing, OPFB)模型试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,与AE振铃计数演化特征同步响应;OPB模型试样b值曲线缓慢下降,而OPFB模型试样b值曲线呈平缓趋势,高强度充填材料能有效改善脆性材料的应变软化现象,且对破坏后残余强度的提升影响最大;OPB和OPFB模型试样抗压强度及弹性模量随着掘充宽度的增加而减小,OPB模型试样由劈裂破坏面转向剪切破坏面,呈现延性向脆性破坏转变,OPFB模型试样呈现出延性破坏。研究可为矿柱的回收和稳定提供科学依据。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。