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。     

单轴压缩下充填体-围岩组合体力学特性与能量演化规律

为研究矸石胶结充填体-围岩组合体力学特性和能量演化规律,对不同接触面倾角的组合体试件进行单轴压缩试验,对破坏过程的力学特性、声发射特征和能量演化规律进行分析。研究结果表明：接触面倾角0°、15°和30°的组合体试件发生延性破坏,接触面倾角45°、60°、75°、90°的组合体试件发生脆性破坏。随着荷载的持续增大,组合体试件在峰值应力处都产生大量声发射信号;随接触面倾角的增大,拉伸破坏占比呈先增加后减小趋势,在接触面倾角为45°时达到最大。不同接触面倾角组合体试件在峰值应力前弹性应变能呈非线性增加,耗散能曲线斜率随着接触面倾角增加逐渐减小;峰后破坏阶段曲线演化规律与组合体试件的破坏类型有关。延性破坏时,弹性能耗比曲线整体先下降,后在峰值应力处转为呈上升趋势;脆性破坏时,弹性能耗比曲线整体呈下降趋势,在峰值应力处达到最小值。声发射特征和能量演化规律与组合体试件破坏过程相关性较好,可为组合体破坏预测提供有效前兆信息。     

围岩-支护体耦合作用机理及其最优化设计方案

基于巷道开挖面的空间效应,根据弹塑性理论建立巷道围岩-支护体耦合作用模型,研究支护位置和支护体厚度与巷道位移、支护反力和围岩塑性区半径之间的关系;并在此基础上,根据最优化方法建立巷道耦合支护最优化模型,研究原岩应力、巷道断面以及支护体力学性质等因素对巷道支护方案的影响.结果显示,随着支护体厚度的减小及支护体离开挖面距离的增大,巷道位移和巷道围岩塑性区半径逐渐增大,而支护反力逐渐减小;在支护体受力处于临界状态的情况下,支护体厚度随着原岩应力的增大、巷道断面的增大以及支护体离开挖面距离的减小而增大.     

阶段嗣后胶结充填体矿柱强度模型研究与应用

利用滑楔体极限平衡理论,建立胶结充填体矿柱侧向滑移失稳模型,考虑采场结构参数、充填材料自身特性和充填体−矿岩(柱)接触面特性的影响,分别得出胶结充填体矿柱与矿壁和非胶结充填体矿柱接触时所需强度模型。以中关铁矿为工程分析实例,开展室内充填配比试验。研究结果表明：当胶结充填体矿柱后壁与矿壁和非胶结充填体矿柱接触时,胶结充填体矿柱所需强度随阶段高度的增加分别呈对数函数和线性函数增长;中关铁矿胶结充填体矿柱所需强度为0.78~0.82 MPa,经典强度设计模型计算值偏小,需选取安全系数为1.5~3.0;推荐中关铁矿使用的充填配比为灰砂比1:10、料浆质量分数70%,抗压强度、泌水率、塌落度和流动度均能满足采矿作业需求,水泥用量与原推荐方案相比可降低45.7%。     

充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究

为研究充填物对含孔洞岩石的力学特性及变形破坏特征的影响规律,室内预制加工了含孔洞及石膏充填物大理岩,分别对其进行单轴压缩和声发射试验,并对破坏前后试件进行CT扫描,分析其裂纹扩展规律.试验结果表明:(1)相比于含孔洞大理岩,石膏充填使试件的抗压强度提高了10.62％.二者峰前特征相似,均表现为孔周裂纹起裂引起第一次应力跌落现象,峰后特征则有所不同,石膏充填使大理岩变形的局部化特征更为明显.(2)峰后阶段,含孔洞试件声发射特征显著,裂纹扩展迅速,石膏充填试件稍慢,表明石膏充填遏制了试件的裂纹扩展.(3)含孔洞和石膏充填大理岩的破坏模型有所区别,含孔洞试件破坏裂纹较为单一,主裂纹以张拉破坏为主,翼裂纹在试件端部较多,部分从侧面贯通,形成块体掉落.充填条件下孔洞周边的裂纹更细更分散,小裂纹相互贯通,形成"X"状剪切破坏.     

基于库仑摩擦原理的充填体强度力学模型

以充填体无限小单元为研究对象,基于库仑摩擦原理建立摩擦充填体强度力学模型,采用理论分析与工程实例相结合的方法研究其变化规律,并应用模型预测值进行现场试验验证模型有效性.研究结果表明:摩擦充填体强度模型预测值随充填体高度的增加而逐渐增加,且充填体高度超过30 m后,由于静摩擦向动摩擦的转化,其增加幅度明显降低;强度预测值...     

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.     

围岩–充填体界面粗糙度表征与剪切错动破坏研究

金属矿充填开采过程中,充填体沉降或采掘扰动作用下,围岩与充填体界面存在剪切错动,影响采场稳定性。本文设计了围岩-充填体剪切错动试验方法,结合数字图像技术与三维激光形貌扫描技术,建立了一套粗糙节理面三维建模流程,基于剪切试验探究了基于自由节理面的围岩-充填体组合体剪切错动力学行为及破坏特征。提出的建模分析方法可获得粗糙面的三维分形维数、剖面线JRC均值、剖面线二维分形维数均值和断裂面表面曲率,通过相关性分析能够实现表面粗糙度的关联表征,进而通过JRC测算剪切强度。试验剪切破坏特征显示：组合体剪切错动有3个破坏阈值点,分别位于峰前段位移30%–50%、峰前段位移70%–90%和峰前段位移100%后,可作为围岩充填体错动破坏判别的征兆;通过围岩表面JRC可判断围岩与充填体剪切错动峰后滑移、均匀变化、阶梯变化的类型,对应工程现场的围岩充填体错动破坏过程类型。该研究揭示了基于自由节理面的异构组合体力学损伤机制,弥补了现有含粗糙节理异构组合体剪切理论体系的不足,为防治矿山充填灾害提供了理论依据。     

壁后充填体刚度对支架与围岩的作用分析

通过建立的力学模型分析了壁后充填体刚度对围岩和支架压力与位移的影响,提出了改变充填体刚度的措施.     

充填体抗拉强度特性的试验研究

充填体可以改善围岩应力状态、限制围岩移动、维护采场稳定.通过在室内条件下制作和养护充填体试件,然后采取劈裂法对不同配比和浓度的充填体试件进行测试,得出了充填体试件在不同配比、浓度下的峰值载荷、峰值位移、平均峰值应变、抗拉强度以及应力-应变曲线.通过分析这些拉伸试验条件下的力学性质,对提高充填体质量和维护采场稳定有指导作用.     

矿岩复合体加载损伤破坏的三维定位及表征

采用声发射(AE)信号分析仪,针对由不同强度矿岩组成的复合体以及胶结充填体/围岩复合体进行轴向载荷作用下的声发射监测。根据AE点分布、振铃计数、AE能量值变化来定位复合体的内部损伤破坏,并对复合体内部损伤引起的表壁裂纹扩展特征应用分形理论进行评估,同时借助软塑料薄片对复合体各部分的接触区域进行损伤破坏表征。研究结果表明,在加载初期,复合体中AE点较少,即将发生破坏时AE点剧增,同时复合体内部的AE点集中区域存在较大的宏观可见的破坏裂纹;软塑料薄片的破坏情况较准确地表征了不同强度介质接触面相互作用下的损伤特征;对表壁裂纹的分析有助于形成全面的复合体内部损伤破坏评估体系。     

不同岩石声发射活动特性的实验研究

应用声发射及其定位技术,对不同岩样破裂过程的声发射活动规律进行实验研究,借以揭示不同岩样的破裂失稳机理.实验结果表明:几种岩石的破坏模式相同,均发生劈裂破坏;在相同实验条件下,在初始加载时,5种岩样产生的声发射事件均比较少;随着载荷的增加,不同岩石的声发射活动表现并非一致,砂岩在整个加载过程产生的声发射事件数最少,而花岗岩产生的声发射事件数最多;砂岩和花岗岩(红色)其声发射事件变化率非常明显,在破坏前无任何征兆;由于声发射事件定位是时差定位法,岩样波速影响着声发射事件的定位,砂岩、大理岩(黑色)及花岗岩(红色)等岩样没有得到定位结果;而花岗岩与大理岩的声发射定位结果,直观反映了其内部裂纹初始、...     

爆炸荷载下刚-柔耦合围岩支护结构二维平板动态损伤破坏特征试验研究

为探究爆炸冲击荷载下以橡胶水泥砂浆(RCM)作为柔性吸能材料的“刚-柔耦合”围岩支护结构的动态稳定性,通过搭建二维平板爆炸冲击试验系统,开展单体平板试件在中心起爆方式下和组合体平板试件在偏心起爆方式下的单孔爆炸冲击荷载试验;并从炮孔动态膨胀响应特征、剥落区形成机理和爆生裂缝扩展机理3个方面,探究“刚-柔耦合”围岩支护结构二维平板试件的动态损伤破坏特征。最后,从应力波传播和协调变形2个方面分析讨论“刚-柔耦合”围岩支护结构中多层材料间的耦合作用特征与围岩稳定性机理,进一步印证以RCM作为柔性材料的“刚-柔耦合”围岩支护结构降低围岩及其支护结构动力损伤的潜力。研究结果表明：随橡胶体积分数增大,平板试件整体的损伤破坏程度明显减小;尽管RCM单体平板试件的爆后炮孔直径和剥落区面积因橡胶体积分数的增大而有所增大,但RCM有效降低了组合体平板试件的爆后炮孔直径、剥落区面积和爆生裂缝总长度。平板试件在爆炸冲击荷载作用下主要受到爆炸冲击波与爆轰气体的共同作用,尤其在底板对炮孔的封闭约束下,炮孔中也因爆炸能量的瞬间释放形成了向上的聚能射流效应,进一步导致了V形爆坑剥落区的形成。在同一起爆方向下,当橡胶体积分数为60%时, R-R-H和H-R-R的裂缝长度总和最小;在同一橡胶体积分数下,相比于H-R-R,R-R-H的裂缝长度总和最大降低了46.25%。     

岩石声发射参数与断裂力学参量的关系研究

依据声发射测试原理及断裂力学基本理论,导出了低脆性岩石声发射总数N与应力强度因子K_I关系的一般表达式。分析表明:N并非与K_I~n成简单的比例关系,但如果K_I取值范围满足2K_(I0)≤K_I≤8K_(I0)相似文献   

典型岩石单轴压缩变形及声发射特性试验研究

声发射是岩石在受力变形和破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个直接参量.通过对某矿山矽卡岩、石英闪长岩、蛇纹岩和粉砂岩单轴应力-应变全过程变形特性和全过程声发射特征研究,并作了对应分析,结果表明岩石的变形速率与岩石声发射事件出现的频率有较好的对应性.     

加载速率对岩石声发射活动的影响

岩石声发射活动主要是由岩石内部裂纹的产生、扩展及断裂产生的。采用二维裂纹构形,动用断裂力学理论,导出了加载速率与裂纹扩展的关系。理论推导表明：对于岩石裂纹扩展产生的声发射活动,试验加载速率越大,裂纹越容易实现失稳扩展,声发射活动越强烈。试验证实了理论推导结果。     

充填体–围岩组合体异源信息相空间重构与稳定性预测

传统研究认为充填体可以有效控制应力集中,而忽视了充填体–围岩组合体在高应力条件下应力分布复杂多变、稳定性不明的问题。目前的监测数据处理方法存在不能充分考虑监测对象的复杂性、监测方法的多元性及监测数据的动态性等特点。为了解决这个问题,本文提出了充填体–围岩组合体异源信息相空间重构与稳定性预测方法。采用钻孔应力计、多点位移计以及测斜仪等设备构建了龙首矿大面积充填体–围岩组合体立体监测体系,持续获取充填体–围岩组合体应力、位移等多元信息。结合平均互信息法和虚假最邻近点法构建了充填体–围岩组合体异源信息相空间。本文以相点间最邻近点距离作为评估充填体–围岩组合体稳定性的指标——“评估距离”。本文应用该方法计算了龙首矿12个测点的历史评估距离时间序列,结果表明评估距离对充填体–围岩组合体稳定性变化表现出高度敏感性,这些序列的突变时刻比巷道返修时间提前了至少3个月。在评估距离预测实验中,ARIMA模型的预测准确度高于深度学习模型（LSTM和Transformer）,它的预测结果的均方根误差分布峰值为0.26,且在70%的情况下优于无预测方法。     

煤体恒定加载蠕变损伤实验的研究

为了得到恒定荷载作用下煤体蠕变损伤破坏规律,采用速率为0.2 kN/s的荷载控制加载方式,加载至15 kN后保持不变.监测和分析恒定荷载下煤体的轴向变形、径向变形和应变随时间的变化情况以及能量、幅值、撞击和声发射事件等声发射信息随时间的变化.结果表明：声发射信息随着煤体损伤状况的变化表现出不同的特征;声发射事件沿着轴力方向增加,主要集中在煤体内部中间部位;声发射事件产生的位置、速率,可以直观反映煤体表面裂隙在煤体内部发育状况和蠕变过程中裂隙扩展方向及速率,对分析煤体蠕变损伤状况和预测煤体蠕变破坏位置具有重要意义.     

电瓷受恒定负荷时的声发射衰减规律

检测了验收试验时电瓷的声发射计数率,根据陶瓷断裂力学推导了恒定负荷下声发射计数的衰减规律,这一规律被实验结果很好地证实,可见,用声发射无损检测法对陶瓷材料进行强度预测是可行的。