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.     

膏体充填材料强度影响因素分析

针对影响膏体充填材料强度的因素。通过大量的试验，揭示了以河砂为骨料的膏体充填材料强度与各影响因素间的关系。试验结果表明，影响膏体充填材料强度的主要因素有质量分数、粉煤灰掺量种类以及养护龄期等。相同条件下，膏体充填材料强度与料浆质量分数、粉煤灰掺量和养护龄期成正比关系。这些结论将为煤矿膏体充填不迁村采煤技术的实施提供一些参考。     

充填体强度设计知识库模型

综合分析了国内外充填矿山的工程实践资料,并用分形维数来表征充填材料的级配特性,将矿体埋藏深度、矿体长度、矿体厚度、充填体暴露高度、充填体暴露面积及充填材料分形维数6个因素作为输入,充填体设计强度作为输出,建立了充填体强度设计的神经网络知识库模型.为了避免神经网络易陷入局部极小以及收敛速度慢等缺陷,采用遗传算法对神经网络进行优化,提高了神经网络学习效率.通过对知识库模型进行检验,发现其具有很高的计算精度.研究表明,随着开采深度的增大,充填体设计强度必须随之增大;充填体侧向暴露面积越大,所要求的充填体强度越高.将该模型应用于三山岛金矿,设计了合理的充填体强度.     

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.     

围岩与早期强度阶段充填体耦合作用的模拟试验研究

选用全精炼工业石蜡和以石蜡为胶结剂的尾砂石蜡拌合料作为两种充填体模拟材料,通过轴向加载测试并借助超声波检测仪、声发射信号分析仪、裂纹扩展显微成像设备等,对处于早期强度阶段的充填体与围岩的耦合作用机理进行试验研究。结果表明,石蜡和尾砂石蜡这两种材料的力学变形特征与矿山所用充填体早龄期的力学性能相似,用其模拟处于早期强度阶段的胶结充填体是合理和可行的;在加载过程中,围岩/充填体复合试样的破坏裂纹主要沿着围岩与充填体接触面扩展;试样内超声波声速值衰减幅度越大的区域,其内部损伤破坏越严重;试样加载过程中的声发射点分布情况进一步验证了损伤破坏在充填体与围岩接触带区域发生较多,这与裂纹扩展情况相符。     

沿空留巷覆岩释放能量与充填体变形能的匹配

为更好缓解工作面采掘衔接紧张和进一步提高煤炭资源回收率,对沿空留巷技术的相关问题进行了更深入的研究.在不同养护时间下,分别测定了不同水灰质量比、不同料浆体积分数条件下的巷旁充填体试样的单轴杭压强度,建立了巷旁充填体单轴抗压强度与养护龄期的关系.结果表明:最终抗压强度值、强度增长稳定龄期、强度影响系数、初期强度等力学参数能定量描述充填体的强度随养护龄期的变化特征.引入能量匹配系数表征充填体受压变形比能与覆岩加载于充填体能量之间的关系,最终采用屯兰矿工程实例验证了研究结果.     

充填体应力分布理论分析及数值模拟对比研究

考虑充填采场上下盘倾角不等,以及围岩与充填体交界面处由于剪切摩擦作用力会发生主应力方向的偏转,在土力学理论的基础上,引入考虑主应力方向发生偏转时的侧压力系数;同时考虑水平微分单元体的受力平衡,推导得出了充填体中的竖向应力解析表达式.研究表明:考虑主应力方向发生偏转时的侧压力系数随采场高度发生变化;当充填采场下盘倾角相同时,上盘倾角越大,由围岩与充填体交界面处摩擦力引起的主应力方向偏转程度越小,成拱效应越不显著;充填体与围岩交界面处的摩擦角对充填体内部的成拱效应影响较大,而充填体的内聚力对成拱效应影响相对较小.     

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.     

壁后充填膏体监测技术与性能评价

实现对充填膏体性能的井下现场实测.基于自主知识产权的KJ216顶板压力在线监测系统,使用耐高温、高压、防水的充填体变形监测仪、压力传感器和温度传感器,对膏体应力、应变和水化温度进行实时监测.监测结果表明:充填体在采空区后方80 m左右逐步被压实并趋于稳定;上覆岩层的总变形量在300 mm左右,其中充填体的变形量在104.3 mm左右,充填体压缩率为5%;充填体的水化温度最高达54℃,对充填体早期强度有促进影响,水化反应在第2天最为强烈,4天以后趋于稳定.     

改进蒙特卡洛算法及其在高阶段充填采矿中的应用

用简便、经济、可靠的方法产生随机数是蒙特卡洛法应用的关键.用Logistic迭代方程产生随机数,不仅简单可靠,而且符合要求,改进了蒙特卡洛算法,为工程可靠性计算提供了一种新的方法.对高阶段充填体进行了力学分析,采用微元应力分析法,推导了分层充填力学计算公式.用改进蒙特卡洛算法分析了高阶段充填体稳定性,并应用于某铜矿5号采场高阶段充填设计.研究结果表明,充填体暴露高度越高,充填体内应力越大,充填体暴露长度越小,充填体向上下盘围岩转移应力的效果越显著,因此缩短采场长度有利于充填体稳定性和降低充填成.     

充填体强度影响因素及组合预测模型

水灰比、堆积密实度和比表面积是充填体强度的重要影响因素，但有关各因素对强度影响显著性的研究较少，为此通过3因素5水平正交试验，分别对龄期为3d，7d和28d的试块开展单轴抗压强度试验.对试验结果进行方差分析，获得不同龄期各因素F统计值比(水灰比∶堆积密实度∶比表面积):3d为698.404∶26.148∶0.910，7d为862.626∶35.465∶1.286，28d为1585.404∶31.695∶1.338.分析各因素F统计值和P值，确定因素显著性大小关系为:水灰比>比表面积>堆积密实度;水灰比和比表面积为主要影响因素，堆积密实度为次要因素，所以控制水灰比可以有效控制充填体强度.绘制各因素水平趋势图，以最有利于充填体抗压强度原则确定最优组合为水灰比1.2，比表面积410m²/kg，堆积密实度0.6%.改变最优配比中水灰比值，开展30组不同水灰比的3d，7d和28d试块的抗压强度试验.以试验强度为原始数据，结合灰色预测、模糊分类和马尔可夫理论，建立3d，7d和28d试块强度组合预测模型；分析实测值与GM(1，2)模型、曲线回归模型和组合模型预测平均相对残差，结果表明，组合模型较其他模型具有较高的精度和稳定性.     

尾砂充填料浆流变性能模型与试验研究

以地下矿山尾砂充填料为研究对象,试验研究与理论分析相结合的方法,利用R/S+流变仪和岩石力学试验机对充填料浆的流变性能进行试验研究.引入Papanastasiou黏塑性流体模型来表征尾砂充填料浆的黏度和切应力变化过程.研究结果表明:该黏塑性流体模型预测的结果和试验结果相吻合,因此可用于理论分析计算;得到不同的压力增长指数下切应力-切变速率曲线;尾砂充填料浆的黏度和屈服应力随料浆质量分数的增加而增大;同一质量分数下,胶结尾砂的黏度和屈服应力比全尾砂大.通过对充填料浆流变性能的研究,为矿山充填设计提供了理论和实验依据.     

考虑平动位移效应的黏性填土挡土墙土压力计算

针对平动位移模式下的刚性挡土墙墙后填土为黏性土的情况,研究了考虑平动位移效应的非极限状态土压力计算.对平动模式下未达到极限位移的挡土墙,结合前人提出的考虑位移效应时,墙后填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角之间的关系,用水平层法分析了墙后土楔的受力情况,得到了考虑位移效应的非极限状态的黏性土主(被)动土压力计算公式,通过比较发现,理论公式与实验结果较吻合.     

基于回转输运试验的煤散料离散元接触参数修正

为获取精确的刮板输送机离散元模拟结果，基于回转输运试验，通过响应面法对煤料的接触参数进行修正.采用Plackett-Burman试验考察接触参数对受力及堆积角的影响，发现煤-钢静摩擦系数、煤-煤摩擦系数具有显著正效应.根据爬坡试验结果，以受力及堆积角为响应值规划Box-Behnken试验，建立受力、堆积角与显著项间的二次回归多项式，以实测数据为目标值求得最佳参数:煤-钢静摩擦系数为0.401，煤-煤静摩擦系数为0.333，煤-煤滚动摩擦系数为0.041.通过不同输运条件下的回转试验验证了参数的准确性，为刮板输送机的离散元研究提供参考.     

节理千枚岩能量传递与动力学特性

采用SHPB装置研究不同节理倾角千枚岩在同一冲击速度下的能量传递规律和强度衰减特征，分析干燥与饱和状态下节理千枚岩的动力学特性.结果表明:节理倾角0°时强度最大，60°时强度最小，饱和状态下千枚岩峰值动强度降低，延性增强；千枚岩的反射能显著大于透射能，且随着节理倾角变化，两者增长变化规律相反；饱和状态下反射能和透射能达到稳定阶段出现时间滞后现象；随着节理倾角的增大，千枚岩反射能比先增后减，透射能比、耗散能比则变化相反，倾角60°时反射能比最大，透射能比、耗散能比最小；随着节理倾角的增长，千枚岩破坏耗能与峰值强度均呈U型分布.     

豆砾石回填降低双护盾TBM卡机风险的效用影响分析

双护盾TBM掘进豆砾石回填速度对于围岩支护效果具有一定影响,以西藏某公路隧道护盾卡机段为研究对象,构建了双护盾TBM掘进过程数值模拟分析模型,以回填物强度变化直接反应回填时间同时考虑回填段长度变化,研究豆砾石回填对围岩屈服、收敛变形、护盾接触面积、设备推进所需克服摩阻力等影响规律,进而研究豆砾石回填工序对于降低双护盾TBM卡机风险的减灾作用。结果表明：豆砾石快速回填不会改变围岩收敛变形宏观分布特征,对围岩塑形屈服区的总体分布、屈服类型及体积具有一定影响;豆砾石快速回填可以控制围岩收敛变形,减小围岩与护盾接触面积,进而降低TBM推进所需克服护盾摩阻力,具有一定的降低卡机风险效果,但对于挤压变形较大洞段,需要与其他主动防控措施相结合采用,研究结果可为相类似工程进行双护盾TBM护盾卡机风险防控措施选择提供参考。     

Pastor-Zienkiewicz砂土模型静力参数变形敏感性分析

基于广义塑性理论，针对Pastor-Zienkiewicz(P-Z)砂土模型静力参数，划分为3个方面8个参数，分别分析了各参数变化时对竖向位移的敏感性.研究表明:模型各参数在-40%~40%变化时，弹性模量E的敏感性最大，竖向位移变化率可达66.05%，其次为内摩擦角φ和泊松比μ，竖向位移变化率在±10%以内.而与塑性模量相关的参数，竖向位移变化率均低于±1%，当缺少实测数据时，可根据土工实验资料取值.研究结论可为P-Z砂土模型在地基变形计算时参数的选取提供依据.     

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。     

基于可拓理论的边坡强度指标

基于可拓理论,从3个层次5个指标建立了边坡稳定性评价指标体系,研究了内摩擦角和黏聚力对边坡稳定性的影响,给出了抗剪强度参数与安全系数之间的数量关系.研究结果表明:随内摩擦角和黏聚力的增大安全系数呈线性增大,且内摩擦角对安全系数的敏感性明显大于黏聚力对安全系数的敏感性.最后,基于安全、经济、高效的原则,采用锚杆措施对辽宁省小盘岭边坡进行加固处理.