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。     

考虑接触面倾角的充填体—围岩组合体能量特征分析

为研究充填体—围岩组合体能量特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概 化出接触面非线性特征下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验对包括 7 个角 度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2 种灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)充填体—围岩组合试块的变形、声发射特征和能量耗散特 性进行了系统分析。 结果表明:接触面倾角 0°、15°和 30°时,组合体破坏发生在充填体区域;接触面倾角 45°和 60°时, 组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象;0° ~ 60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点 小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯状现象明显。 接触面倾角 75°和 90°组合体破坏发生在充填体、接触面和围岩区 域,破坏过程声发射能率表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑。 不同 接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随接触 面倾角增加逐渐减小。 峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。 能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”变 化规律,随接触面倾角变化,峰值个数和出现位置不同。 声发射累计能量和能量耗散率曲线斜率变化特征与组合体 试块破坏过程中裂隙发育、发展、贯通和失稳信息相关性好,可为组合体破裂预测提供有效前兆信息。     

不同层位砂岩单轴压缩过程中的声发射特征研究

利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,以余吾煤业3号煤层顶板不同层位的两组砂岩为研究对象,在单轴压缩条件下进行声发射实验。实验结果表明:A组砂岩达到峰值前的应力应变曲线近似于直线,达到峰值后直线迅速下降到零,B组砂岩的应力应变曲线先下凹再直线上升(斜率小于A组),达到峰值后,先保持一定承载力后才下降到零。初始压密阶段,两组岩样的声发射计数很少且能量很低;弹性阶段,A组砂岩的声发射事件略有增加,但能量、计数率和能率几乎为零,而B组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃;塑性阶段,A组砂岩的声发射事件逐渐开始活跃,B组砂岩发生片帮,声发射参数跳跃式增大;峰后破坏阶段,达到应力峰值时,两组岩样的声发射计数、能量、计数率和能率都达到最大值,B组砂岩峰后还有一定地声发射事件发生。两组砂岩的声发射规律差异可为判断声发射源和监测预报何处岩石失稳破坏提供参考依据,对提前做好防护工作减少灾害发生和未来进一步研究具有一定意义。     

加卸荷条件下胶结充填体声发射b值特征研究

为认识胶结充填体在外界扰动下的响应特征,进行了单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加-卸载过程中声发射b值特征。试验结果表明:在胶结充填体压密阶段,声发射b值先减小后增大;在弹性阶段,声发射b值随应力的增大而有序下降;经多次加卸载后,当加载应力不断接近峰值应力时,声发射b值持续大幅度减小。在卸载阶段,胶结充填体具有明显的声发射事件。当卸载始于压密阶段时,声发射b值是逐渐增大的;当卸载始于弹性阶段时,声发射b值在小范围内波动;当卸载始于胶结充填体临界状态时,声发射b值呈现"台阶"状上升。声发射b值数值表现出的不同特征,说明在加卸载过程中微破裂处于动态演化之中。     

沿空留巷巷旁充填材料选择及试验

通过对圆柱形试件、纯水泥砂浆试件、以及含矸率不同条件下的立方体试件进行抗压强度试验和试件压剪破坏全过程声发射事件动态监测。提出试件强度值的变化随着水灰比浓度的增加而有所降低,含矸试件强度要大于纯水泥试件;声发射的频数和能率与试件所受的荷载有某种关联,当应力逐渐增加时,试件的声发射频数和能率也逐渐增加,当应力在峰后逐渐降低时,试件的声发射频数和能率也逐渐降低。     

连续级配高强胶结充填体力学特性及破坏特征分析

充填开采技术不仅采出率高,而且能有效防止地表沉陷,维持采场稳定性,因此研究充填体受载时的力学特性与破坏特征具有一定的工程指导意义。开展了不同骨料粒径分布胶结充填体的单轴压缩试验和声发射监测试验,获得了粒径分布对充填体力学特性、声发射特征参数的影响规律及破坏特征。研究结果表明：随着泰波(Talbot)指数n的增大,胶结充填体的单轴抗压强度、弹性模量均呈先增大后减小的趋势,与峰值应变的变化规律相反。通过拟合分析得到充填体单轴抗压强度与Talbot指数n呈二次多项式关系,Talbot指数n在(0.4～0.5)间抗压强度达到最优。任意Talbot指数下,充填体在加载过程中声发射计数和能量均经历3个阶段：声发射平静期、低幅增长期和高幅增长期;充填体裂纹起裂应力和损伤应力随着Talbot指数的增大呈先增加后减小的趋势;裂纹起裂应力为峰值应力的31%～45%,损伤应力为峰值应力的74%～96%,两应力与峰值应力比值随Talbot指数无显著规律性变化,受自身性质影响较大。从宏、细观角度分析不同Talbot指数的胶结充填体的破坏模式,发现两者特征基本一致;不同骨料粒径的充填体试样的内部孔隙、裂隙等微观结...     

不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α>45°的煤样。α>45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α>45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射...     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强;含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著;声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

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。     

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。     

单轴压缩条件下尾砂胶结充填体的损伤变量与比能演化

为探究充填体单轴压缩过程中损伤变量D、比能演化及二者间的关系, 以大冶铁矿灰砂比1∶6的充填体为研究对象, 开展了单轴压缩及声发射监测试验, 计算损伤变量D、总比能U、弹性比能Ue及耗散比能Ud。结果表明, 充填体的损伤过程可划分为初始损伤(OA')、损伤稳定发展(A'B')、损伤快速发展(B'C')和损伤破坏(C'点以后段)4个阶段, 分别对应压密(OA)、弹性(AB)、屈服(BC)和破坏后(C点以后段)等阶段。损伤变量D在OA段、AB段、BC段和C点以后段分别呈快速增长、缓慢增长、急剧增长、缓慢增长;总比能U和弹性比能U_d不断增大, 且增长速率逐渐加快, 耗散比能U_e先增大后减小。OA'段, U、U_e和U_d均缓慢增长;A'B'段, U、U_e增长较快, U_d增长较慢;B'C'段, U、U_d快速增长, 而U_e增长速率逐渐下降;C'点以后段, U、U_d先快速增长后急剧增长, 且U_d增长速率更高, 而U_e先缓慢下降后急剧下降。试验充填体U_d随D呈指数增长。     

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。     

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验。研究表明：①相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势,当轴压为静载强度40%时达到最大动态抗压强度;②动静组合加载下充填体应力—应变曲线主要分为弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段,弹性模量随轴压的增大呈先增大后减小趋势;③轴压作用下,充填体破坏模式为剪切破坏,冲击波经不同传递路径或不同角度传递至充填体时,破坏模式仍为剪切破坏,无轴压作用时,充填体破坏模式为劈裂拉伸破坏。④利用ANSYS/LS-DYNA模拟动静组合加载下充填体冲击过程,得到冲击波直接或经花岗岩间接作用于充填体时,最大应力峰值出现时刻基本相同,应力大小差异较大,在充填体内应力波衰减量为20%,经花岗岩间接作用于充填体时应力波衰减量为29%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

新型胶凝结构下全尾砂充填体配比决策模型

为改进全尾砂胶结充填体配比决策思路,选用新型胶凝材料制备试块,完成力学试验并进行理论分析。设置6组梯度配比全尾砂胶结充填体试块进行单轴压缩,依据试验力学参数及应力-应变关系曲线,建立全尾砂胶结充填体非线性强度模型。基于充填体配比及充填体压缩比能的关联,依据采场充填体与围岩能量匹配原则,建立全尾砂胶结充填体强度配比决策模型。实例验证表明,模型深度关联岩体参数及埋深,且与现场应用及客观规律相吻合,能便捷实现充填体配比的精细决策。