接顶对充填体-围岩相互作用影响的声发射监测试验

运用相似原理,进行充填体与围岩相互作用的室内试验,借助声发射仪进行声发射点定位、声发射振铃数、声发射能量等相关数据的监测,引入强度占比系数和损伤变量,提出建立损伤变量与强度占比系数的关系,表征充填空区未接顶、接顶、接顶(充填厚度大小改变)三种工况的内部损伤及整体稳定性。同时借助超声波仪测试三种工况加载破坏前后的声波值变化。结果表明,充填空区未充填接顶时,在加载作用下,声发射点主要发生在充填空区界面以及充填体与围岩的接触面。当充填空区充填接顶后,声发射点主要发生在充填体与围岩接触面。当充填区面积减小时,增大了围岩的整体稳定性,声发射点主要发生在充填体存在区域。相较未接顶,充填空区接顶充分的充填体-围岩共同体的储能能力更强,相应的抵抗应力集中产生的内部破坏及能量释放的能力也更强。     

胶结充填体与围岩复合体的力学特性

为保证充填采场安全和矿石的连续高效开采,需要研究不同强度时期充填体与围岩相互作用规律及其对充填采场稳定性的影响。本文首先选用工业石蜡作为接触带材料模拟早期强度充填体,并考虑接触带区域应力环境的复杂性,模拟围岩与早强充填体接触区域的非均匀受力情况。为有效表征接触带区域破坏稳定情况,实现从定性分析到定量评价转变,在围岩和早强充填体的接触面放置PVC塑料薄片,结合显微成像、电镜扫描、声发射监测和应变值监测等手段,开展不同荷载作用下围岩与早强充填体相互作用室内试验研究,监测分析胶结充填体与围岩复合体的应变变化、裂纹扩展和变形演化及稳定破坏情况。试验结果表明：加载过程中,接触带区域的变形增长较快,应变值起伏变化较大,突变现象明显;加载之后,模拟接触带的石蜡存在三种不同情况的损伤特征,一是螺旋式损伤破坏,二是类平行式损伤破坏,三是交叉损伤破坏,而接触带附近的表壁监测点应变值呈现稳定递增趋势。研究结果揭示了充填体与围岩复合体在荷载作用下的力学特性,有利于指导早强充填体下采场的稳定性,也实现了表壁裂纹扩展和内部损伤破坏之间的同步表征。这为进一步研究充填体与围岩复合体在二维和三维荷载作用下的力学特性研究提供了研究思路。     

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。     

单轴加载下充填体声发射特征研究

为探究采场充填体在单轴加载条件下,声发射信号与充填体裂纹细宏观动态信息的关联性,开展全尾砂胶结充填体的声发射力学特性试验。研究表明:充填体加载破坏过程可细分为5个阶段,各阶段声发射特性曲线的动态起伏变化与充填体裂纹的时空演化基本契合。声发射特性曲线呈"单峰"型,曲线峰值出现主导充填体全面破坏的"X"型主裂纹,结构面剪切滑移破坏,振铃计数频发,能量"井喷式"释放。破坏末段,小破坏事件偶发、间隔期延长,声发射事件保有活力。该研究结果为充填体失稳及前兆破坏研究提供了一定理论依据。     

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。     

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。     

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...     

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。     

充填体接顶质量对综放沿空留巷围岩变形的影响

针对潞安矿业集团常村煤矿 S2 - 6 综放工作面沿空留巷工业性试验中的具体情况 ,对充填体强度和接顶时间的不同 ,导致的沿空留巷围岩变形特征的差异 ,进行了实测分析。结果表明 ,充填体强度越高 ,初凝时间越早 ,接顶效果越好 ,越有利于沿空留巷围岩的稳定。     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

充填体接顶质量对综放沿空留巷围岩变形的影响

针对潞安矿业集团常村煤矿S2-6综放工作面沿空留巷工业性试验中的具体情况,对充填体强度和接顶时间的不同,导致的沿空留巷围岩变形特征的差异,进行了实测分析。结果表明,充填体强度越高,初凝时间越早,接顶效果越好,越有利于沿空留巷围岩的稳定。     

高瓦斯矿井沿空留巷巷旁“组合”充填墙体技术研究

高瓦斯矿井中沿空留巷,由于巷旁充填体接顶不严,易出现巷道新鲜风流进入采空区引起煤层自燃和采空区瓦斯泄露等安全事故。基于此问题,提出构筑巷旁柔模"组合"充填墙沿空留巷技术,"组合"充填墙上层采用高水材料构筑作为接顶层,下层采用混凝土构筑作为支撑层。以漳村煤矿2603工作面为工程背景,通过建立沿空留巷力学模型计算巷旁充填体切顶阻力,对"组合墙"不同强度、宽度和分层高度条件下围岩及充填体的稳定性进行数值模拟分析,从而确定最优的"组合"充填墙参数。现场监测结果表明:巷旁"组合"充填墙有效地控制了留巷瓦斯浓度和围岩稳定性。     

冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重,具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质,在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏,其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律,以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备,模拟煤岩所处高应力环境及动载条件,通过对比不同围压下的静载破坏试验,一定应力水平下动载诱发试验,不同应力阶段动载加载试验,分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明:与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显,其破坏程度更加严重,并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏;声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定,超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加,破坏后释放更多能量;煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段,动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。     

单轴压缩条件下岩石试样声发射特征研究

借助加载控制系统和声发射检测系统,对某矿煤层顶底板砂岩试样进行单轴加载,同时利用声发射检测设备同步进行监测,从而获得砂岩试样在单轴加载条件下的声发射振铃总计数、振铃计数率、各通道幅值、能量、能量率、幅值等声发射特性参数。结果表明:试验砂岩结构组成单一,强度高且表现为脆性;试样的AE能率与声发射事件率吻合,AE能率在岩石破坏前的声发射相对平静期更加明显;相对平静期的特征点可作为岩石破坏的前兆特征点,岩样相对平静期特征点的应力强度百分比为90%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。     

空场人工点柱替换原生矿柱回采技术及工艺

针对采用空场法开采的矿山采空区内原生矿柱回采技术难题,采用人工矿柱替换原生矿柱的残矿资源回收方案。其实现方法是:通过对原生矿柱开采前的空区稳定性数值模拟分析,反演空区允许的极限暴露面积,据此作为人工点柱布置和参数计算依据。为保证人工矿柱的稳定性,对倾斜底板进行台阶削平处理,并以三角形结构布置底座钢筋。采用井下废石砌筑人工点柱外墙,利用矿山已有的全尾砂胶结充填系统充填点柱内芯,待充填体沉缩凝固形成一定强度后,再以预制楔形体结合混凝土泵送充填联合接顶的工艺充填接顶,确保人工点柱的强度及有效接顶。     

胶结充填体超声波波速损伤演化试验

胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律对其稳定性控制具有重要意义。为了研究胶结充填体损伤演化规律,运用损伤力学理论,构建基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程;结合超声波监测试验,研究胶结充填体在荷载作用下损伤演化与超声波波速之间的关系;通过声发射试验,结合试验所得声发射能量以及振铃次数,验证胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律。研究表明:胶结充填体的超声波波速值曲线、损伤值曲线以及基于声发射的能量、振铃次数曲线均与应力—应变曲线变化规律吻合,基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程能较好地表征充填体损伤演化规律。研究结果可为胶结充填体矿柱的稳定性控制提供理论指导。     

沿空留巷下位岩层断裂特征数值模拟及控制技术研究

为解决沿空留巷直接顶松软破碎,严重影响基本顶和沿空留巷稳定性的问题,以新元煤矿3414工作面为研究对象,建立UDEC Trigon模型,通过模拟不同支护条件下沿空留巷下位岩层断裂特征,分析其对围岩稳定性的影响。数值模拟发现,沿空留巷围岩以剪切裂隙为主;充填区顶板张拉裂隙较为发育,是沿空留巷围岩控制的薄弱环节;沿空留巷下位岩层沿充填体外侧断裂,抑制了剪切裂隙在实体煤帮发展,增加了巷旁充填体和实体煤帮的承载结构的稳定性。工程实践表明:采用高预应力、高刚度锚索及时支护充填区直接顶的围岩综合控制技术,沿空留巷下位岩层沿充填体外侧断裂,巷道围岩顶底板最大变形量为900 mm,两帮最大变形量为800 mm,能够满足通风和瓦斯排放的要求。     

充填体—边界介质组合体剪切力学特性与参数分析

充填体—边界介质组合体接触面的剪切力学特性与参数是研究充填采场应力分布与充填体揭露稳定性评价的基础数据。通过室内直剪试验与RFPA^3D数值模拟试验联合手段,对3种灰砂配比(1∶4、1∶8和1∶20)、4种接触面法向应力(50 k Pa、100 k Pa、150 k Pa和200 k Pa)的充填体—边界介质组合体(充填体—围岩、充填体—矿体、胶结充填体—非胶结充填体)的剪切力学特性与声发射特征、黏聚力和内摩擦角参数变化规律进行了分析。结果表明:随灰砂配比降低,充填体—围岩组合体峰值剪切强度减少,破坏模式由脆性变为延性,破坏形态由颗粒粘连、块状粘连到凸起体尖端被剪断。灰砂配比1∶4组合体发生破坏时剪切应力垂直下降,振铃计数率突然骤增,其他阶段振铃计数率相对较小。灰砂配比1∶8和1∶20组合体从裂隙压密到破坏阶段,声发射振铃计数率密集,剪切过程中有明显剪胀变形;充填体—边界介质组合体接触面的峰值剪切强度随法向应力、灰砂配比降低而减少。胶结充填体—围岩接触面峰值剪切强度略小于胶结充填体—矿体强度,胶结—非胶结充填体组合体峰值强度远小于胶结充填体—矿岩组合体,接近非胶结充...     

静动组合三轴加载煤岩强度劣化试验研究

基于煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射检测,对彬长矿区某矿煤岩进行高应力下不同频率动载试验,研究煤岩动载诱发后破坏机理与强度劣化规律。结果表明:煤岩动载扰动后强度劣化明显,峰值强度、应变与动载频率呈负相关;动载扰动后煤岩内部裂隙进一步发育,提前进入屈服变形;煤岩破坏首先从内部开始,逐渐延伸至表面,破坏形式由剪切破坏变为横向拉伸破坏。声发射定位点由中心向外部扩展,大量分布在煤岩表面,与煤岩裂隙发育区域及主要破坏方向基本保持一致;声发射能量事件主要发生在动载加载初期阶段及峰值阶段且峰值阶段达到最大,能量与煤岩应力水平呈正相关,破坏后能量迅速回落。煤岩动载结束后继续静载加载到其动载最大应力阶段前无声发射能量事件产生,发生明显凯泽现象;临近峰值破坏阶段声发射能量迅速回落,此特性可作为预测煤岩破坏的前兆。     

回收大巷煤柱工作面过空巷围岩破坏机理和控制技术

为解决回收大巷煤柱条件下综采工作面过空巷时,易造成压架、工作面中部大面积冒顶和煤壁稳定性的问题,以鄂尔多斯纳林庙二号矿井6^-2116综采工作面过8号联巷为工程背景,采用理论分析、FLAC^3D数值模拟、现场工程实测相结合的多重手段分析了6^-2116综采工作面围岩破坏机理;基于理论分析,确定了充填体强度应大于5.17 MPa,能够保证工作面顺利通过联巷,充填体可以维护空巷围岩的稳定性;通过FLAC^3D数值模拟,确定了充填体强度10.5 MPa最为合适;经过现场工业性试验综合对比了煤粉-水泥填充木垛接顶、高水速凝材料填充、锚索+工字钢棚支护等方法对围岩控制的优劣性,最终确定以煤粉-水泥充填木垛接顶的支护方式,这种方法支护效果与高水速凝材料强度基本一致,能够最大限度地节约充填支护的成本,同时也能够减少顶板中部的下沉量,大巷与联巷交叉处煤壁帮部也保持了稳定,能够有效保证综采工作面正常推进。