充填体分级加载蠕变试验及模型参数智能辨识

为研究充填体在荷载作用下的长时稳定性,对充填体进行单轴分级蠕变试验,研究其蠕变特性。由胶结充填体单轴分级蠕变曲线,采用陈氏数据处理方法绘出试块分别加载蠕变曲线,试验结果表明:充填体具有显著的蠕变行为包括瞬时变形、衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段,受荷载及时间所限并未出现加速蠕变阶段;瞬时应变与荷载成线性函数关系、蠕变速率随时间增长而逐渐降低至定值,显示出充填体具有同岩石类似的蠕变特性。充填体的蠕变特性符合Burgers模型,采用具有多点寻优、全局最优解等优点的遗传算法对不同应力水平下的Burgers模型参数进行了智能辨识,结果表明,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好,Burgers可较好的描述胶结充填体的蠕变特性。     

充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

不同含水率下矸石胶结充填体蠕变特性试验研究

地下矸石胶结充填对西部矿区水资源及生态环境的保护起着至关重要作用.为探究地下水长期浸润作用对矸石胶结充填体蠕变力学特性的影响,采用三轴分级加载蠕变试验,分析了含水率变化对矸石胶结充填体蠕变特性及长期强度的影响规律,建立了描述其蠕变全过程的分数阶本构模型,并利用T-R法反演辨识获得了分数阶蠕变模型相关参数.结果表明:随着试样含水率的增加,矸石胶结充填体的蠕变变形与瞬时变形呈增大趋势,而蠕变历经时长和破坏应力均逐渐减小;通过改进的稳态蠕变率拐点法分析表明,胶结充填体的长期强度与含水率呈线性负相关,当充填体由干燥至饱和时,其长期强度下降了约13％.基于蠕变试验,模型理论结果与试验结果吻合良好,能够描述矸石胶结充填体蠕变变形的全过程.     

考虑胶结物含量的充填体蠕变特性研究

胶结充填体处于长期荷载环境,其长期服役性能关系到采空区的安全与稳定.为了探究胶结充填体蠕变变形特征,开展了胶结充填体的单轴分级加载蠕变试验,探讨了胶结物含量对胶结充填体蠕变变形破坏特性的影响,建立了能够表征胶结物含量的胶结充填体蠕变损伤本构模型,推导了相应的蠕变本构方程.研究结果表明:(1)长期荷载作用下,胶结充填体存...     

全尾砂胶结充填体蠕变特性试验研究

胶结充填体的时效性往往影响着采矿工程的长期稳定性。为分析胶结充填体的蠕变特性,进行了单轴蠕变试验。采用BLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对灰砂比为1∶6浓度70%的胶结充填体在0.75应力水平下进行单轴压缩蠕变试验。试验结果和数据分析表明:在0.75应力水平下胶结充填体具有明显的衰减蠕变和等速蠕变阶段,并未显示出加速蠕变过程。其应变速率与时间呈指数衰减关系;变形模量随时间可用Logistic函数进行描述。采用伯格斯模型描述充填体蠕变特性并对参数进行辨识,拟合结果与试验数据可很好的吻合。     

考虑空隙非线性变形的胶结充填体损伤软化本构模型研究

充填采矿法在两步骤回采方式中广泛应用，胶结充填体作为人工矿柱，其稳定性至关重要；而胶结充填体力学特性及本构模型是进行稳定性分析与评价的重要内容，因此，亟需开展胶结充填体力学特性及本构模型研究。通过对不同灰砂比的胶结充填体进行单轴压缩试验，试验结果表明：在初始压密阶段因空隙存在而表现出非线性变形特征；在塑性屈服阶段及破坏后阶段刚度和强度均表现出软化特性；破坏后阶段存在较强的承载特性。针对试验结果，采用宏观和细观相结合的方法，将胶结充填体抽象成空隙和细观单元2部分，并引入胶结充填体有效损伤因子，结合统计损伤理论，分别构建空隙本构方程和细观单元损伤软化本构方程，进而得到胶结充填体损伤软化本构模型。最后将本研究理论模型曲线与试验曲线、现有理论基于试验数据和其他学者试验数据得到的曲线进行对比分析，分析结果表明本研究得到的理论曲线与试验曲线有较高的匹配度，各阶段曲线拟合相关系数都达到95%以上，更好地表征了胶结充填体空隙非线性变形特征及软化特性。研究结果可为胶结充填体稳定性分析提供理论依据。     

考虑空隙非线性变形的胶结充填体损伤软化本构模型研究

充填采矿法在两步骤回采方式中广泛应用，胶结充填体作为人工矿柱，其稳定性至关重要；而胶结充填体力学特性及本构模型是进行稳定性分析与评价的重要内容，因此，亟需开展胶结充填体力学特性及本构模型研究。通过对不同灰砂比的胶结充填体进行单轴压缩试验，试验结果表明：在初始压密阶段因空隙存在而表现出非线性变形特征；在塑性屈服阶段及破坏后阶段刚度和强度均表现出软化特性；破坏后阶段存在较强的承载特性。针对试验结果，采用宏观和细观相结合的方法，将胶结充填体抽象成空隙和细观单元2部分，并引入胶结充填体有效损伤因子，结合统计损伤理论，分别构建空隙本构方程和细观单元损伤软化本构方程，进而得到胶结充填体损伤软化本构模型。最后将本研究理论模型曲线与试验曲线、现有理论基于试验数据和其他学者试验数据得到的曲线进行对比分析，分析结果表明本研究得到的理论曲线与试验曲线有较高的匹配度，各阶段曲线拟合相关系数都达到95%以上，更好地表征了胶结充填体空隙非线性变形特征及软化特性。研究结果可为胶结充填体稳定性分析提供理论依据。     

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...     

基于细观尺度的胶结充填体破坏模拟试验研究

为分析充填体材料细观裂纹的萌生、扩展以及相互贯通的破坏机制,从尾砂胶结充填体微细观结构出发,采用Weibull统计函数对充填体材料的非均质特性进行描述,结合充填体室内力学试验结果,建立基于有限元理论的RFPA2D数值力学模型,分析胶结充填体的细观破坏演化模式和声发射特性。研究结果表明:尾砂胶结充填体是一种多相复合材料,具有强度低、非均质性高等特点;试件的破坏首先发生于力学性质较为薄弱的部位,并以此经过微-细-宏观跨尺度发展,最终导致充填体破坏;充填体破裂过程的声发射演化规律反映了裂纹发展的动态特征。     

废石尾砂胶结充填材料流动与强度性能的研究

为了解决极细全尾砂作为充填骨料制备充填料浆脱水困难、充填体强度偏低的问题,通过开展废石尾砂胶结充填试验,改善充填骨料粒级组成,研究废石掺量对充填料浆流动性能及充填体强度的影响规律。结果表明:相比较全尾砂胶结充填,掺入废石可以显著改善充填料浆的流动性能,提高充填料浆的输送浓度;在相同灰砂比和浓度情况下,废石尾砂胶结充填体强度高于全尾砂胶结充填体。因此,废石尾砂胶结充填体可以降低灰砂比,减少水泥用量,消纳地表废石。在云南金厂河矿山开展工业试验,确定了充填参数为浓度80%、灰砂比1∶8、废石掺量60%,原位取芯平均抗压强度为3.36MPa,满足采场充填体强度设计要求。     

絮凝剂和减水剂对尾砂浓密性能与充填体强度的影响

为提高溢流尾砂胶结充填效果,对溢流尾砂开展了添加和未添加减水剂沉降试验、湿堆密度测试、胶结料浆流变参数与抗压强度测试、胶结充填体总空隙率和微观结构测试,探究了絮凝剂与减水剂对溢流尾砂浓密性能和充填体强度的作用机理。研究表明：絮凝剂与减水剂具有“协同效应”,可提高尾砂浓密底流浓度,但效果与减水剂添加顺序和添加量相关。添加絮凝剂与减水剂使溢流尾砂湿堆密度增大,由0.559提高至0.591。絮凝剂添加使胶结充填体总空隙率与结构缺陷增加,造成充填体抗压强度降低;而含絮凝剂与减水剂的胶结充填体总空隙率降低,结构更致密,充填体抗压强度得到提高。尾砂浓密阶段添加减水剂可降低后续胶凝材料用量。相关研究成果可为优化尾砂高浓度胶结充填工艺提供借鉴。     

尾砂胶结充填体抗拉强度试验研究

抗拉强度是尾砂胶结充填体的重要强度参数，但由于缺少合适测试方法导致对尾砂胶结充填体抗拉强度的研究不足，不利于胶结充填体的稳定性分析，对矿山安全生产造成隐患。本研究利用将压缩转换成拉伸加载方式，提出一种新的适用于尾砂胶结充填体的直接拉伸试验方法，验证了其可靠性。应用该试验方法测得了多种配比、龄期尾砂胶结充填体的抗拉强度，分析了抗拉强度随灰砂比、质量浓度、龄期的变化规律以及敏感性，可为矿山充填配比设计及抗拉强度测定提供指导。     

尾砂中硫化物对充填体质量影响研究

通过室内试验研究发现,在密闭状态下,尾砂中硫含量的高低对胶结充填体的早期与后期强度及稳定性没有明显影响;在暴露状态下,含硫量低至4%的尾砂胶结充填料试块也会出现裂纹,直至全部崩解。指出采用高含硫尾砂充填的矿房和首层充填体,在底柱和矿柱回采时,揭露时间不宜超过50d,否则会氧化破坏。     

尾砂胶结充填体强度特性试验研究

以尾砂胶结充填体试块为对象,选取对强度敏感性最高的影响因子——龄期,对不同龄期的尾矿胶结充填体进行单轴抗压强度和直接剪切试验,分析了尾砂胶结体的强度规律及破坏特征。试验结果表明:尾矿胶结体的强度随着养护龄期的增加而升高,其中7~28d强度增加较为显著,并建立抗压强度、抗剪强度与龄期回归方程,为后期充填采矿设计和降低采矿成本提供了依据。     

全尾砂和废石联合胶结充填体最佳配比及应用

针对红岭铅锌矿分级充填骨料来源不足、地表废石堆积污染环境的情况,提出将该矿选厂产生的全尾砂和地表废石作为充填骨料的联合胶结充填方案。分别测试了全尾砂和地表废石的物理化学性质,验证了碎石和全尾砂作为联合充填骨料的可行性。通过充填配比试验,分析了不同配比全尾砂废石充填体强度特性,得出了最佳充填配比。结果表明,充填试块的强度随灰砂比减小而减小,随养护龄期增加呈增大趋势,随充填料浆质量浓度增大而增大,最佳配比为: 胶结充填灰砂比1∶8、普通充填灰砂比1∶12,全尾砂∶废石配比4∶6,质量浓度78%。根据研究结果,在红岭铅锌矿进行了全尾砂废石充填技术工业应用,证实该技术可行。     

石灰石粉对胶结膏体充填材料性能的影响

为满足矿山对质优价廉、不同粒度分级尾砂胶结充填材料的需求,以粗、细两种分级尾砂胶结充填材料为对象,研究了外掺粗、细、超细石灰石粉对胶结充填材料性能的影响。结果表明：固体质量浓度为65%的细粒尾砂胶结充填料和固体质量浓度为75%的粗粒尾砂胶结充填料外掺15%的超细石灰石粉,均可制成胶结膏体充填材料,其充填料的坍落度均超过200 mm、脱水率均低于2%、28 d硬化体的抗压强度在0.3～1.2 MPa、28 d硬化体沉缩率均低于2%;继续增加超细石灰石粉的掺量,充填料的坍落度和脱水率下降,28 d硬化体的抗压强度略有提升、沉缩率进一步下降。如何提高28 d硬化体的抗压强度是今后研究的重点。     

不同形状尺寸充填试样强度研究

通过开展不同形状、尺寸充填试样单轴抗压试验,进行全尾砂胶结充填体强度尺寸效应研究,探究全尾砂胶结充填体尺寸效应现象及不同形状与尺度充填试样间的强度换算。研究表明:在料浆砂灰比和浓度相同条件下,大尺寸充填试样抗压强度高于小尺寸充填试样;各形状及尺寸充填试样强度呈幂函数关系,强度间换算关系与砂灰比及料浆浓度无关,可由同一函数表达。