侧限压缩条件下矸石变形破碎规律及声发射特征研究

通过侧限压缩试验与声发射试验,对相同级配的泥岩、灰岩及砂岩3种岩性散体矸石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明:在加载初期,散体矸石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,并且在此阶段,不同岩性矸石在相同时间内的应变相同;根据岩石的应变特征及弹性模量变化特征将岩石的压缩变形过程划分为压缩阶段、强化阶段及稳定阶段,在应力水平足够大的情况下,较为软弱的散体矸石反而拥有更大的弹性模量;在不同阶段散体矸石的累计计数曲线及累计能量曲线均表现出不同的变化特征,在稳定阶段,砂岩的累计计数曲线表现为直线上升,砂岩的累计能量曲线及其余2种岩性的累计能量曲线及累计计数曲线均表现平稳缓慢增长,并逐渐趋于水平;压缩后,散体矸石的级配曲线表现出阶段性变化特征,并且强度越大的矸石,其大颗粒破碎越不充分。     

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。     

采空区不同岩性破碎岩石压实变形及声发射特征研究

采空区不同岩性冒落破碎矸石的压实特性及承载力学性质对上覆岩层移动破坏有重要影响。采用侧限压缩试验与声发射测试试验方法,对相同级配的砂岩、砂质泥岩两种单一岩性及砂岩-砂质泥岩组合岩性破碎岩石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明：在加载前期,破碎岩石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,随时间增加,呈现急剧上升后趋于平缓的特征;不同单一及组合岩性破碎岩石在侧限受压过程中应力与应变均呈非线性关系;根据破碎岩石的应力-应变特征将破碎岩石的压缩变形过程划分为快速压密阶段、缓慢压实阶段及稳定压固阶段。随着轴向压力逐渐增大,破碎岩样的大颗粒骨架破坏、中等颗粒移位滑动、小颗粒填充孔隙;不同岩性的应变与应力呈正相关关系,孔隙率与应力呈负相关关系,组合岩性岩样介于单一岩性岩样之间;不同单一、组合岩性比例与破碎岩样分形维数呈指数函数关系;基于压实变形声发射测试试验结果将破碎岩石压缩过程划分为滑移流动变形阶段、压裂变形填充阶段及压密弹性变形3个阶段;不同阶段破碎岩样的累计计数及累计能量曲线均表现出阶段性的变化特征,随着应力增加,前期声发射累计振铃计数及累计能量表现...     

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。     

充填矸石粒径级配方案确定试验研究

根据某矿矸石充填要求,对破碎矸石散体进行了人为的粒度分级;通过对不同粒径级配的破碎矸石进行压缩试验,得出了矸石散体的压缩规律,确定了适合该矿矸石充填的粒径级配方案;试验研究认为:小粒径矸石含量占50%、中粒径矸石含量占30%和大粒径矸石含量占20%的粒径搭配方案较优,实际充填时可在此粒径搭配的基础上,适当提高小粒径矸石含量,减小大粒径矸石含量。     

充填矸石粒径级配方案确定试验研究

根据某矿矸石充填要求,对破碎矸石散体进行了人为的粒度分级;通过对不同粒径级配的破碎矸石进行压缩试验,得出了矸石散体的压缩规律,确定了适合该矿矸石充填的粒径级配方案;试验研究认为:小粒径矸石含量占50%、中粒径矸石含量占30%和大粒径矸石含量占20%的粒径搭配方案较优,实际充填时可在此粒径搭配的基础上,适当提高小粒径矸石含量,减小大粒径矸石含量。     

基于不同级配下的碎矸体压缩变形试验分析

煤矸石在粒度构成上是属于粗粒土范围的散体介质。为了获取碎矸体充填对煤柱的变形影响结果,将碎矸体筛选为单粒径矸石、不连续级配矸石和连续级配矸石3种,对不同级配矸石进行了轴压、侧压试验研究。试验结果表明:轴向压缩中,单粒径小于5 mm,不连续级配M5含量30%和连续级配n=0.4时的矸石压缩性能最好,压缩拟合曲线可用函数y=A_1×exp(x/t_1)+y_0描述;轴压与侧压的关系函数为y=Bx,且不连续级配矸石的侧压普遍较高,能更好地对煤柱产生侧向挤压;在压缩率与应力差分析中,三参数与M5的关系函数为y=B_0+B_1x+B_2x~2+B_3x~3,利用M5含量能确定不同级配矸石的应力应变。通过以上试验研究,为后期充填开采中碎矸体对煤柱的变形分析提供了理论支持。     

不同粒径级配矸石充填材料压缩性能试验研究

矸石充填材料的粒径级配对其压缩性能有较大的影响。将粒径100mm以下矸石进行分级,按照中等粒径占比基本相同、大粒径占比逐渐增大、小粒径占比逐渐减小的原则设计了6组不同粒径级配方案,在模拟200m埋深覆岩压力条件下,采用内径405mm钢制大容器装载高度为250mm的矸石充填材料进行了压缩实验。结果表明矸石充填材料压缩过程可分为初步压实、破裂压密和整体稳定压实3个阶段,压缩量随轴向压力增加呈幂指函数关系增长,压缩量增加速率随轴向压力增加而减小,相同压力下压缩量随试样中小粒径占比减小而增加。得出了本实验条件下矸石充填材料压缩量(S)与小粒径占比(p)的关系式:S=111.57-0.70p。     

固体充填开采中的矸石粒径级配优化试验

针对原生矸石级配较差、在固体充填过程中压缩量大、充实率低等问题,采用理论计算、实验室试验和数值模拟等研究方法,对固体充填开采中矸石粒径级配优化进行了研究.通过分析应变随级配系数的变化规律,得到4种变形最小的级配组合.进一步分析压实破碎前后粒径变化规律和变形模量与应力之间的关系,得出级配组合为D=30 mm,n=0.3时...     

可缩柱自适应墩柱充填石料连续级配压缩性能试验研究

为了研究可缩柱自适应墩柱充填石料连续级配压缩性能,为其选取最优级配方案,在实验室进行了石料压缩试验。以泰波理论为依据,并辅以声发射技术以及静态应变测试系统,对不同级配下石料压缩率与轴压、钢桶侧向微应变及声发射情况进行研究。试验结果表明:可缩柱自适应墩柱充填石料连续级配压缩过程可大致分为初步压实、破裂压密和整体稳定压实3个阶段;当泰波系数n=0.6时,级配增压最快且级配石料在钢桶内形成的结构最稳定,钢桶侧向膨胀也较小,级配效果最好。     

三点弯曲作用下不同粒径组成的类岩石材料声发射特性试验研究

为探讨粒径组成对三点弯曲受拉破坏材料的声发射(AE)特性的影响规律,制备了4种粒径的类岩石材料试件,分别进行三点弯曲声发射试验,分析了各试件加载过程中的力学特性和声发射特性。研究表明:类岩石材料的三点弯曲荷载-位移曲线经历非线性和近似线性2个阶段;随着粒径的减小,峰值荷载和到达峰值荷载时的声发射累计事件数均呈增大趋势,声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r的最大值也呈减小趋势,说明粒径越小产生相对高能量的声发射事件越多,振铃计数的关联维数D值变化幅度呈减小趋势,同时,到达最低点时的相对荷载水平越高。r值升高后再次降低到持续的低值阶段为孕育主破裂阶段,可将D值的最低值作为主破裂前兆点。     

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。     

不同应变率下岩石破裂与声发射响应特征研究

为揭示冲击倾向性砂岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,基于MTS岩石力学试验系统与PAC声发射信号采集系统,试验研究了不同单轴应变率作用下岩石损伤演化与声发射参量响应特征。研究表明,随着加载应变率增加,岩样极限强度明显提升,峰值强度对应应变值整体降低,达到峰值强度所需时间随应变率呈幂函数减少。应变率与AE累计撞击数、事件数、振铃数之间具有显著的负幂函数关系;相反,应变率越高,微裂隙在发育、扩展过程中所释放的AE平均能量越高。     

基于尺寸效应的砂岩巴西劈裂声发射特征试验研究

利用SAW-2000岩石伺服压力机和SAEU2S声发射监测系统,对5组厚径比一定,直径不同的砂岩圆盘试样进行巴西劈裂试验,并对加载过程中的应变、声发射参数进行分析。结果表明:在试样同厚径比的条件下,试样的抗拉强度与试样直径符合一定的函数关系,岩石巴西劈裂的抗拉强度随尺寸的增大而减小,当尺寸达到某一阈值时强度趋于稳定;岩石巴西劈裂过程中尺寸效应对声发射(AE)能量的释放影响明显,小尺寸试样AE累计能量与时间的曲线呈现多个"台阶形"变化,随着试样尺寸的增大,AE累计能量与时间曲线前期变化平缓,临破裂前出现激增。     

矸石充填材料侧压系数影响因素试验研究

破碎矸石在压缩过程中的侧压系数是固体充填沿空留巷工作面巷旁支护体设计的关键参数。然而以往研究中大多使用经验参数,与现场实际情况差别较大。基于此,本文在破碎矸石压缩试验的基础上,采用颗粒流数值模拟软件,通过三维扫描重构矸石颗粒并建立数值模型,确定破碎矸石颗粒流细观参数,并研究颗粒级配、加载速率对破碎矸石压实特性和侧压系数的影响规律。结果表明:破碎矸石压实过程可分为初始压密阶段、承载能力增长阶段和应力-应变线性阶段3个阶段;破碎矸石侧压系数随着压实的不同阶段不断增长,在应力-应变线性阶段趋于稳定,稳定值在0.35～0.40;加载速率增高,能够提高破碎矸石早期承载能力,同时降低早期侧压系数,但在应力-应变线性阶段加载速率对破碎矸石压实特性影响较小;矸石颗粒级配中粒径较高时,矸石轴向承载能力降低,同时侧压系数降低。研究成果可为充填开采无煤柱沿空留巷参数设计提供理论依据。     

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。     

矸石充填材料压缩仿真实验研究

采用大容器、大粒径、大载荷和仿真煤体条件,进行了23个方案模拟矸石压缩实验.总结了压缩过程中应力应变关系曲线和轴压侧压关系曲线的形态及其特征;得出了压缩率与粒径尺寸成正变、与侧压成反变的规律;分析了压缩率、侧压与煤体强度、矸石粒径及其级配之间的相互关系,揭示了充填材料级配优化提高充填效果的机理.     

突出煤样声发射特性及发射源试验研究

运用MTS 815岩石力学试验系统和PCI-2全数字声发射监测系统对具有突出倾向煤体制备的型煤试件单轴压缩和循环加载过程中的AE特征进行了试验研究,利用扫描电镜和数值模拟软件分析了声发射事件的来源.结果表明:单轴压缩过程中,随着煤样变形的增加,AE各参数呈上升趋势,在屈服阶段的后期出现最大振幅和最密集AE事件区,预示试件将发生破坏;AE事件累计曲线和振幅变化曲线与单轴压缩应力应变曲线相似,可在现场用以判定煤体失稳与破坏;随循环载荷作用次数的增加,AE事件及其能量呈现递减趋势;在卸载阶段无AE事件出现.四种微结构变化是煤样产生声发射事件的源.     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

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。