基于全尾砂充填体非线性本构模型的深井充填强度指标

目前矿山深井充填体强度指标是类比浅部充填经验来确定的,为改变这种不合理局面,根据某深井开采矿山全尾砂充填体单轴压缩实验的应力-应变关系曲线,建立了全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型.结合全尾砂充填体与深部围岩耦合作用下能量损耗相近的原则,得出了全尾砂充填体抗压强度设计公式.实例研究结果表明:建立的全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型与实验结果吻合;深部开采全尾砂充填体强度指标与围岩原岩应力、弹性模量以及充填体本身的力学性能有关,采用非线性本构模型确定的全尾砂充填体强度指标比采用线性本构模型确定的强度指标更精确.     

高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体力学性能影响

为研究采矿扰动下灰砂比对全尾胶结充填体力学响应,预制了三组不同灰砂比的全尾砂胶结充填体试件,利用ф50 mm SHPB试验系统,对预制试件进行单轴冲击试验,试验结果证明:全尾砂胶结充填体对弹性波传播有较强的反射和阻尼作用;在较高应变率下,试件强度则表现出快速软化;软化试件在18μs左右即达到峰值应力;试件动态抗压强度等参数变比均随应变率的增加而增大.灰砂比越高,试件的极限动态抗压强度等参数越大;在相同应变率下,试件的动态抗压强度等参数的增加反而降低.试件的破坏形式为压碎破坏,在相同应变率作用下,水泥含量越少,试件的破坏程度越高.     

全尾砂胶结充填体的强度敏感性及破坏机制

以大冶铁矿全尾砂为原材料,采用水泥为胶结材料制作全尾砂胶结充填体,采用单因素五水平设计试验,研究了全尾砂胶结充填体强度与料浆中固相质量分数、灰砂配比及龄期之间的关系,并对敏感性进行了分析.胶结充填体强度随着料浆中固相质量分数的增加遵循指数函数增长,随灰砂配比的增加呈线性增长,随龄期增加遵循指数函数的增长,其中胶结充填体强度对龄期的敏感性最高,料浆中固相质量分数次之,灰砂配比最弱.胶结充填体抗压破坏试验结果显示,充填体的破坏经历了四个阶段,分别为微裂隙闭合阶段、线弹性阶段、微裂纹扩展阶段及裂纹贯通破坏阶段.     

尾砂胶结充填体损伤软-硬化本构模型

针对灰砂比分别为1∶4,1∶8和1∶10的尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其在单轴压缩条件下的物理力学特性。根据统计损伤理论,在材料微元强度服从Weibull分布规律的基础上,引入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力,建立尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软-硬化本构模型。经对比验算,尾砂胶结充填体损伤软-硬化模型与实验结果相吻合。该模型在体现尾砂胶结充填体损伤随机性、应变软化过程的同时,反映了尾砂胶结充填体峰后应变硬化过程及规律,为充填体强度设计提供了依据。     

充填体–围岩组合体三轴力学行为数值模拟试验分析

分析充填体与围岩相互作用机理是地下矿山充填采场稳定性评价关键。以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩协同考虑,概化出了充填体-围岩组合体实验室尺度模型,基于RFPA3D构建了具有一个粗糙接触面、两种灰砂配比、四个接触面倾角和三种围压的充填体-围岩组合体三轴压缩试验数值分析模型,系统分析了组合体的三轴应力应变曲线、强度、破坏模式、破坏过程与声发射演化规律,并通过组合体静力学分析模型和文献对比方法验证了结果的可靠性。研究结果表明,充填体-围岩组合体在三轴压缩下的变形、强度特征和破坏模式与接触面倾角、围岩和灰砂配比有关联关系;应力-应变曲线可分为压实、弹性、屈服、应变软化和残余应力五个阶段,不同阶段的声发射特征变化明显;充填体-围岩组合体三轴抗压强度随围压的增加呈线性增加;当接触面倾角为45°和60°时,组合体破坏发生在接触面和充填体区域。当接触面倾角为75°和90°时,充填体、接触面和围岩区域均有破坏。研究结论可为地下充填采场的稳定性分析提供理论依据。     

铀尾砂水性聚氨酯固化体的力学性能研究

为研究水性聚氨酯对铀尾砂的固化效果,开展了不同质量比的水性聚氨酯固化铀尾砂试验,采用三轴压缩试验研究了水性聚氨酯质量比对铀尾砂试样的应力-应变行为、破坏强度、抗剪强度参数的影响,并采用扫描电子显微镜表征了固化前后铀尾砂的微观特征。结果表明,当水性聚氨酯的质量比为5%～10%时,随着围压的增加,试样的应力-应变曲线由软化型向硬化型转变;当水性聚氨酯的质量比为15%时,皆为强软化型。随着水性聚氨酯质量比的增加,试样的破坏强度增大,内摩擦角下降,内聚力提高。扫描电子显微镜表征表明水性聚氨酯通过充填到尾砂颗粒间的孔隙中,并将其包裹和黏结在一起,由此形成空间网状结构,提高了试样的力学性能。     

含硫尾砂充填体长期强度性能及其影响因素

针对含硫尾砂胶结充填体经常出现的后期强度劣化现象,进行含硫和无硫尾砂充填体强度对比试验,研究灰砂比和料浆对含硫尾砂充填体长期强度性能的影响,并采用XRD和SEM对含硫尾砂充填体中水化产物进行分析。研究结果表明:尾砂含硫量(质量分数)为6.1%,主要硫化物为黄铁矿时,充填体120 d强度下降达到47.4%。灰砂比为1:8时,充填体各龄期强度显著增加,后期强度劣化得到改善。灰砂比为1:16时,充填体长期强度稳定在0.85 MPa左右。充填料浆质量分数对充填体强度影响也较为显著,质量分数为74%~76%时,充填体后期强度下降幅度最小。当充填体内部结构较疏松时,次生石膏可以填充水化产物之间的空隙,在一定程度上改善充填体长期强度性能。充填体结构较为致密时,次生石膏会破坏其微观结构,降低充填体后期强度。     

镜铁山矿桦树沟铜矿全尾砂胶结充填物料性能研究

镜铁山矿桦树沟铜矿利用尾砂、水泥做为胶结材料充填采空区,通过对尾沙粒度、比重、塌落度、灰砂比,充填体性能等的参数研究,选择适宜矿山实际的参数,满足充填需要。     

冲击载荷下胶结充填体的力学性能及能耗特征

为得到中等应变率下全尾砂胶结充填体动态力学性能及破坏规律,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术对全尾砂胶结充填体进行了冲击加载试验.试验结果表明:充填体的动态抗压强度及动态抗压强度增长因子随平均应变率的增加均呈线性增长规律,灰砂比越高,充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;充填体的韧性指数与平均应变率对数具有显著的正相关性,与静态加载下相比,韧性指数呈几何倍数递减;动载冲击下,充填体的破坏形态主要为轴向宏观主裂缝拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率高于临界值时,充填体破坏形态为压碎破坏;在相同应变率作用下,充填体的单位体积吸收能和单位质量充填体破碎耗能随着平均应变率的增加呈指数函数增长规律,水泥含量越高的充填体具有越高的破碎耗能及单位体积吸收能,且破坏损伤程度越小.     

不同配比及浓度条件下钽铌矿尾砂胶结充填体力学性能研究

为得到某钽铌矿尾砂胶结充填体不同配比和不同浓度下的力学特性参数,实现矿山安全、经济的生产目标,对灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,料浆浓度分别为68%、72%和76%的充填体试样开展系列试验研究.通过单轴压缩试验,得到了不同配比、不同浓度料浆条件下的充填体单轴抗压强度与弹性模量和泊松比之间的关系曲线;通过不同剪切角度下的剪切试验,绘制了不同浓度料浆条件下充填体正应力、剪应力和不同灰砂比之间的关系图,计算出了充填体内聚力C值和内摩擦角φ值;通过巴西劈裂试验,得到了充填体的抗拉强度与不同配比和不同浓度料浆的对应变化关系.研究结果可为该矿山采取充填法采矿方案的设计及优化提供科学依据,也可为同类矿山充填材料配比和料浆浓度设计提供参考.     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.     

铀矿尾渣胶结充填体塌落度影响因素及预测模型

采用生石灰中和后的铀矿尾渣为试验骨料,水泥为胶结剂,试验了不同渣浆质量浓度和灰渣质量比条件下尾渣胶结充填体试件塌落度。利用自适应神经模糊推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)预测不同渣浆质量浓度和灰渣质量比条件下塌落度。试验结果和模型预测结果表明,在同等条件下,铀矿尾渣胶结充填体的塌落度与渣浆质量浓度和灰渣质量比均成反比;随着渣浆质量浓度变小,铀矿尾渣胶结充填体流动性变大,如果再降低灰渣质量比,铀矿尾渣胶结充填体会出现明显离析现象;铀矿尾渣胶结充填体塌落度ANFIS模型的预测精度较高,结果唯一且可靠;如果不同矿山铀尾渣物理参数相似性较高,则已知的铀矿尾渣胶结充填体塌落度ANFIS模型可以预测该矿山尾渣胶结充填体的塌落度。     

海洋天然气水合物强度准则适用性分析

为分析常三轴压缩条件下不同饱和度天然气水合物在不同围压下强度破坏准则的适用性,基于Mohr-Coulomb、Mogi-Coulomb、Hoek-Brown、广义Hoek-Brown和Drucker-Prager准则,结合天然气水合物的应力-应变曲线,进行天然气水合物强度拟合。结果表明,Mogi-Coulomb准则和Drucker-Prager强度准则计算值与实验值平均误差率小于2%,拟合曲线相关系数大于0.99,表明这两种强度准则与实验结果具有较高的一致性,而Hoek-Brown准则拟合曲线相关系数小于0.95,在天然气水合物低围压下并不适用。研究结果可为天然气水合物井壁稳定研究,保障水合物开采安全进行,提供理论参考。     

围压效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形的影响

针对西部地区侏罗系砂岩成岩年代新、胶结程度较差,以及煤矿高强度开采的特点,开展恒定围压下三轴压缩实验,不同速率卸围压,以及单块多级加载实验,研究围压路径变化效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形特征的影响.实验表明:西部中粒砂岩峰值强度、残余强度、峰值应变、弹性模量、泊松比等力学参数均对围压依赖性较强,且由于其钙泥质胶结的细观特性使其黏聚力、内摩擦角相比其他地区、其他年代的砂岩较低.随着围压的增大,试件由简单平整破裂面向复杂非平整多破裂面破裂模式转化.变围压加载过程中,围压的变化对砂岩的承载能力和变性特征影响显著,围压主要通过束缚试件横向变形和裂纹扩展,以及增大内部摩擦的方式影响岩体的力学特征,围压卸载和加载对岩体力学参数的影响规律可为采场推进速度优化和围岩支护分析提供一定的参考.     

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与 能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

土工合成纤维土动力特性试验研究

通过动三轴试验,研究围压、纤维长度、纤维细度和配合比等因素对聚丙烯纤维加固粉砂的动应力-应变关系及动强度的影响规律。结果表明:纤维土的动应力-应变关系呈应变硬化型,近似双曲线;围压对纤维土动应力-应变关系和动强度的影响较大,纤维土的动弹性模量和动强度随围压的增大而增大,随振动次数的增加而降低;纤维越细,动强度越大,抵抗变形的能力越强;纤维的掺入对土体动摩擦角的影响不大,主要提高了土的动黏聚力。     

含水合物细粒土的强度和变形特性

天然气水合物是一种巨大能源,深刻刻画水合物储层的力学性质是安全开采气体的重要前提。目前对含水合物沉积物力学特性的研究主要针对粗粒土,而对于细颗粒沉积物研究较少。然而,中国南海神狐海域水合物储层区的沉积物是泥质粉细砂型。基于此,参照神狐海域水合物赋存区沉积物的物理性质配制了试验土样,形成了含四氢呋喃(THF)水合物细粒土,对其进行了三轴剪切试验。结果显示:在低围压和高水合物饱和度下,含水合物细粒土试样的应力应变曲线呈现应变软化,而在高围压和低水合物饱和度下表现为应变硬化;含水合物细粒土随剪切作用表现出剪缩效应;强度和刚度随着水合物含量和围压增加而提高;水合物含量的增加明显提高了黏聚力,但是对内摩擦角的影响很小。基于摩尔库伦强度准则,建立了破坏强度与围压和水合物饱和度间的关系,该关系式可以较好地预测强度的变化。     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

尾砂充填体力学参数混沌优化反分析研究

采场尾砂胶结充填体力学参数难以在实验室得到,有必要用反分析方法获取.采用有限元方法对不同充填体力学参数的变形结果进行计算,建立充填体力学参数与其变形结果的神经网络映射模型.用混沌优化与神经网络映射模型相结合,实现了充填体力学参数反演计算.对安庆铜矿高阶段充填体工程实例进行了分析,得出了不同配比尾砂胶结充填体力学参数.研究结果表明,混沌优化与神经网络相结合的反分析方法能实现全局寻优,具有较高的计算精度.图2,表3,参8.