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。     

掺纤维分层胶结充填体力学强度特性试验

针对充填体胶结强度低和易开裂等问题，开展纤维类型、分层数对充填体单轴抗压强度的影响规律实验研究。结果表明：未掺纤维的充填体为张拉破坏，掺纤维充填体受压膨胀呈现鼓状，整体裂而不断，保持较高的完整性。分层面在一定程度上劣化了充填体力学性能，随分层面的增多充填体单轴抗压强度逐渐减小。添加纤维充填体在达到峰值荷载后仍具有一定承载能力，呈现“裂而不碎”的特征。通过对比聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈纤维三种纤维，添加聚丙烯腈纤维更有利于充填力学性能的改善。     

煤矿高浓度胶结充填体力学作用分析

随着煤矿充填开采技术的不断发展,充填体力学已成为充填开采的重要组成部分。通过测试不同石灰比条件下(分别为11∶3、10∶4、9∶5、8∶6)高浓度胶结充填体试样的单轴抗压强度,研究了充填体强度变化规律及其力学特性,并分析了充填体与顶板、侧向围岩及底板之间力学作用关系。     

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...     

阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度模型研究

利用普氏平衡拱理论、侧帮楔体滑动理论,构建阶段空场嗣后胶结充填体向临空面滑动的失稳模型,在考虑采场长度、高度、宽度、倾角、围岩和充填体自身材料力学特征、充填体与围岩接触面特性和爆破震动等影响因素的基础上,推导出胶结充填体在极限平衡状态下所需单轴抗压强度理论公式。以某地下稀土矿山为工程实例,开展需求强度设计、影响因素分析和充填配比试验研究,研究结果表明:采场宽12.5 m、高50 m、长40 m和倾角68°时,考虑1.5的安全系数后,充填体设计需求强度1.55 MPa;需求强度随采场长度、高度增加而增大,随采场宽度、倾角增加而减小;采场高度、宽度、倾角和长度对需求强度影响依次降低;推荐灰砂比1∶6、质量浓度78%的充填料浆,28 d抗压强度1.52 MPa,塌落度26 cm,流动度210 mm,流动性能较好,泌水率9.4%,不离析满足生产要求。     

含不同充填面倾角的胶结充填体力学特性及破坏模式试验研究北大核心

在大规模的采空区充填过程中,受限于充填站的连续造浆能力,多次充填导致充填面处易出现不同的倾角。为探究含不同充填面倾角的胶结充填体(CTB)的力学特性及破坏模式演化过程,制备不同养护龄期下含不同充填面倾角的CTB试件以及完整试件,采用WDW-20电子万能实验机进行单轴压缩试验。结果表明:1)含充填面倾角试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量均随着充填面倾角的增加呈现减小的变化趋势,而养护龄期的增加能够有效弱化充填面倾角所带来的结构效应。2)与完整试件相比,含充填面倾角的试件在孔隙压密阶段以及裂纹扩展阶段历时较短。在峰后破坏阶段,均表现出延性破坏特征,但随着养护龄期增加,延性破坏特征逐渐减弱。3)含充填面倾角试件的总能量、弹性应变能、耗散能和能量耗散率均小于完整试件。充填面倾角与总能量之间遵循线性函数关系、而与弹性应变能和耗散能之间遵循二次多项式函数关系。4)充填面倾角显著影响了CTB试件的破坏模式,随着倾角的增加,破坏模式演化过程为充填面处张拉破坏(0°、10°)→垂直充填面处张拉破坏(20°)→充填面处张拉-剪切破坏(30°),研究结论可为存在充填面倾角的充填体强度设计提供一定的理论参考。     

胶结充填体力学强度尺寸效应

本文通过尾砂胶结充填体配比试验,研究了尾砂胶结充填体强度与试样尺寸和几何形状之间的关系.试验研究结果表明:在相同条件下,胶结充填体强度在试验范围内,随试样尺寸的增加而减小,其呈非线性变化;不同尺寸与几何形状的胶结充填体试样强度之间的换算比例关系为:152mm充填体试样强度大致为72mm和85mm试样强度的3/4,为70.7mm立方体试样强度的3/5.     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

不同养护龄期下分层胶结充填体力学特性研究

为探究养护龄期对分层胶结充填体力学特性的影响, 对不同养护龄期下的分层胶结充填体进行了单轴压缩试验, 获得了分层胶结充填体的应力 应变曲线,分析了分层胶结 充填体的峰值强度、弹性模量及强度折减系数。结果表明: 分层胶结充填体与完整充填体具有类似的应力 应变曲线, 各养护龄期下应力 应变曲线均分为4个阶段,但是不同养 护龄期之间存在明显区别;分层胶结充填体的抗压强度和弹 性模量随养护龄期的增加而增加;各养护龄期下的分层胶结 充填体的强度折减系数均小于1,分层结构对其强度有明显 的弱化效应,随着养护时间的延长,这种弱化效应减弱,因 此,适当延长养护龄期有利于减弱分层效应。     

胶结充填体低温水化特征及其强度规律

针对甲玛矿充填用尾砂,在5℃条件下养护充填试块,开展了室内单轴抗压强度测试,对比20℃标准养护条件下充填体试块,开展了单轴抗压强度测试,结合测试结果开展了扫描电子显微镜（SEM）,分析了低温条件下充填体水化反应微观特征及其宏观强度规律,结果表明,低温充填体强度受温度影响明显,低温充填体内部水化产物晶格较小,分布离散,孔隙度大,宏观强度折减随水泥含量增加而增大,在砂灰比10～4范围,强度折减8%至28%。     

弱胶结砂质泥岩渐进性破坏力学特性试验研究

为深入揭示弱胶结砂质泥岩渐进性破坏力学特性,对干燥与自然状态砂质泥岩试样进行渐进性破坏单轴压缩试验研究。结果表明:与硬脆性岩石相比,该类岩石裂纹密度低,自稳能力差,峰前岩石体积膨胀变形过程延长,峰后变形破坏呈现局部阶段性塑性流动特征和延时效应,渐进性变形破坏过程持续时间显著缩短;岩石弱胶结特性表现为:1峰前重要应力门槛值与峰后残余应力明显劣化;2岩石刚度与抗变形能力弱化显著;3岩石宏观破坏特征是环向剪切破坏面、张性破坏面、剪切滑移面共同作用的结果,与裂纹渐进性演化特征、层理密集程度及强度相关;4干燥状态岩样力学特性与硬脆性岩石近似相同,含水状态岩样峰前重要应力门槛值、弹性模量、峰后残余应力具有不同程度劣化,侧向膨胀变形程度提高。巷道围岩治理应加强初次支护强度并及时补强,控制围岩张拉破坏与剪切破坏,提高围岩刚度和抗变形能力。     

基于P波模量的原位胶结充填体强度预测模型研究

原位胶结充填体质量评价通常采用单轴抗压强度作为表征指标,由于在现场工程中无法快速、准确获取充填体的强度值,因此需要建立一种参数易于获取且准确的原位胶结充填体强度预测模型。基于胶结充填体物理力学参数的内在联系,从量纲平衡的角度探索了胶结充填体单轴抗压强度与P波模量的关系。根据C矿和I矿两种原位胶结充填体的密度、P波速度及取芯强度的测试数据,采用线性拟合的方法获得了基于P波模量的原位胶结充填体强度预测模型。通过对C矿和I矿的强度预测模型拟合效果分析可知,P波模量与取芯强度呈正相关性,且拟合效果较好,证明原位胶结充填体强度预测模型精度高,具有很强的实用性。     

分层因素作用下充填体力学特性变化规律及破坏特征分析

井下尾砂胶结充填体多表现为分层数量多、分层角度小,因此研究分层因素对充填体力学特性及破坏特征的影响势在必行。通过对水平分层、角度分层充填体开展单轴抗压试验,实现分层因素与充填体抗压强度、割线模量间数量关系表征。研究结果表明：充填体抗压强度与分层数、分层角度,以及割线模量与分层数之间均呈指数型负相关,而割线模量与分层角度间更符合多项式函数关系;分层数对水平分层充填体强度的影响效果比固体质量浓度更显著,而角度分层充填体强度对固体质量分数的敏感度高于分层角度。分层充填体试样多表现为贯穿与半贯穿破坏,分层数对充填体破坏形态影响效果最显著,研究结果为矿山分层充填研究提供了理论基础和科学依据。     

尾砂充填料浆泌水特性及其对充填体影响研究

通常认为充填配比固定时,尾砂充填料浆浓度决定充填体强度,但该观点未考虑料浆泌水对充填体的影响.利用测试模具,测试并分析了不同配比与粒级组成的尾砂料浆泌水特性及其对充填体的影响.研究发现:1)少量水泥添加即可显著抑制料浆泌水,采用微胶充填可实现充填采场泌水控制.2)料浆泌水会显著降低不同初始浓度料浆间的浓度差.但泌水后各...     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

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。