充填体损伤本构模型的建立及其强度的确定方法

中关铁矿拟采用阶段空场嗣后充填采矿法进行回采,该采矿方法的关键之一就是合理地确定充填体强度。传统的充填体强度确定方法存在诸多问题,需要探索更科学的方法来研究充填体强度与岩体的匹配。在对中关铁矿尾砂胶结充填体进行室内力学试验、得到其应力-应变曲线的基础上,利用损伤力学建立了充填体峰值应力前的损伤本构方程,并根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近原则,确定了中关铁矿的最佳充填体强度为1.86 MPa,灰砂比为1∶6,对现场下一步的充填采矿生产具有重要的指导意义。     

尾砂胶结充填体力学试验及损伤研究

尾砂胶结充填体是一高度非线性介质,有不同于岩石和混凝土的独特力学特性。本研究分别对灰砂比为1：4、1：8和1：10的3种尾砂胶结充填试块进行了压缩与拉伸力学试验,测试了其应力-应变关系,分析了充填体破坏机理及不同配比下的力学特性,建立了3种不同配比充填体压缩和拉伸损伤本构方程。经验算对比,所建立损伤本构方程与试验结果吻合较好。     

充填体侧限压缩变形及本构关系的研究

为了深入研究深部高应力下充填体受压变形的力学行为,选取浓度为70%,灰砂比1∶10,养护龄期分别为14d、28d、56d的分级尾砂胶结充填体开展不同应力加载级别下的侧限固结实验,结果表明:其轴向压缩量随着应力加载级别的提高逐步增大,与轴向应力呈现对数函数关系;其轴向应变与应力之间呈现二次函数关系。     

玄武岩纤维尾砂充填体力学性能及损伤本构模型研究

为了提高采空区充填体的力学性能,对加入玄武岩纤维的尾砂充填体进行抗压强度试验,研究不同纤维掺量、灰砂比和养护龄期对充填体的抗压强度影响规律,构建充填体损伤本构模型并分析其能量耗散规律。研究结果表明：玄武岩纤维的加入能够明显提高尾砂充填体的抗压强度,随着纤维掺量的增加,充填体的抗压强度呈先增大后减小的趋势,且最优掺量为0.4%,对比素尾砂充填体强度提升了13.277%~24.865%。纤维充填体峰后残余强度较高,引入损伤修正系数的损伤本构模型能合理表述纤维充填体峰后残余强度,根据损伤本构模型可得到充填体的峰值比能演算模型,适量掺加纤维可以提升充填体的峰值比能并减少能量耗散。玄武岩纤维能提高充填体的力学性能,强化矿山采空区充填效果。     

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。     

不同灰砂比充填体侧限固结压缩试验研究

充填体在采场内由于被围岩包围,其力学性能与实验室单轴压缩条件下不同。为了研究采场充填体的力学性能及规律,提出了不同灰砂比充填体在侧限约束条件下的分级单轴压缩固结试验,分级压力为1kN(0.2 MPa)、2kN(0.4 MPa)、4kN(0.8 MPa)、8kN(1.6 MPa)、16kN(3.2 MPa)、32kN(6.4MPa)、64kN(12.8MPa)、128kN(25.6MPa)。试验结果表明:随着固结压力的增大,充填体压缩量呈线性增加,灰砂比对充填体压缩量影响不明显;固结应力与压缩率呈二次函数曲线关系;固结前后充填体的单轴抗压强度增加明显,28d龄期强度值增加幅度达24%以上。最后,采用SEM对充填体固结强化机理进行了分析。     

掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征

为了探究掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性及能量演化规律,对掺不同质量含量的聚丙烯纤维充填体进行单轴压缩试验,得到了掺不同纤维含量充填体优化后的本构模型。研究结果表明:向充填体添加聚丙烯纤维能够有效的提高充填体的力学性能,当纤维含量达到0.6%时,纤维增强充填体的效果最好;对现有的掺纤维充填体损伤本构理论模型进行优化,得到了优化后掺聚丙烯纤维充填体理论曲线,并将理论曲线与试验曲线和文献曲线进行对比验证,发现优化后的理论曲线与试验曲线拟合度更高;构建了损伤与应变能之间的关系,损伤-应变能关系曲线能更好描述掺不同纤维含量充填体的损伤特性,发现纤维增强充填体力学特性的主要机理,即纤维不仅增强了充填体储存应变能的能力,还增大了充填体峰后储能的能力。试验结果对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有一定意义。     

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。     

不同水饱和度充填体力学性能及损伤机制研究

注浆充填被广泛应用于提升岩溶区溶洞的工程稳定性,充填体力学性能直接影响工程建设及服役安全性.采用单轴抗压强度试验机、压汞仪和扫描电镜针对不同含水饱和度石灰石尾矿基充填体的力学特性和损伤机制进行了系统研究.结果表明:随着饱和度增加,充填体抗压强度先提高后减小,饱和度为75％时,抗压强度最优,养护龄期为28 d时抗压强度可达6.8 MPa.微观分析可知,充填体水化产物为无定形凝胶(C-S-H凝胶、N-C-S-A-H凝胶)、钙矾石和未反应的石灰石尾矿颗粒,含水饱和度为75％时,内部结构最致密.基于充填体的应力-应变关系,描述了单轴压缩条件下不同饱和度充填体的变形过程,随着饱和度的增加,充填体破坏模式由剪切破坏转变为拉伸破坏.因此,建立了不同饱和度充填体的损伤本构模型,为岩溶充填工程的设计及服役性能评判提供可靠依据.     

不同温度热处理橡胶-尾砂充填体能量损耗本构关系

为研究地热影响下橡胶-尾砂充填体的破坏特性、能量演化过程和微观形貌,制作橡胶-尾砂充填体试块,分别开展30,100,200,300℃条件下橡胶-尾砂充填体的单轴压缩试验和扫描电镜(SEM)试验,采用Weibull统计分布理论,建立不同温度热处理后橡胶-尾砂充填体的分段损伤本构模型。结果表明：加热温度升高加速了橡胶表面水化产物的破坏,试块加热后的质量损失增加,造成橡胶-尾砂充填体延性减小,弹性模量降低;峰值应力随温度升高呈先增加后减小的趋势。试块加载过程中,总能量以弹性能为主,耗散能为辅,随轴向应力增加,弹性能占比迅速减小;推导出不同温度热处理后橡胶-尾砂充填体试块的分段能量耗散本构模型,其与试验曲线吻合度较高。研究结果可为解决应用充填采矿法的废旧橡胶对采场环境的适应性问题提供参考。     

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。     

全尾砂胶结充填体弹塑性本构模型实验研究

针对4种灰砂比、5种料浆浓度的全尾砂胶结充填体进行了单轴压缩实验,得出了其在单轴压缩条 件下的物理力学特性。根据充填体单轴抗压强度分别选取灰砂比1∶6、1∶8,料浆浓度65%、70%的充填试块进行了4组不同围压下的三轴压缩实验,得到了 充填体全应力-应变曲线及其物理力学参数。根据实验结果建立了充填体线弹-弹塑-塑性软化-理 想塑性的本构模型,将充填体峰后应变软化阶段分为2种情况：在围压较小时,表现出明显应变 软化,应力脆性跌落;在围压较高时,应变软化不明显,峰后直接进入塑性流动状态,残余强度 与峰值强度差值减小。研究结果为充填体强度设计提供了理论依据。     

侧限高应力条件下充填体压缩变形规律分析

为了研究充填体在侧限高应力下的变形规律,根据现场调研结果试验室内选取灰砂比为1∶10,浓度为70%的充填体试块进行9级加载蠕变试验,得到每级加载应力下充填体的轴向变形规律。通过对充填体的压缩特性分析,得到了不同加载应力条件下充填体试块的侧限压缩系数和压缩模量;通过压缩变形应变-时间图,对侧限高应力条件下充填体试块的压缩变形机理进行分析,分析结果为新城金矿矿山充填设计及安全生产提供科学依据。     

超高水充填材料侧限压缩应力应变本构关系研究

开展超高水充填材料应力应变关系研究对准确了解充填体与围岩相互作用关系,选取合理的采煤工作面采空区充填体强度和材料配比具有重要意义。根据不同经典理论模型的本构关系特征,结合常用的3种水灰比超高水充填材料在侧限压缩条件下的应力应变曲线,获得了材料变形过程信息。基于Poyting-Thomson模型,引入损伤变量,构建出可描述超高水充填材料应力应变关系的M|D|H理论模型,并给出了理论模型的解析解,对试验全过程曲线进行辨识,确定了模型中的相关参数,实现了对超高水充填材料变形过程的理论描述。结果表明:改进的Poyting-Thomson模型(M|D|H模型)理论值与试验结果吻合较好,能够有效描述侧限压缩条件下超高水充填材料从弹性变形到应变软化再到应变硬化的整体变形特征。     

拉压全过程充填体损伤演化本构方程研究

为了解和掌握大体积充填体在大面积暴露情况下的弹塑性区域及拉、压应力状态分布情况,减少回采矿柱时产生的贫化损失,保证充填体柱的安全稳定,用本构模型建立的理论值对充填体破坏过程的实测值进行了拟舍．利用先进的MTS和INSTRON刚性伺服试验机系统对特大型采场原位取样的不同配比充填体进行了无侧限单轴抗压、劈裂拉伸强度试验,测得了所需的各种力学参数及拉、压应力-应变全过程曲线．实验结果表明：建立的充填体拉、压状态损伤演化方程和损伤本构模型能够较好的描述充填体的损伤演化性质和破坏过程,由本构模型建立的理论曲线与实测曲线拟舍得较好,理论值与实测值能够较好吻合．试验结论对预测充填体抗压、抗拉强度及破坏过程和对充填体抗压、抗拉损伤研究具有极为重要的现实意义,建立的损伤本构方程可以对同类矿山和相关行业的工程分析和设计提供一定的借鉴作用．     

干湿循环下橡胶-尾砂充填体能量损耗本构关系研究

为了探究橡胶-尾砂充填体在干湿循环影响下的破坏特性和能量演化规律，制作了橡胶-尾砂充填体试块，并对橡胶-尾砂充填体进行了干湿循环处理、单轴压缩试验和扫描电镜试验，探究了橡胶-尾砂充填体的破坏特征、能量演化规律和微观形貌，借助Weibull统计分布理论，建立了干湿循环影响下橡胶-尾砂充填体的分段损伤本构模型。结果表明：干湿循环会造成橡胶表面水化产物分解，造成橡胶-尾砂充填体抗压强度与弹性模量降低；橡胶-尾砂充填试块在峰值应力时以弹性能为主，耗散能为辅，试验结束时亦然，但是弹性能占比迅速减小；推导了干湿循环影响下橡胶-尾砂充填体试块的分段能量耗散本构模型，且拟合程度高。