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。     

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。     

不同厚度充填体-围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力—应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa、峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生 X 型剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好的表征不同充填体厚度试件的全过程应力—应变曲线,利用文献[26]数据进行验证,发现模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量 D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

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.     

烧结法赤泥全尾砂胶结充填料

为了解决全尾砂、赤泥大量堆积产生的环境问题,实验采用烧结法赤泥、全尾砂等固体废弃物制备矿山充填料.结果表明:胶结剂的优化配比为赤泥49.2%+矿渣32.8%+熟料10%+石膏8%;充填料强度随着全尾砂掺量的增加而急剧下降;试块在水化初期即出现钙矾石、C-S-H凝胶,这些水化产物对早期强度的提高有很大帮助;差式扫描-热重分析表明试块在水化初期即可固结大量水.烧结法赤泥全尾砂胶结充填料具有早期强度高、固结水量大以及大量利用废料等特点,可满足目前矿山充填的需要.     

金川镍矿全尾砂-棒磨砂混合充填材料工业充填试验研究

针对金川下向进路式胶结充填法采矿工艺,开展了全尾砂-棒磨砂混合充填料的工业试验研究。试验结果表明,添加30%的全尾砂充填料,不仅提高了充填体强度,而且还可降低充填体的沉缩率、改善砂浆流动性,完全满足金川矿山安全充填采矿的要求。开展全尾砂充填料的工业化生产,能够弥补棒磨砂充填料的严重不足,显著降低充填采矿成本,从而获得更好的经济效益和社会效益。     

尾砂级配的混沌优化

采用分形理论研究分级尾砂的级配.计算国内外大量矿山尾砂材料的分形参数,研究尾砂的分形级配与其胶结强度的关系.采用神经网络建立尾砂胶结强度与水泥质量分数、料浆浓度、尾砂颗粒分维数、孔隙分雏数及分维数相关率的知识库模型.研究结果表明,尾砂胶结强度与其分形级配相关;随着尾砂颗粒间孔隙分雏数减小,充填体强度增高;尾砂分雏数相关率越大,充填体强度越大.用所建立的神经网络知识库模型,利用Logistic迭代方程的混沌遍历特性,采用混沌优化方法研究使充填体达到最佳强度的选矿尾砂最优分级.根据采场脱水工艺,应用该方法,获得安庆铜矿选矿尾砂的最佳级配参数.工程应用结果显示,该方法年增加尾砂用量2.87万t,胶结充填体强度提高8%,为矿山年节约充填成本55.8万元.     

双暴露面的阶段充填体孤柱需求强度模型及影响因素

阶段充填体孤柱侧壁均暴露、处于双轴受力状态，易发生剪切破坏.为合理确定其所需强度值，根据Terzaghi松散地压理论和滑楔体极限平衡理论，建立了孤柱需求强度数学计算模型，分析了需求强度的影响因素.结果表明:阶段充填体孤柱需求强度值与采场埋深和结构参数呈正相关，与充填体内摩擦角、充填体-围岩接触面摩擦系数和摩擦角呈负相关.该研究成果对指导矿山充填配比设计、防止地表塌陷和环境保护等具有现实意义.     

金川全尾砂棒磨砂新型充填胶凝材料试验研究

利用矿渣、粉煤灰等固体废弃物,开展新型充填胶凝材料试验,是解决金川矿山固体废弃物资源化利用和降低充填成本的重要途径。对金川矿区可以利用的尾砂、棒磨砂等充填骨料的物化特性进行分析和颗粒级配研究;进行新型充填胶凝材料配比正交试验。在此基础上,采用统计回归分析和参数拟合方法,建立新型充填胶凝材料胶结充填体强度与激发剂掺量的函数关系,并以胶结充填体强度为优化目标,以激发剂掺量范围作为约束条件,建立新型充填胶凝材料配比的优化模型。求解优化模型获得全尾砂-棒磨砂混合充填料的新型充填胶凝材料优化配比。最后,对新型充填胶凝材料进行验证试验。结果表明,开发的新型充填胶凝材料满足金川矿山对胶凝材料的要求,从而为金川矿山固体废弃物利用提供了依据。     

Experimental study on dynamic mechanical property of cemented tailings backfill under SHPB impact loading

Cemented tailings backfill(CTB) have increasingly been used in recent years to improve the stability of mining stopes in deep underground mines. Deep mining processes are often associated with rock bursting and high-speed dynamic loading conditions. Therefore, it is important to investigate the characteristics and dynamic mechanical behavior of CTB. This paper presents the results of dynamic tests on CTB specimens with different cement and solid contents using a split Hopkinson pressure bar(SHPB). The results showed that some CTB specimens exhibited one to two lower stress peaks after reaching dynamic peak stress before they completely failed. The greater the cement-to-tailings ratio is, the more obvious the strain reaction. This property mainly manifested as follows. First,the dynamic peak stress increased with the increase of the cement-to-tailings ratio when the impact velocity was fixed. Second, the dynamic peak stress had a quadratic relationship with the average stress rate. Third, the cement-to-tailings ratio could enhance the increase rate of dynamic peak stress with strain rate. In addition, the dynamic strength enhancement factor K increased with the increase of strain rate, and its value was larger than that of the rock samples. The failure modes of CTB specimens under low-speed impact were tensile failure and X conjugate shear failure, where were nearly the same as those under static uniaxial and triaxial compression. The CTB specimens were crushed and broken under critical strain, a failure mode similar to that of low-strength concrete. The results of the experimental research can improve the understanding of the dynamic mechanical properties of CTB and guide the strength design of deep mining backfills.     

深部开采岩爆预测的神经网络方法

岩爆是深部高地应力岩石地下工程中的一种常见灾害,其影响因素之间存在着极其复杂的非线性关系。在综合分析基础上,选取开采深度、围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度和抗拉强度比值、岩石冲击性倾向指数作为岩爆预测的评判指标。应用人工神经网络方法,建立了岩爆预测的计算模型,利用国内外一些深部开采、岩石地下工程资料作为学习样本和测试样本对模型进行训练。该模型成功应用于某矿巷道的岩爆预测,预测结果与实际情况一致,此研究为深部开采岩爆预测提供了新的途径。     

减水剂与粉煤灰对全尾砂胶结充填料浆流变性能的影响

全尾砂胶结充填料浆流变性能直接影响其工作性能。采用Brookfield RST-SST型流变仪定量分析了聚羧酸(PC)、萘系(PNS)和三聚氰胺系(PMS)3种类型高效减水剂与粉煤灰单掺和复掺时对料浆流变性能的影响。结果表明:无论减水剂类型,掺入料浆后均可降低其屈服应力和塑性黏度且减水剂掺量越高降低幅度越大,料浆流变性能改善效果越好。3种类型减水剂对料浆流变性能改善程度存在差异,其中PC作用效果最好。减水剂的改性效果随着胶结料的持续水化而出现缓慢退化;随粉煤灰掺量的增加,料浆的屈服应力和塑性黏度呈整体降低趋势,其作用机理主要源于"形态效应";减水剂与粉煤灰两者在改善料浆流变性能方面具有协同效应,复掺后可显著改善料浆的流变性能,效果明显优于单掺改性效果。     

多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征

为研究多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征,建立考虑扰动效应的时效损伤本构模型.二次开发扰动效应的时效损伤本构模型,并建立数值模型验证了开发程序的正确性.将本构模型应用于深部巷道多次爆破开挖的数值模拟中,研究围岩累积损伤演化特征与破裂特征.结果表明：地应力对巷道围岩爆破累积损伤有抑制作用,地应力越大,抑制作用越明显;围岩的损伤程度随爆破扰动次数的增加呈现非线性累积特征,围岩损伤范围也随着爆破荷载作用次数的增加而扩大;巷道围岩近区在多次爆破荷载作用下损伤严重,巷道围岩表层出现破裂现象.     

湘西金矿极不稳固顶板的稳定性控制研究

作者运用边界单元法分析了湘西金矿充填料矿体二次回采采场围岩中的应力，确定了采场顶板中拉应力区和免压拱的位置，首次提出了利用免压拱控制采场顶板稳定性的观点；以此为基础设计和实施了回采前采用长锚索预控顶，回采时采用锚杆、金属网和喷浆护顶，回采后采用尾砂胶结充填采空区的联合控顶方案．试验结果表明，这种控顶方案是非常有效的，可在同类极不稳固顶板的稳定性控制中推广应用．     

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。     

急倾斜矿体充填法回采的FLAC~（3D）模拟

针对四川省宁南县银厂沟矿和骑骡沟矿开采,采用三维有限差分程序FLAC3D法,建立了两种不同水平回采厚度的上向分层充填法开采的数值模拟模型,研究了采场上覆岩层的稳定性.研究表明:矿体厚度对采场的稳定性起着决定性作用;适当地选择采空区的暴露面积是控制采场围岩灾变的有效途径;三维有限差分法能较好地模拟上向分层充填法的开采动态,模拟结果也为类似条件下矿山的开发提供了重要的参考.     

露天煤矿岩质高边坡下充填开采研究

为研究在露天煤矿岩质边坡下开采对边坡稳定性的影响,以阜新矿区某露天煤矿边坡为研究对象,采用相似材料模拟进行边坡下充填开采的研究,并使用有限元软ADINA建立三维模型,采用有限元折减法计算了未开采、全陷开采和充填开采边坡的安全系数。研究表明,充填开采后边坡的安全系数明显大于全陷开采的安全系数,充填开采能有效地控制露天矿岩质边坡的移动和变形,边坡的位移值沿坡脚向坡顶方向逐渐减小,对边坡稳定影响较大的因素为坡顶边缘位置的水平移动和水平变形,在露天煤矿岩质边坡下进行充填开采是切实可行的。