充填矸石力学性质研究

通过对矿井矸石进行不同级配下的矸石压实度、应变和碎胀系数三者与应力关系的物理力学实验分析,并对所采集的数据进行曲线拟合,得出了三者随应力变化的回归公式,为以后最大程度地减少地表沉陷,保证矿井矸石充填效果的最优化提供了重要的参考依据。     

饱和煤矸石的压实特性研究

本文利用电液伺服岩石力学试验系统配合自制的压实仪 ,对饱和煤矸石的压实特性进行了试验研究。结果表明 :饱和煤矸石的应力与应变呈指数关系 ,孔隙率与应力呈三次多项式关系 ,碎胀系数与应力呈对数关系 ,变形模量与应力呈线性关系 ,并且矸石粒径的大小对上述关系均有较大影响。饱和矸石由于水的软化作用 ,与自然含水矸石产生了一定的差异。以上结论对工程实际有一定的参考价值 ,为煤矸石的工程应用提供依据     

饱和煤矸石的压实特性研究

本文利用电液伺服岩石力学试验系统配合自制的压实仪。对饱和煤矸石的压实特性进行了试验研究。结果表明：饱和煤矸石的应力与应变呈指数关系，孔隙率与应力呈三次多项式关系，碎胀系数与应力呈对数关系。变形模量与应力呈线性关系，并且矸石粒径的大小对上述关系均有较大影响。饱和矸石由于水的软化作用，与自然含水矸石产生了一定的差异。以上结论对工程实际有一定的参考价值，为煤矸石的工程应用提供依据。     

长治矿区矸石物理力学特性测试及分析

矸石的岩石物理力学特性在充填开采中至关重要,为研究长治矿区矸石的物理力学特性,将矸石分为7种级配。在特制的矸石压缩桶中,应用MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统对矸石进行压实实验,分别测出矸石的碎涨系数、应力应变关系、压实容重、变形模量和时间应变关系。结果表明,均匀配比试件具有以下特性:碎涨系数最小;相同应力条件下应变最小;相同应力条件下压实容重最大;相同应力条件下变形模量最大;一定应力条件下相同的时间内应变最小。故在选择充填材料配比时,应选择均匀配比。     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

切顶留巷冒落矸石碎胀规律与力学特性研究

为研究冒落矸石在切顶卸压沿空留巷过程中的力学作用,通过现场实测和理论分析对矸石的碎胀规律及其力学特性进行了研究。针对不同赋存条件总结归纳了4种冒落矸石碎胀系数的现场实测方法:可视分层直接测量法、整层划定界限法、坚硬顶板间接测量法和围岩变形反推计算法。建立了矸石碎胀规律与围岩运动的关系,实测表明矸石块度对初始碎胀系数影响大,但残余碎胀系数基本稳定在1.26,故复合顶板留巷后下沉量大,且矸石压实稳定时间随埋深加大而延长。构建了垮落矸石稳定后受力模型,并对挡矸支护所受侧向应力和矸石对顶板的支撑力进行了分析计算,证明矸石碎胀规律对于巷道顶板保持稳定具有重要作用。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

薄煤层破碎顶板综采工作面“拖管”式充填试验研究

针对黄河北薄煤层、薄基岩、厚冲积层、顶板破碎、吨煤利润低、地表建筑物密集、全部跨落采煤地表下沉大等问题,在对综采架后自压式矸石充填、（似）膏体充填和（超）高水充填及高位离层注浆充填对比分析的基础上,提出了综采架后垮落带“拖管”充填的概念。结合赵官煤矿1703综采工作面开采技术条件,相似材料模拟试验和原生矸石、淋浆矸石压实度仿真试验,提出了“冒落”矸石压实分区和残余碎胀系数概念和“拖管”式充填时间-空间模型及工艺系统,并在该工作面试验成功。结果表明：薄煤层、破碎顶板、缓仰斜工作面,在不改造支架、不需堵漏的情况下进行垮落带“拖管”式充填是可行的;根据采-充量预计地表下沉系数为0.4,地表最大下沉量为50 cm。     

无煤柱自成巷采空区顶板碎胀系数测定方法

以宝山煤矿6302工作面垮落细砂岩顶板碎石帮为研究对象,对岩石碎胀系数的现场实测方法及其对巷道顶板变形的影响展开研究;通过分析碎胀系数的机理,结合工程实际,建立了自然标定准线法测量碎胀系数模型,确定了碎胀系数现场实测的方法。现场实测结果表明:采空区顶板垮落后至压实稳定经历3个阶段,快速压实阶段碎胀系数由1.83~1.88迅速降至1.37~1.42,初步稳定阶段碎胀系数变化速度减缓,为1.35~1.39,在缓慢压实阶段,碎胀系数变化值≤0.01;巷道围岩变形规律与采空区矸石碎胀系数变化规律呈现一定相关性,同样存在3个区段,最终巷道顶底板的移近量为296 mm,两帮移近量为135 mm;根据采空区矸石碎胀系数和巷道围岩变形规律,切顶卸压自动成巷期间需要进行巷内临时补强支护,且支护距离≥120 m。     

露天矿渣混合料压实特性试验研究

为模拟露天矿矿渣混合料充填煤矿采空区后的工程性质,利用一种专用的压实试验装置,进行了矿渣混合料压实特性的试验研究;讨论了应力与应变、压实度以及变形模量的关系.研究表明,矿渣混合料在压实过程中,应变随着轴向应力增加而减少,两者之间呈对数关系;变形模量随着应力的增加而线性增加.在相同应力条件下,细小颗粒含量较高的混合料应变较小,压缩模量较高,抗压缩性能较高,充填后对上部岩体的支撑效果较好.     

深埋中厚煤层切顶卸压岩石碎胀规律研究

为了解决深埋中厚煤层切顶卸压岩石碎胀特性的利用缺乏理论支撑的难题,提出了基于110工法的现场实测切顶卸压岩石不同测点碎胀系数的方法,研究切顶卸压岩碎胀系数的演化规律,分析切顶卸压岩石碎胀特性。研究结果表明：随着工作面的推进,各测点碎胀系数变小,稳定值介于1.356～1.385。切顶卸压岩碎胀系数有着随工作面推进逐渐变小的碎胀特性,研究成果对于大深度中厚煤层切顶卸压岩石碎胀特性的利用具有重要意义。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

岩石非线性粘滞系数的蠕变数值试验分析

应用C⁺⁺语言编写的简易数值试验程序, 模拟了岩石单轴拉伸的蠕变过程。试验中采用分级加载的方法, 分析了不同拉应力条件下岩石的粘滞系数与应力和时间的关系, 并推出了岩石非线性粘滞系数的函数关系式。随着应力的增加, 粘滞系数与应力满足反正切三角函数关系, 同时随着时间的延续, 粘滞系数变化率与时间也满足对数函数关系。结果表明: 岩石蠕变过程是典型非线性行为, 建议采用非线性流变力学进行研究。     

基于PMC模型的破坏模式转化型强度准则

进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中间主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMCBPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMCBPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMCBPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。     

准静态应变率下的煤岩非线性力学特性

为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征，利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验，分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律，基于煤岩显著的非线性力学特征，修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出，随着应变率的增加，压密阶段缩短，线弹性阶段增长，屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;② 由于原生裂隙的闭合和扩展，煤岩受载作用下，各阶段均呈现显著的非线性力学特征，随着应变率的增加，压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③ 准静态应变率10-5~10-2 s-1范围内，抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa，增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势，在10-5~10-4 s-1应变率区间，弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa，随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小，变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势，从1.53下降到0.71，减小53.59%;整个准静态应变率范畴下，煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势，均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式，综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后，引入材料常数a对胡克定律进行修正，推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程，并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

深埋隧道围岩稳定影响因素的敏感性分析

选取隧道洞径、埋藏深度、岩层倾角、板砂岩的厚度比和侧压系数等5个典型因素,通过正交试验法进行设计,利用3DEC数值模拟分析,得到了各个因素对隧道围岩稳定的影响规律。侧压系数是影响最显著因素,岩层倾角是影响最小因素。随着洞径的增加,衬砌最大位移和最大应力也相应增加;当洞径大于9 m时,洞径对衬砌位移的影响作用开始加剧。当埋深在500~700 m时,埋深对衬砌位移与应力的影响最显著。随板砂岩比例的增加,衬砌位移和应力总体呈减小趋势。侧压系数为1.0时,衬砌最大位移和最大应力最小;侧压系数大于1.5时,最大位移和最大应力随侧压系数增加而急剧增加。     

深井软岩巷道温压耦合作用下锚固体破坏机理及应用研究

针对深井软岩巷道高地温高地压锚固支护失锚率增大的问题,以淮南矿区深井软岩巷道为例,采用室内相似模拟试验方法,进行温压耦合作用下锚固体变形破坏特性和锚杆受力特征试验研究。结果表明：随着温度升高和侧压系数的增大,锚固体的破裂深度增大,而侧压系数增大则锚固体的破裂倾角减小。当λ=1.2、1.5和1.8时锚固体的破裂深度分别为托盘直径的1.02～1.2倍、1.13～2.2倍和1.15～2.4倍,锚固体破裂倾角分别为45°～60°、40°～45°和30°～35°|温度升高和侧压系数增大,锚固体压密阶段水平变形量增大,随着侧压系数的增大,温度对锚固体变形破坏规律影响减弱|锚杆在破碎块体作用下处在压、张、剪的复杂应力状态,锚杆以受张拉应力为主,弯曲位置受压、剪应力作用,随着温度和侧压系数的增大,锚杆弯曲位置受压、剪应力增大,锚杆发生明显弯曲变形,锚杆锚固体呈渐进式破坏。将全长锚固支护工艺应用于丁集矿西三轨道大巷围岩支护参数优化设计,并进行现场监测,反馈表明巷道围岩支护效果较好。     

采后充填固体充填材料力学特性测试研究

采用物理化学测试方法,检测分析了矸石与粉煤灰充填材料矿物成分、压实度、流变等力学特性,研究了不同配比条件下含水量、密度,影响充填材料压实度及流变特性时间相关特性曲线,得出了最佳压实度和密度的矸石与粉煤灰的混合比例及充填料变形主要在加载初期。