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.     

动载下高浓度全尾砂胶结充填体的力学特性

为了研究动载下高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的力学性能,制备直径×长度为50 mm×25 mm的HTB试件,通过静态单轴压缩试验和分离式霍普金森杆(SHPB)单轴冲击试验,对试件的动静荷载下的力学性质进行比较,研究试件动态抗压强度、动态应变、强度增强因子、比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明:HTB试件对弹性波传播有较强的阻尼作用;HTB试件临界破坏的平均应变率为103 s-1,最大应变率可达265 s-1;随着应变率增大,试件的动态抗压强度、动态强度增长因子、峰值应变随之增大,应变率越高,达到峰值强度历时越短;动载下HTB试件出现1~2次破坏-压实过程;在低应变率下,试件沿轴向呈现脆性劈裂破坏,在高应变率下,破坏形式为压碎破坏;随着入射能量增大,反射能、试块吸收能量及比能量吸收均呈线性增长趋势,由于波阻抗效应,透射能较小,试块具有较强的吸收和反射能特性。     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置对砂岩进行动态冲击压缩试验,通过不同的加载气压实现不同应变率条件下对煤矿区的砂岩进行冲击压缩,以此来分析煤矿区砂岩的动力学特性以及能量损耗规律。根据试验结果分析可得,应力-应变曲线反映出砂岩的动态弹性模量及峰值应力都表现出明显的应变率效应,动态压缩强度表现出很强的应变率效应,两者之间呈现线性关系;在动态冲击压缩中,动态抗压强度高于静态抗压强度,通过动态强度增长因子DIF可以反映岩石在动载条件下的强度指标;随着应变率的增大,砂岩试样单位体积吸收破碎耗能增加,试样破坏更严重,破坏程度与单位体积破碎耗能之间形成很好的对应关系。同时借助SEM扫描电镜分析冲击压缩后试样微观条件下的破坏模式,结合宏观上的破坏形态共同分析岩石的损伤特性。     

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.     

单轴压缩下不同养护龄期尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散分析

为了研究养护龄期对尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散的影响,在RMT-150C岩石力学试验系统上对不同养护龄期下尾砂胶结充填体进行单轴压缩试验。研究结果表明:养护龄期的延长能够有效阻碍试件裂纹的萌生与扩展,抑制试件内部能量的扩散,使线弹性变形阶段能够延伸到更高的水平,从而提高了充填体抗压强度;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养护龄期呈指数函数曲线关系;充填体峰前和峰后的能量耗散速率与养护龄期具有良好的指数正相关性,充填体的峰后能量耗散速率显著大于峰前能量耗散速率,说明峰前损伤较慢,而峰后则快速损伤破裂,耗散能曲线突然变陡意味着充填体开始破坏;在养护早期,充填体的峰前能耗量和总能耗量随轴向应变增大其增幅较低,总能耗与轴向应变呈指数函数曲线关系;充填体的峰值应力损伤与养护龄期具有良好的指数正相关性;单轴加载下充填体受压破坏的能量损伤演化机制可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段。     

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。     

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.     

铀尾砂胶结充填体三轴压缩试验及非线性强度准则研究

充填采矿法是矿山开采的重要施工方法,探究尾砂胶结充填体回填采空区后的强度特性具有重要的理论研究和工程实际意义。以铀尾砂胶结充填体为研究对象,研究砂灰比和围压对胶结充填体力学性能的影响。随后基于三种强度理论,以试验数据为基准,对不同砂灰比铀尾砂胶结充填体强度进行预测。研究结果表明砂灰比对尾砂胶结充填体的力学特性有较大的影响;（1）砂灰比为4,围压小于4MPa时,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变软化型,砂灰比大于4.铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变硬化型（2）粘聚力和内摩擦角随着砂灰比的增大而减小,并逐渐趋于平稳。并呈指数下降趋势,（3）Rocker准则公式简单,能精准的预测不同砂灰比条件下铀尾砂胶结充填体的强度。并提出考虑砂灰比的铀尾砂胶结充填体的Rocker强度准则,并验证其具有良好的预测效果,上述研究将为矿山充填开采提供有益的参考。     

煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性,利用分离式Hopkinson压杆对皖北矿区祁东煤矿的砂岩试件进行冲击压缩试验,得到了试件应变率变化时程曲线和动态应力-应变曲线。试验结果表明:采用3种冲击气压加载,入射波形均近似为梯形波;试件应变率随冲击气压提高而增大,应变率曲线中有一段近似恒应变率平台,可实现恒应变率加载;试件动态破坏形态在低应变率下为径向外围剥落式拉伸破坏模式,在高应变率下则为颗粒状粉碎破坏模式。随应变率增加,碎块尺寸减小且碎块数量增加,具有明显的应变率效应;试件动态抗压强度与平均应变率近似乘幂关系,显示出较强的相关性。     

双掺粉煤灰-矿渣水泥砂浆动态力学性能试验研究

为了研究粉煤灰与矿渣对水泥砂浆动态力学性能的影响,用粉煤灰与矿渣替代40%的胶凝材料,其中矿渣掺量分别为0、10%、20%、30%、40%,采用?50 mm的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验装置,对各组砂浆进行4种加载气压的冲击压缩试验,并测试砂浆的静态抗压强度。对不同冲击气压下的应力-应变曲线、动态强度增长因子(dynamic increase factor, DIF)和破坏形态进行分析。结果表明：随着矿渣掺量的增加,砂浆的静动态抗压强度均随之增大,掺量为30%～40%时已接近甚至超过对照组砂浆,但动态抗压强度提升幅度有减缓趋势;相同矿渣掺量下,砂浆的动态峰值应力、动态峰值应变、平均应变率和极限韧性均与冲击荷载大小呈正相关,有明显的应变率效应;平均应变率在91.15～158.34 s^-1时,掺30%～40%矿渣砂浆的动态抗压强度和DIF均高于对照组;冲击气压越大,砂浆破坏程度越高,掺30%～40%矿渣砂浆的碎块数量更少、尺寸更大。因此掺30%～40%矿渣砂浆具有更优越的抗冲击性能,这为工业废料的合理利...     

高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响

干热岩开采等实际工程中高温-水冷循环和强扰动加剧了岩体力学性能的劣化,极易影响工程安全性和经济性。为研究高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响,对400℃下经历不同次数（0、2、4、6次）高温-水冷循环后的色季拉山花岗岩进行物理性质试验,采用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）进行冲击压缩试验,通过破碎形态和分形维数分析花岗岩试件破碎规律。结果表明:随着循环次数的增加,花岗岩外观颜色变暗、变黄,表面裂纹增多,粗糙程度增大;花岗岩密度、P波波速、动态抗压强度与循环次数均呈负相关,P波波速和动态抗压强度在前2次循环期间分别急剧下降42.53%和4.57%～10.80%;在相同循环次数下,花岗岩动态抗压强度随加载速率的增大而显著增加,表现出明显的应变率强化效应;在相同加载速率下,花岗岩破碎程度随循环次数的增加而加剧,在相同循环次数下,花岗岩主要破坏形式随加载速率的增加由劈裂破坏变为块状、粉碎破坏;花岗岩分形维数变化规律与破碎形态变化规律一致,经历6次高温-水冷循环,分形维数增幅为3.44%～11.52%。     

加载速率对分层充填体强度特性的影响

随着阶段嗣后充填采矿法的广泛应用,相邻矿体的开采扰动必然会对分层充填体的力学性能产生影响。为了研究不同加载速率对分层充填体强度特性和破坏模式的影响,分别对养护3、7、28天的分层充填体进行了0.2 、0.5、1.0、1.5、2.0 mm/min 5种加载速率下的单轴压缩试验,根据不同加载速率的单轴抗压强度试验结果,分析了不同养护龄期的分层充填体强度及破坏模式与加载速率之间的关系并建立了回归方程。试验结果表明:不同加载速率下分层充填体的应力应变曲线与完整充填体类似。养护龄期3天时,分层充填体的单轴抗压强度随加载速率的增加而逐渐减小,养护龄期7、28天时,存在临界加载速率现象。在临界加载速率范围内,提高加载速率可以限制初始缺陷的发育,达到临界加载速率后,加载速率将会促进分层结构面的分离、错动及原始缺陷的扩展延伸,抗压强度降低。分层充填体的破坏模式随加载速率变化,在临界加载速率时破坏模式有明显转变,随着加载速率的增加,养护3天时,分层充填体的破坏模式由拉伸剪切混合破坏变为拉伸破坏。养护7、28天时,当达到临界加载速率时破坏模式转变共轭剪切破坏,中间层破坏严重且与上下两层产生明显分离、错动。本研究通过室内试验得到临界加载速率,为研究分层充填体的强度特性提供了重要的研究依据。     

连续级配胶结充填体力学特性及声发射特征

基于程潮铁矿尾砂胶结充填背景,配制7组不同Talbol指数n的连续级配胶结充填体试样,开展了单轴压缩胶结充填体声发射(AE)监测试验,获取了胶结充填体强度及声发射特征参数.研究结果表明:连续级配胶结充填体的强度随n的增大呈震荡上升,达到最大值后骤然下降,当n=0.5时,连续级配胶结充填体强度最优,连续级配胶结充填体试样破坏后表壁以主裂纹为主,主裂纹发育完整,属于单一裂纹贯穿破坏,当n≠0.5时,主裂纹沿扩展方向发生偏转,属于裂纹绕行扩展破坏;当n=0.5时,声发射能率与累积能量均呈现出明显与全应力应变曲线对应的阶段性变化特征,当n≠0.5时,声发射能率呈现周期性间断峰值变化规律,累积能量表现为明显的阶梯性变化特征.     

动载作用下玻璃纤维增强复合材料管砂浆能量耗散分析

为了研究动载作用下GFRP管砂浆的能量耗散情况,通过应用分离式霍普金森压杆实验装置对4种不同壁厚的GFRP管砂浆试块进行动态劈裂拉伸试验,研究其在4种应变率下的能量耗散规律。结果表明,GFRP管砂浆试块的入射能、反射能均与应变率呈正相关,随着应变率的增大呈上升趋势,壁厚为3 mm和4 mm时,吸收能提升的幅度较大,壁厚为2 mm和5 mm时,吸收能提升的幅度较小。GFRP管砂浆试样的反射能、透射能、吸收能与入射能呈正相关。GFRP管砂浆试块透射能随GFRP相对壁厚的增加经历两个阶段的变化,透射能曲线先是线性增加后是增长趋于稳定保持不变。GFRP管砂浆试块耗能密度与入射能具有良好的线性关系,5 mm壁厚试块耗能密度最大但其增长幅度最小,3 mm和4 mm壁厚试块耗能密度增长幅度最大,2 mm试块耗能密度增长略高于5 mm试块。试件沿着加载轴线呈对称式破坏,应变率越大破坏程度越大,GFRP管壁厚越大破坏越明显。     

云南某铅锌矿全尾砂膏体室内实验研究

对云南某铅锌矿采用全尾砂膏体充填方案开展了室内实验研究,分析了全尾砂基本物理化学性质(粒级组成、化学成分),并进行了全尾砂自然沉降试验、坍落度试验、全尾砂试块单轴强度试验,获得了全尾砂及全尾砂胶结料的自然沉降特性、流动性能、析水性能及强度特性.试验结果显示:全尾砂自然沉降2~3 h后,重量浓度达到72%~76%,需要添加絮凝剂加快沉降;全尾砂胶结料的重量浓度为78%~79%时,坍落度为24~17 cm,基本无析水(1%~0.6%),充填料呈膏体状态,适合长距离输送;全尾砂膏体配合比在1∶4~1∶12时,28 d单轴抗压强度达到1~4 MPa.室内实验初步表明该矿山可以采用全尾砂膏体充填方案.     

煤矿泥岩和砂岩冲击破碎与耗能特性试验研究

为研究施工动载对巷道围岩的影响,采用直径为50 mm的分离式Hopkinson试验装置开展了冲击荷载作用下煤矿井下见的泥岩和砂岩的动态力学性能试验研究。试验结果分析表明:在试验的应变率范围内,随着子弹冲击速度的增大,所携带的冲击动能越大,两种岩石试件的破碎块度越小;随着应变率的增加,泥岩和砂岩的动态屈服强度都有明显的增加,砂岩的动弹性模量保持恒定、而泥岩动弹性模量则逐渐增加;两种岩石的动态单轴抗压强度都随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;两种岩石的耗散能都与应变率呈正线性关系,破碎尺寸则与应变率呈负线性关系。     

胶结充填体冲击破坏及损伤演化数值模拟研究

为定量描述胶结充填体在动载作用下的损伤程度及破坏过程,利用数值模拟软件对胶结充填体进行SHPB动态冲击,并通过室内SHPB冲击试验结果验证数值模拟方法的可行性. 对不同冲击速度（1.5 ,1.7 ,1.8 ,2.0 m/s）条件下4种配比胶结充填体（灰砂质量比分别为1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10）,采用微裂纹密度法定义损伤变量值d,进行损伤规律及破坏过程的数值模拟研究. 结果表明:数值模拟中使用波形整形器可获得更加理想的矩形波,使试件同一平面单元所受应力均匀,无应力集中现象;数值模拟结果很好地展现了胶结充填体的动态破坏过程,其整体破坏趋势为边缘发生剥落后裂纹向内部延伸与贯穿;在加载速度从1.7 m/s增加至1.8 m/s的过程中,损伤变量增大幅度超过10％;冲击速度由1.5 m/s增加至2.0 m/s的过程中,灰砂质量比为1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10的胶结充填体的损伤变量d变化范围分别为0.238～0.336,0.274～0.413,0.391～0.547,0.473～0.617,灰砂质量比1∶6变化至1∶8时,出现明显的损伤“跃升”现象.      

煤矿泥岩和砂岩冲击破碎与耗能特性试验

为研究施工动载对巷道围岩的影响,采用直径为50 mm的分离式Hopkinson试验装置开展了冲击荷载作用下煤矿井下见的泥岩和砂岩的动态力学性能试验研究。试验结果分析表明:在试验的应变率范围内,随着子弹冲击速度的增大,所携带的冲击动能越大,两种岩石试件的破碎块度越小;随着应变率的增加,泥岩和砂岩的动态屈服强度都有明显的增加,砂岩的动弹性模量保持恒定、而泥岩动弹性模量则逐渐增加;两种岩石的动态单轴抗压强度都随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;两种岩石的耗散能都与应变率呈正线性关系,破碎尺寸则与应变率呈负线性关系。     

含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析

含硫胶结充填体随着养护龄期的延长会出现膨胀开裂现象,存在明显裂隙的充填体试件再进行单轴抗压强度测试其结果十分离散,已不能有效地获得充填体力学参数.在室内进行配比试验,采用数字图像处理技术对得到的充填体表面裂隙图像进行二值化、去噪等预处理,而后计算其分形维数并分析其演化规律,且将分形维数与单轴抗压强度关联分析.研究结果表明:充填体试件面表的裂隙存在自相似性,表面裂隙越发育,其分形维数越大;分形维数与单轴抗压强度存在负相关关系,分形维数越小,其单轴抗压强度越高;分形维数可判别含硫充填体试件的完整性,当充填体表面裂隙的分形维数小于某阈值时,强度试验的结果更为可靠.     

砂岩和花岗岩的动态性能与能量耗散分析

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,对砂岩和花岗岩在应变率49~97s-1下进行了冲击压缩试验,对比分析了两种材料的动态力学特性和破坏形态.结果表明:两种材料的动态抗压强度,破坏程度和能量吸收随应变率的增大而增大,而花岗岩的能量耗散率则随着应变率增大而逐渐减少,呈现出较强的应变率相关性;初始弹性模量、峰值应变和砂岩的能量耗散率在3种应变率下的差别不大,应变率敏感性较弱.分析加载过程中两种试件能量吸收和耗散率的曲线,并从微观结构的角度对其动态破坏形态进行归纳分析.通过试验有效性的验证,证明试验较好地满足了均匀性假定.