不同纤维作用下尾砂胶结充填体早期力学特性及损伤本构模型研究

为了提高某金矿尾砂胶结充填体材料的稳定性,保障矿山采空区充填效果,对加入不同纤维(聚丙烯腈纤维(JBX)、玻璃纤维(BL)、聚丙烯腈和玻璃混合纤维(HJB))的尾砂胶结充填体的早期力学性能和损伤特征进行研究,通过单轴压缩试验得到了不同纤维作用下充填体损伤本构模型.试验结果表明:在不同纤维作用下尾砂胶结充填体单轴抗压强度...     

早期受载对矸石胶结充填体力学特性及损伤破坏的影响

为研究早期受载对矸石胶结充填体后期力学特性的影响,将养护7 d的试样进行4种应力水平加载,并持载28 d后,卸载进行单轴压缩试验,监测持载过程中充填体中超声波波速变化及单轴压缩过程中声发射响应特征,采用扫描电镜观测试样微观形貌。结果表明:早期受载对充填体力学特性影响显著,当早期承受应力水平小于80%时,荷载对矸石胶结充填体抗压强度和弹性模量均具有明显的强化效应,随着早期应力水平的增大,横向应变及泊松比整体呈指数型增长趋势,试样破坏形式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。持载过程中超声波波速呈明显的阶段性特征,早期承受高应力水平的充填体在单轴压缩过程中声发射活跃程度下降。早期荷载作用促进水泥水化反应,有助于充填体强度的提高。根据试验结果建立早期受载矸石胶结充填体在单轴压缩过程中的损伤演化模型,可以为充填体在结构充填中的设计提供依据。     

矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏尺寸效应研究

为了研究尺寸对矸石胶结充填体损伤破坏的影响,制备尺寸为70.7,100,150,200和300 mm的立方体试件进行单轴压缩试验,监测试件在受载过程中的声发射及电阻率变化,并采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,探讨不同尺寸矸石胶结充填体的损伤演化规律及破坏特征.结果 表明:矸石胶结充填体的单轴抗压强度随尺寸的增大而减小,...     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

不同含量玻璃纤维尾砂充填体损伤规律与围岩匹配关系

为提高三门峡罗山金矿采空区充填后的稳定性,对玻璃纤维质量含量分别为0%,0.5%和0.7%的尾砂胶结充填体损伤规律进行研究。通过单轴压缩试验得到不同含量玻璃纤维尾砂胶结充填体应力–应变曲线,并根据建立的损伤本构方程,分析充填体的能量耗散规律,得出其与围岩的匹配关系。研究结果表明：(1)在一定范围内,玻璃纤维的掺入提高了充填体的强度,降低了初始弹性模量。(2)掺入玻璃纤维能够降低充填体达到峰值应力时的损伤值,但随着其含量的增加,充填体损伤值达到极值的过程越缓慢。(3)得到了不同含量玻璃纤维充填体的峰值比能计算模型,进而得出充填体的峰值比能随着玻璃纤维含量的增加而增大。(4)以该矿山充填开采为背景,得到采空区埋深与充填体强度的匹配设计模型,可为矿山节约充填成本提供科学依据。     

充填体与岩体三维能量耗损规律及合理匹配

 根据灰砂配比为1∶4,1∶8,1∶10和1∶12的4种胶结充填体力学试验结果,揭示不同配比充填体三维损伤耗能规律。针对矿床开采岩体应力转移并释放能量特征,探索矿床开采过程中岩体三维能量释放规律。研究结果表明,矿体埋藏越深,开挖岩体释放能量越高;岩体弹性模量越高或泊松比越低,岩体释放能量越小。根据充填体与岩体耦合作用的三维能量耗损特征,探讨充填体与岩体的合理匹配,并用该匹配模型验证安庆铜矿采用最低充填配比1∶12开采矿石是可行的。研究发现,充填体与岩体的匹配系数K和三维原岩应力、岩体及充填体力学参数相关,不同开采技术条件必须设计合适的充填体抗压强度才能实现与岩体匹配。     

铅锌矿全尾砂胶结充填材料的强度研究

随着科学技术的发展,我国在采矿工艺上虽然在不断进步,但废弃的尾矿砂堆积和采空区塌陷依旧是矿山上的两大难题。为此,尾砂胶结充填技术已在各个采矿区普及。这种充填技术是将胶凝材料与废弃的尾矿砂均匀搅拌,配制成一定强度的充填材料固化体填充到采空区,从而减少尾砂库溃坝事故的发生,提升矿山的环境效益和经济效益。本文以铅锌矿全尾砂为骨料,偏高岭土和矿渣为一种价廉易得的掺合料取代部分水泥,提高尾砂利用率,节约水泥成本,来研究其长期的强度发展,结果表明,全尾砂-矿渣-水泥系胶结充填材料的长期强度发展较全尾砂-偏高岭土-水泥系胶结充填材料要好。     

基于混沌优化的高阶段充填体可靠性分析

对高阶段充填体进行了力学分析,推导了分层充填力学计算公式,用可靠性理论研究了高阶段充填体稳定性。考虑高阶段充填体可靠性分析的状态函数求导困难,提出了基于混沌优化的可靠性计算方法,为工程中复杂函数计算可靠性指标提供了一种新的方法。高阶段充填体力学研究表明:缩短采场长度和增大采场宽度有利于充填体稳定性和降低充填成本。为了评价高阶段充填体稳定性,分别在实验室配制充填料浆和采场取样试验了尾砂胶结充填体强度,分析了采场原位充填体强度与实验室试验强度的差异。研究认为:采用实验室力学参数进行充填设计,最小设计安全系数为1.6～1.8,最小可靠性指标为1.8～2.0比较合理。用本文方法对安庆铜矿3号高阶段采场充填体进行了可靠性分析,并评价了充填设计的可行性。     

碱化稻草纤维对尾砂充填体力学性能的影响

将经过浓度为4%的Na OH溶液碱化处理过的稻草纤维作为加筋材料用于尾砂充填体试件的制备,研究了灰砂比、碱化稻草纤维的长度和掺量对尾砂充填体试件抗压强度的影响,并借助扫描电镜（SEM）从微观角度分析了碱化稻草纤维的作用机理。结果表明：随着碱化稻草纤维掺量的增加,试件的抗压强度下降;随着碱化稻草纤维长度的增加,试件的抗压强度先增大后减小;未碱化稻草纤维对试件抗压强度的降低程度显著大于碱化稻草纤维;随着灰砂比的减小,试件的抗压强度降低。     

高寒地区废石破碎胶结充填体强度特性试验研究与工业应用

 胶结充填技术逐渐应用于低温高寒资源开发中,同时会产生充填体强度过低、塌方、冒落等一系列难题。以某金矿寒区开采为背景,通过试验对比,综合研究养护温度、水泥掺入量及料浆浓度对充填体性能的影响。在实现自流输送前提下,确定合理的废石破碎胶结充填配合比及养护温度。结果表明：与铁矿尾砂充填相比,采用废石破碎胶结充填具有明显优势,料浆浓度可以达到75%;低温阻碍了水泥水化反应的进行,养护温度越高,单轴抗压强度越大,提高养护温度有利于充填体强度的提升;养护温度对充填体早期强度影响较大,后期相对较小。提出废石破碎胶结充填拌合水预加热方案,并进行现场工业试验,为寒区矿山废石充填提供理论基础和技术参考。     

磷石膏废石胶结充填体强度特性正交试验研究

基于正交试验法设计了磷石膏废石胶结充填体强度测试方案,对9组不同配比、不同浓度、不同组合方式的废石胶结充填体进行了28 d龄期的单轴抗压试验。通过对试验结果的直观分析和方差分析,发现黄磷渣对磷石膏废石胶结充填体抗压强度起决定性作用,料浆浓度是影响抗压强度的显著因素,废石质量比例和废石与料浆的排列方式是影响抗压强度的非显著性因素,废石与料浆的排列方式会一定程度的影响充填体的破坏模式。废石胶结充填体强度试验结果进一步验证了矿山采用磷石膏废石胶结充填方案的合理性和可行性。     

纤维增强超细尾砂充填体微观破坏机制

纤维增强充填体(FRB)在采空区充填中具有明显的优势,为研究FRB微观破坏机制,以不同配比的玻璃纤维增强超细尾砂充填体为研究对象,利用电子万能试验机、扫描电镜、核磁共振仪和声发射监测仪开展系列试验,从微观层面系统分析FRB的裂隙扩展及损伤演化过程。研究表明：玻璃纤维的掺入能够显著优化充填体材料的初始结构,减少初始缺陷,其中以灰砂配比为1∶12试件的优化效果最为明显;FRB试件和无纤维充填体(CPB)试件的破坏模式存在显著的区别：CPB试件破坏以主裂隙贯穿试件为主,局部位置存在剥落现象,而FRB试件破坏则以较多的小尺度次生裂隙为主,这是由于纤维对充填体材料的阻裂作用所致。因纤维的阻裂作用也使得FRB和CPB的声发射(AE)特性呈现明显的差异：CPB试件在屈服点σ_cd(约在85%应力峰值)之后,振铃计数出现“AE下降区”,而FRB试件在屈服点σ_cd之后,振铃计数则表现出明显的“AE上升区”。研究结果不仅能够为推广玻璃纤维充填体的应用提供理论指导,且可为玻璃纤维增强充填体达到其峰值强度预测提供声发射判据。     

不同温度养护后胶结充填体三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为研究胶结充填体在煤矿深部的高地温环境下发生卸荷的力学特性,采用RTX–4000型岩石动态三轴仪,对不同温度(20℃,35℃和50℃)养护后的胶结充填体进行不同初始卸荷围压下的常规三轴卸围压试验,得到胶结充填体三轴卸荷全过程的偏应力–应变曲线,分析其变形、破坏特征及强度准则。研究结果表明:50℃养护后的胶结充填体内部产生的有害热应力易使胶结充填体卸荷的应力–应变曲线在峰后阶段出现微破裂现象,进而使得变形模量在随围压卸载的过程中也出现突降和逆向增长。胶结充填体卸荷破坏形式主要为局部张拉裂纹、剪切裂纹以及由热损伤和力学损伤共同造成的错位裂纹。Mogi-Coulomb强度准则能更好地表征胶结充填体在增轴压卸围压条件下的卸荷破坏强度特征;随养护温度的升高,胶结充填体的黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,黏聚力的变化同卸荷峰值强度的变化规律一致,黏聚力越大,卸荷峰值强度越高,表明黏聚力为影响胶结充填体卸荷峰值强度的主要因素。     

铅锌矿全尾砂胶结膏体充填的研究与应用探讨

矿山产业的发展带动了国民经济,也带来了环保和安全隐患。在安全绿色资源开发理念下,尾砂胶结膏体充填工艺综合利用废弃物尾砂用于填充矿上地下采空区,给矿山带来社会效益、安全环保效益、经济效益。研究膏体的性能可以更好实现矿山膏体充填骨料的最优化组合以形成充分满足矿山需要的个性化充填系统,建立绿色环保矿山。     

金川二矿区大体积充填体变形机制与变形监测研究

 针对金川二矿区大体积充填体稳定性问题,简要论述近年来地表岩移和井下地压显现特征,并开展大体积充填体的变形机制研究。制定针对大体积充填体变形的监测方案：采用自制的变形监测装置对1 150～1 200 m水平50 m高充填体的相对变形进行监测,采用水准仪对大体积充填体和围岩体的下沉变形进行量测。监测结果表明,大体积充填体综合下沉变形速率为16.00～51.44 mm/月,最大累计下沉量达515 mm,大体积充填体自身相对变形速率为1.953～28.585 mm/月,最大累计相对变形为285.85 mm。进一步分析大体积充填体综合变形、自身相对变形和围岩体变形的发展趋势。研究成果对于深刻认识二矿区大体积充填体的稳定性、围岩体的变形等提供了重要的依据。     

不留矿柱下向大面积胶结充填体的地压控制效果

总结了金川二矿区１＃矿体一期工程开发经验，在矿体厚大、工程地质复杂条件下，不留矿柱、下向大面积胶结充填体能有效地控制矿区开采时的地压活动，阻止围岩和顶板下沉，保证采矿安全     

多源煤基固废充填体强度演化规律及声发射特征

为探究多源煤基固废充填体力学特性,制备29组尺寸为70.7mm的立方体试件,采用单轴压缩实验系统得到不同龄期充填体试件抗压强度,利用XRD,SEM微观观测技术分析原材料的微观形貌及物质成分组成,并采集不同龄期试件断面微观形态结构,揭示充填体强度演化规律;基于响应面法研究各组分对不同龄期(3,14,28 d)充填体强度的影响,应用声发射测试系统监测试件破坏过程中声发射特征。研究结果表明：各因素对试件强度影响的显著性大小为：粉煤灰>矸石>脱硫石膏>气化渣与炉底渣的1∶1混合物;响应面法得到粉煤灰及矸石对充填体试件的抗压强度影响较大;新生成的棒状结晶物及蜂窝棉絮状胶凝物质随龄期的增长逐渐增多,从而使充填体强度增高;试件3 d强度最小,3～14 d强度增加幅度最大,14～28 d强度增加幅度次之;塑性变形阶段,有少量能量释放,试件表面出现细微裂纹,并逐渐演变成贯通裂隙;屈服破坏阶段,声发射振铃计数陡然增大,试件内部集聚的能量突然释放,试件表面出现明显贯通式裂隙,并逐渐裂开、崩落;峰后阶段,试件依然具有一定的强度,声发射事件依然存在,并伴随能量释放,研究成果可为工程现场充填材料...     

充填膏体蠕变硬化特征与机制试验研究

 为研究充填膏体的蠕变硬化特性,对采用特定配比制成的充填膏体试样进行含水率与密度、单轴压缩与单轴压缩蠕变、电镜扫描等系列试验研究。结果表明：试验试样含水率及密度呈正态分布,离散性小,其单轴压缩强度与密度和含水率均无相关性;蠕变过程中,充填膏体随应力水平提高水平间弹性阶段应变率减小而瞬时变形模量增大,每个应力水平加载2,4及8 h时,瞬时变形模量增长率分别为1.17×105%,1.21×105%,1.23×105%,平均为1.20×105%;加载时长为2,4和8 h时,充填膏体有效模量强化系数分别为0.813 9,0.873 7,0.911 8,平均为0.866 5;蠕变过程中试样内部结构调整趋于压密闭实、裂纹扩展发生偏转汇聚,蠕变硬化大于损伤;充填膏体在加载时长为2,4及8 h时,蠕变系数分别为1.06,1.16及1.20,平均蠕变系数为1.14。     

不同初始缺陷条件下尾矿胶结充填体损伤突变预警分析

尾矿胶结充填体的干缩、硬化过程易使内部形成初始缺陷,为研究含不同初始缺陷的尾矿胶结充填体物理、力学和破坏特征,在尾矿胶结充填体中加入不同含量引气剂(AEA)进行模拟充填体的初始缺陷,通过扫描电镜、XRD图谱、单轴压缩和声发射试验进行分析。运用尖点突变模型,根据应力–应变曲线求出不同初始缺陷充填体的突变预警区间,与声发射失稳破坏的前兆信息进行对比验证。结果表明：加入AEA会使充填体内部气泡、孔洞、孔隙增加,导致初始缺陷增加,声发射信号数量大大减少;随着AEA加入,充填体压密阶段与全过程时间占比增加,弹性阶段与全过程时间占比减少,破坏过程中大尺度裂纹数量减少,增加了内部裂纹的无序性,从延–脆性破坏变为延性破坏模式;不同含量AEA充填体突变预警区间与声发射破坏前兆信息相对应,通过突变预警区间可以有效预测不同初始缺陷尾矿胶结充填体的稳定性,为矿山安全预警提供参考。     

不同养护温度下充填体-围岩胶结面剪切破坏特征

针对深井矿山高地温影响充填体 围岩胶结面剪切破坏特征的问题,开展了养护温度20℃、40℃、60℃和80℃,法向应力为0、0.3MPa、0.6MPa的充填体 围岩胶结面剪切试验,并利用三维激光扫描系统对剪切断面进行扫描,获取断面的破坏特征和参数。研究结果表明：养护温度和法向应力均对充填体 围岩胶结面剪切强度和破坏特征有明显影响。养护温度增大,法向应力不变时,胶结面的抗剪强度先增大再减小,40℃时剪切强度最高;养护温度不变,法向应力增大时,胶结面抗剪强度呈线性增大;断面三维形貌特征参数Sp、Sv、Sz、Sa和Sq的大小与法向应力的变化呈反比,养护温度变化时其变化趋势与强度变化规律相反,40℃时达到最小值,而Ssk的大小与养护温度、法向应力大小无明显关联,Sku的大小随法向应力的增大而增大,养护温度变化时其变化趋势为与抗剪强度变化规律相同。研究结果可为深部矿山井下充填体强度设计和顶板稳定性分析提供理论依据。