基于声发射能量的尾砂胶结充填体损伤演化模型

尾矿胶结充填广泛应用于矿山管理采空区的生产活动中，也是实现绿色开采和安全生产的主要技术之一。本文基于声发射技术对尾砂胶结充填体进行了循环加载和卸载试验，分析了加载过程中声发射能量的演化趋势，定义了基于声发射能量的损伤变量，建立了基于声发射能量的尾砂胶结充填体损伤演化方程，探索了声发射能量与损伤能量释放率之间的定量关系。为矿区胶结充填体承载过程分析和失效预测提供了基础研究依据。     

充填体受压全程应力应变声发射特性研究

利用RMT-150C岩石力学试验系统与声发射监测系统对纯尾砂胶结充填体试件进行了无侧限单轴压缩实验,分析出充填体受压破坏的5个阶段,单轴抗压强度和到达极限强度的应变值,试件受压所能承受的最大应变。发现声发射活动由平静到活跃,最后又趋于平静的现象,在失稳破坏阶段声发射活动最为活跃,探究了声发射活跃的内在原因,同时分析了此阶段大能量事件产生的同时出现短期稳压状态的问题。结合应力应变研究了纯尾砂胶结充填体受压全过程的声发射特性。     

不同灰砂配比胶结材料组合体声发射特性EI北大核心CSCD

充填体是多相复合水泥基材料,被广泛应用于矿山采空区充填。为研究充填体在覆岩作用下的破坏规律,利用单轴压缩声发射试验研究不同灰砂配比的组合充填体受压条件下的声发射特性和材料裂隙演化。结果表明:尾砂占比对组合充填体的声发射特性存在显著影响,在破坏过程中组合充填体的声发射活动由冷缝及软弱面主导,并在试样79%~88%应力峰值时,声发射参数具有显著下降趋势;组合充填体在应力峰值前,声发射能量波动剧烈,b值平稳上升;应力峰值过后,声发射能量降低,b值迅速上升且剧烈地上下波动。利用声发射参数的变化规律可为充填体的破坏进行预测。     

灰砂比对尾砂充填体峰后承载阶段损伤演化研究

针对不同灰砂比对充填体残余损伤阶段损坏演化进行了研究,首先在试验机上进行不同灰砂比的全尾砂胶结充填体单轴压缩试验,得到不同灰砂比充填体在破坏过程中的应力-应变曲线,再运用损伤力学理论得出不同灰砂比充填体的损伤本构方程及损伤演化方程。分析实验结果可知:随着灰砂比降低,全尾砂胶结充填体峰值应力对应的损伤值降低;随着灰砂比增大,充填体峰后损伤值增大,即加快了充填体的破坏,但达到一定比例时,充填体损伤增长率降低,此时灰砂比抑制了充填体的破坏,临界灰砂比在1∶4~1∶8。     

不同含水率纯尾砂胶结充填体强度及损伤模型分析

以某金属矿山尾砂、水泥制备成的纯尾砂胶结充填体为研究对象,利用RMT-150C型液压伺服控制系统、传感器采集系统,通过单轴压缩方式进行不同含水率充填体试样变形破坏过程强度试验.试验结果表明:完全干燥状态的试样强度最大,不同含水率对充填体的强度具有明显影响,含水率越高,单轴抗压强度越低.在弹性阶段,水对充填体试样的弹性模量有很大的影响,干燥状态脆性较大,曲线斜率较大,而含水后出现明显软化;水的作用降低了粒间的黏聚力和摩擦力;单轴抗压强度与含水率的定量关系呈多项式下降.不同含水率充填体具有不同损伤特性,水对干燥充填体损伤发展有抑制作用,但含水充填体含水率的增加会促进损伤发展.     

胶结充填体受压性能的非均质细观损伤研究

基于细观力学,以灰砂比1∶8、料浆质量分数70%的尾砂胶结充填体为研究对象,建立满足Weibull统计分布规律的细观损伤演化方程和细观损伤本构方程,分析了不同均质度条件下的应力-应变曲线,并与实验曲线进行了比较。结合细观尺度破坏的数值计算,研究了胶结充填体细观损伤破坏机制。研究结果表明:建立的细观力学模型能够揭示充填体单轴条件下细观破坏机制;尾砂胶结充填体是一种低均质度的多项介质材料,峰值应力前具有明显的非线性特征,峰后残余应力具有持续降低特性;充填体的破坏是由细观单元损伤破坏导致的。     

选硫全尾砂胶结充填取得新成果

一种以选硫全尾砂作为矿山胶结充填骨料的新技术,日前在铜化集团新桥矿业公司取得突破性成果. 选硫尾砂以其含硫成份高,硫化矿物对胶结充填体破坏性强,特别是全尾砂又因综合粒度细,渗透性差,充填脱水难度大等原因,一直被国内外视为不良胶结充填骨料而很少开发利用.中南工业大学与新桥矿业公司组成联合技术攻关,通过在含硫高达10%左右的全尾砂中添加一定量添加剂(粉煤灰等)的胶结配比试验,发现添加剂不仅可替代部分水泥降低充填成本,而且还可有效阻止含硫矿物对胶充体的浸蚀作用.同时,粉煤灰的泌水率低,可大大缓解充填脱水难题,缩短充填体胶凝时间,提高胶充体强度.据实验室1∶6灰砂配比试验,28天充填体强度可达1.63MPa,90天可达2.0MPa以上,满足充填采矿的生产要求.该项成果的取得和应用, 不仅可使新桥矿实现充填骨料自给,降低井采充填成本,同时还为选硫尾砂的综合利用开辟了新途径. (吴大敏)     

新技术 新成果

选硫全尾砂胶结充填取得新成果　　一种以选硫全尾砂作为矿山胶结充填骨料的新技术 ,日前在铜化集团新桥矿业公司取得突破性成果。选硫尾砂以其含硫成份高 ,硫化矿物对胶结充填体破坏性强 ,特别是全尾砂又因综合粒度细 ,渗透性差 ,充填脱水难度大等原因 ,一直被国内外视为不良胶结充填骨料而很少开发利用。中南工业大学与新桥矿业公司组成联合技术攻关 ,通过在含硫高达 10 %左右的全尾砂中添加一定量添加剂 (粉煤灰等 )的胶结配比试验 ,发现添加剂不仅可替代部分水泥降低充填成本 ,而且还可有效阻止含硫矿物对胶充体的浸蚀作用。同时 ,粉煤…     

块石胶结充填体力学与声发射特性研究

借助块石胶结充填体单轴抗压声发射试验,分析试验得到的物理力学参数、声发射参数特征曲线间的关系,得到单轴抗压下充填体力学性能和声发射特性。试验结果表明:块石胶结充填体试件在峰值破坏后至完全破坏阶段呈现出塑-弹-塑性特性;试件在AB区段弹性波释放微弱,BC区段声发射振铃计数缓慢增加但无高能事件产生,表明主要发生弹性变形;CD区段出现较多高能量信号,表明此时试件已经接近破坏的峰值;DE区段高能量信号连续出现并且到达峰值,表明试件完全破坏并失去承载能力。     

金川矿山废石-铜渣尾砂混合骨料充填特性试验研究

针对金川龙首矿实施-12mm破碎废石粗骨料充填存在料浆分层离析的问题,开展了掺铜渣尾砂细骨料试验并对混合骨料的级配进行优化,通过对不同铜渣尾砂掺量的混合骨料级配特征分析、管输特性正交试验和充填体强度正交试验,结果发现:铜渣尾砂掺量为10%、15%、20%时混合骨料级配和密实度较好,细骨料掺量从10%增长到30%时,充填料浆的平均泌水率从13.71%逐渐降低到9.92%,泌水率降低效果明显。试验确定混合骨料中铜渣尾砂掺量为20%,胶凝材料添加量为290kg/m3,料浆质量分数78%,坍落度27cm,泌水率仅为6.1%,有效解决了粗骨料充填中的离析问题。     

充填体中全尾砂、江砂和水泥混合材料配比研究

针对某矿选厂的全尾砂硫含量较高,不利于充填体输送的问题,将江砂掺入胶结充填体的骨料中,并按不同的江砂与全尾砂比、灰砂比制备全尾砂、江砂和水泥的混合充填体料浆。通过全尾砂、江砂混合配比的可行性分析、单轴抗压强度试验、沉降性能与脱水性能分析,再结合该矿的充填能力与技术要求,最终确定最佳配比为:江砂与全尾砂比1∶4,灰砂比1∶8,料浆质量分数70%。     

风电叶片复合材料层间剪切破坏声发射监测

采用声发射技术对含分层缺陷风电叶片多轴向复合材料的层间剪切破坏实验进行实时监测,研究分层缺陷对复合材料层间力学性能的影响规律及其损伤破坏过程的声发射响应特征.结果表明,具有不同分层面积的两类复合材料试样破坏载荷相近,当分层缺陷位于剪切面中间位置时,分层缺陷大小对界面承载能力影响不大,损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两...     

细观尺度下充填体损伤演化元胞自动机模型研究

为模拟单轴压缩条件下充填体损伤破坏过程,直观反映其细观结构的演化规律,建立了细观尺度下充填体损伤演化的元胞自动机模型。借助SEM图像推演充填体破坏阈值的分布,并采用阈值反比加权法确定摩尔邻居吸收能量的比率,在此基础上利用元胞自动机模型对试样进行单轴压缩模拟试验。模拟结果表明,充填体的损伤是集随机性和确定性于一身的行为,加载初期试样的损伤呈现出整体无序性,随着加载步数的推移,试样损伤演化逐步向局部有序化发展,峰值应力后试样损伤再次呈现整体无序性。充填体的应力、损伤值的演化曲线与实际试验结果基本吻合,二者仅在数值上略有差异,模型精度较高,可为充填体损伤演化过程的模拟提供一种新的思路。     

全尾砂结构流胶结充填对地下水质影响的试验研究

为了探讨全尾砂结构流矿井胶结充填是否会对地下水质造成污染,用尾砂、水泥按4∶1的比例制成充填体试块在不同来源水样中浸泡。浸泡不同时间段后,分别取样进行水质监测。对照《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)Ⅲ类标准规定的含量限值进行监测结果分析。结果表明:全尾砂结构流胶结充填体试块放置21 d后分别被8种水样浸泡90 d后均不会对地下水水质造成污染,其用于井下空区充填是完全可行的。虽然pH值及Fe、Mn、Zn、Cr等离子含量出现起伏变化,但浸泡90 d后其溶液含量均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)Ⅲ类标准规定的含量限值,故不会对生产、生活用水产生不良影响。全尾砂结构流胶结充填使井下水中重金属含量有所下降,水质得到改善。     

废石-石粉混合骨料固结粉胶凝材料充填体强度试验研究

为了降低金川镍矿下向分层胶结充填的采矿成本,应用固结粉新型胶凝材料和废石粗骨料进行充填法采矿。针对废石粗骨料充填料浆存在的分层离析问题,以石粉作为细骨料,开展废石-石粉混合骨料的胶结充填体强度试验。首先,开展废石-石粉不同配比混合骨料的粒径级配分析;然后,针对不同石粉掺量,开展了混合骨料固结粉胶结充填体强度正交试验。通过对试验结果进行极差分析和二次多项式逐步回归分析,获得的充填料浆优化配比为:石粉质量分数30%、固结粉体积质量3 100kg/m~3、料浆质量分数80%;最后,对充填料浆优化配比进行验证试验。试验结果表明,废石-石粉混合骨料固结粉胶结充填体3d、7d、28d强度分别达到1.68MPa、3.06MPa、7.80MPa,满足该矿下向分层进路胶结充填强度要求,已在该矿山成功应用,获得了显著的经济、社会与环保效益。     

掺加粉煤灰混合骨料胶结充填体强度试验研究

为了解决金川矿山废石粗骨料充填采矿存在的分层离析技术难题,首先对该矿-12 mm破碎废石、-5mm棒磨砂及粉煤灰等充填骨料进行级配特征粒径分析。分析结果表明,3种骨料均不适合作为单一充填骨料;然后以粉煤灰作为细骨料,开展废石棒磨砂粗骨料掺合料的级配优化与胶结充填体强度试验,通过不同掺量粉煤灰替代混合粗骨料的胶结充填体强度试验,研究粉煤灰掺量与充填体强度和沉缩率的关系。试验结果表明,粉煤灰对充填体早期强度增长不利,对后期强度增长的促进作用明显,28d强度是3d强度的3.4倍,是7d强度的1.8倍。最终确定的充填料浆最优配比为:胶凝材料添加量为290kg/m~3,粉煤灰掺量为200kg/m~3,料浆质量分数为82%。     

岩石单轴压缩条件下不同变形阶段声发射特征研究

通过红砂岩单轴压缩声发射试验,基于裂纹扩展规律,将红砂岩变形破坏过程分为不同阶段,研究红砂岩不同变形阶段的声发射事件率特征和主频特征。研究结果表明:在压密阶段,声发射事件率先快速增大,随后逐步减小至接近于0,σcc对应于声发射事件率下降至接近于0的拐点;σcc~σci阶段声发射事件率保持恒定且接近0,σci后声发射事件率上升,σci为声发射事件率由恒定转为增加的拐点。在裂纹稳定扩展和非稳定扩展阶段,随应力的增加低主频声发射增多;峰后破坏阶段,声发射主频带变宽,有较多的高主频和低主频声发射产生。声发射事件率和主频均能反映声发射源的特征,通过声发射事件率和主频变化特征能粗略判断裂纹闭合应力和起裂强度。将声发射事件率和声发射主频进行联合分析,能更加全面地了解声发射源的特征,达到识别声发射源的目的。     

基于AE的碳纤维复合材料圆管轴向压缩性能研究

采用声发射技术对碳纤维复合材料圆管轴向压缩加载过程进行监测和记录,对压缩过程中的累积事件计数、能量、峰值频率和幅值等声发射特征参数进行了分析,结合压缩载荷曲线,研究了碳纤维复合材料圆管在轴向压缩载荷下的损伤过程和破坏模式。结果表明,声发射的典型特征参数可以与时间-载荷曲线的变化规律较好地对应,声发射信号的变化能反映不同破坏阶段的损伤形式以及不同种类试样的破坏特征,对于研究碳纤维复合材料圆管的轴向压缩性能具有参考价值。     

强化非胶结充填体脱水试验及其规律研究

非胶结充填体脱水固结是保证充填采场稳定的关键因素。以会宝岭铁矿非胶结充填体为研究对象,设计非胶结充填体脱水试验装置,对粗颗粒添加比例为0~50%的非胶结充填体开展自然脱水试验,研究非胶结充填体的脱水规律。研究结果表明,添加粗颗粒可以强化非胶结充填体脱水,非胶结充填体的脱水过程可分为加速脱水阶段、强化脱水阶段和稳定脱水阶段;脱水过程中尾砂颗粒在自重和动水力的作用下产生沉降,在充填体内部形成垂直的排水通道,发生等速率脱水,后期因粗颗粒和尾砂颗粒的干涉沉降与自重固结导致充填体出现分层现象,且粗颗粒添加比例越大分层现象越明显。引入尾砂流失量评价非胶结充填的脱水效果,最终确定最佳添加比例为30%。该结论为强化非胶结充填体脱水提供了可靠的技术支持。     

岩石微观能量演化与宏观力学行为的关联研究

通过三轴应力条件下大尺度岩石破坏声发射试验,得到了三类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)破坏全过程力学特征和声发射特征.试验过程中记录到大量的声发射信息,能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度.通过声发射速率过程理论分析,导出声发射累积能量释放的表达式,该表达式反映了岩石破坏过程中的损伤演化状况.此外,对三类岩石的损伤本构行为进行了研究.结果表明,该理论计算模型可以反映岩石类脆性材料的损伤本构行为,进而对其宏观力学行为进行描述.