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。     

采场充填体单轴压缩变形及声发射特征

为揭示采场充填体变形及声发射特征,针对石人沟铁矿采场充填体开展了单轴加载的声发射试验。结果表明:充填体试件变形破裂过程分为压密线弹性、塑性屈服、应变软化、塑性破坏四个阶段;声发射特性参数随加载的进行呈现出阶段性变化的特点,能够很好地反映充填体在压缩破坏过程中的内部结构变化及损伤破裂情况;充填体单轴压缩破坏形态以张拉破裂为主,剪切破裂为辅,声发射特性参数RA、AF值分布规律能够反映充填体破坏裂纹演化机制。     

不同加载速率下露天端帮胶结充填体的变形破坏试验研究北大核心

为了揭示加载速率对废石胶结充填体变形破坏特征的影响,开展了5组加载速率下废石胶结充填体的单轴压缩试验,分析其力学特性、破坏模式和能量耗散的变化。结果表明:废石胶结充填体的峰值强度和弹性模量与加载速率分别呈正线性相关和二次函数增长关系;随着加载速率的增大,充填体试样的破坏模式由张拉劈裂破坏转向剪切破坏,且加载速率越大,破坏程度也越大;结合能量演化特征,废石胶结充填体均经历压密、线弹性、裂纹稳定扩展、裂纹加速扩展和峰后应变软化衰减5个阶段;随着加载速率的增大,废石胶结充填体总应变能和弹性应变能的涨幅越来越大,耗散能的涨幅变小,弹性应变能占比增大,峰前塑性减弱。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

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。     

常规三轴加载下尾砂胶结充填体的力学特性及能量变化特征

基于室内常规三轴压缩试验,结合能量耗散原理,系统研究了质量浓度及围压的变化对尾砂胶结充填体力学性能及能量演化特征的影响规律。结果表明：三轴加载下,尾砂胶结充填体的变形破坏均经历了微孔隙、裂隙压密阶段(OA)、线弹性变形阶段(AB)、屈服阶段(BC)及应变硬化阶段(CD);充填体的峰值应力随着质量浓度或围压的增加而不断增大,其中一次函数能够很好的表达围压与峰值应力间的关系;充填体的残余应力及弹性模量随着围压的增大基本遵循一次函数和指数函数递增规律,且质量浓度的增加也有利于提高充填体的残余应力及弹性模量;充填体的裂纹分布密度均随着质量浓度或围压的增加而降低,说明围压或质量浓度的提高均能够有效的提高充填体的抗变形破坏能力;三轴加载下,充填体的总能量、弹性应变能及耗散能均随着围压或质量浓度的增加而增大,并且围压与各能量间的关系符合二次函数模型。     

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能,利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验,并监测加载过程中的声发射参数,对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明:拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致,但也存在一定差异,压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大,峰后阶段历时短,破坏剧烈;拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致,低幅值(40～60d B)较多,高幅值较少,且比例随着幅值的增大而减小,二者呈幂函数关系,以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段;拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致,裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件,裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件,非稳定扩展阶段快速产生声发射事件,出现声发射丛聚现象;峰后阶段存在一定差异,压缩下较劈裂下产生速度快;拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,但剪切破坏出现时间不同,压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段,而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。     

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。     

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。     

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。     

轴向静载压缩作用下深部砂岩的变形破坏规律

为探究深部砂岩的变形破坏规律,建立塑性区发育、裂纹扩展情况和声发射特征之间的关系。以深部砂岩岩样为研究对象,开展轴向静载压缩声发射试验,并采用数值模拟分析岩样塑性区和内部裂纹的演化规律。研究结果表明：内部能量密度在压密和弹性阶段耗散比较平稳,塑性阶段耗散能逐渐增大,在破坏前瞬间全部释放。塑性区、裂纹和声发射特征间具有很强的关联性,压密阶段振铃计数、能量均是先增大后减小,弹性阶段前处于平静期,塑性区和微裂纹均从岩样两端侧面出现。弹性阶段,振铃计数和能量继续增大,后者涨幅大于前者,塑性区沿对角线向内发育,裂纹数量增多。塑性阶段,振铃计数持续增大,能量激增,塑性区向外发育。破坏阶段,振铃计数和能量均出现激增,模拟试验为“y”状剪切裂纹,与实际破坏裂纹形态一致。     

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。     

单轴压缩下低温冷冻原煤的变形及声发射特征试验研究

分别对自然和自然饱水状态下冷冻处理后及未经冷冻处理的煤样开展单轴压缩声发射试验,分析了煤样的强度及变形特征,并对加载过程中的声发射特征与损伤演化规律展开分析。研究表明:低温冷冻后自然和饱水煤样的抗压强度会降低,分别降低13.93%和25.02%;其变形特征和撞击率演化规律基本不变,但压密阶段应力-应变曲线斜率会降低,且最大撞击率会出现增高,分别增加10.20%和22.45%;3种状态下煤样损伤演化规律依次可分为初始损伤阶段、损伤缓慢阶段、快速损伤阶段和峰后损伤阶段,但低温冷冻处理后峰后损伤阶段明显缩短;低温冷冻处理后煤样在峰值载荷处损伤演化明显不同,自然状态下呈多级台阶上升;而冷冻处理后呈单级台阶上升,损伤增长较快,对应破坏越剧烈,煤样破碎程度越高。     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...     

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。     

特厚煤层矸石充填控制岩层变形特性研究

为研究特厚煤层在矸石充填下岩层变形特性,以某矿矸石为充填材料,采用侧限压缩试验研究其在压应力下的变形特征,并采用FLAC^3D建立数值模型,将侧限压缩试验中压实8 MPa的矸石的弹性模量应用至数值模型中,对比分析充填和未充填两种开采模式下的岩层的受力及变形。研究结果表明,矸石充填体变形特征表现为随着载荷的持续增加应变量逐渐增加,且两者呈现对数函数关系,应变量前期变化明显,后期逐渐减小;矸石充填开采后,对比未充填时岩层的位移量明显减小,且应力在岩层中分布更加均匀。试验和模拟结果均表明,矸石的压密致使充填体的变形趋于稳定,从而可以承担上部压力。     

矸石山岩体的抗剪特性试验研究

对李家壕煤矿矸石山进行实地勘察选点,对不同排弃时间段的矸石岩体进行原位剪切试验和室内大型剪切试验,分析了相应试验的矸石岩体剪切应力-剪切位移曲线规律,计算了不同压力级别下的峰值抗剪强度,并结合Hoek-Brown岩体强度准则分析黏聚力和内摩擦角试验值。结果表明：矸石的排弃时间越长,外部载荷影响次数越多,所处矸石山边坡堆积层位高度越低,矸石块体的胶结情况就越好,则矸石岩体滞后达到峰值强度,其抗剪强度就越大|原位剪切试验中矸石岩体呈剪切型摩擦剪切,与大型剪切试验的矸石块体剪切应力-剪切位移曲线都呈一定的线性规律,表现出峰值强度前阶段,随着剪应力的增加,以明显的弹性剪切变形为主|矸石原位剪切试验的黏聚力和内摩擦角都比大型剪切试验值大,Hoek-Brown岩体强度准则估计的黏聚力值都比试验值偏大,而内摩擦角估计值和试验值较为接近。该成果可为今后研究矸石岩体抗剪特性及矸石山边坡稳定性分析提供参考。     

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压（3.2、9.6、16.0、22.4 MPa）下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现：静水围压阶段,AE信号主要产〖JP2〗生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。