添加CaCl2·6H2O/膨胀蛭石定形相变材料的尾砂基充填体热学与力学性能试验研究

采用常压浸渍法制备了CaCl₂·6H₂O/膨胀蛭石定形相变材料(CEV)，以金矿尾砂为充填材料骨料，制备添加CEV的充填体，对不同灰砂比和不同CEV添加比例下充填体的比热容、导热系数和单轴抗压强度(UCS)进行试验测试，分析了上述变量对充填体热学、力学性能的影响。结果表明:膨胀蛭石对CaCl₂·6H₂O的最大封装能力约为60%，CEV的熔化焓和凝固焓分别高达98.87 J/g和97.56 J/g。对于未添加CEV的充填体，比热容、导热系数和单轴抗压强度均随着灰砂比的降低而降低，对于添加CEV的充填体，比热容随CEV添加比例的增加显著提高，添加12% CEV后，其显热和潜热蓄热能力至少分别提高了10.74%和218.97%。然而CEV的添加会导致充填体孔隙增加，导热系数和单轴抗压强度均随CEV添加比例的增加而降低。当灰砂比为1:8，CEV添加比例分别为6%、9%、12%时，养护期为28天的充填体单轴抗压强度均小于1 MPa。综合考虑充填体蓄热能力和材料成本，推荐充填材料配比方案为灰砂比1:6、添加12% CEV，且添加CEV充填体的蓄热/释热温度区间推荐为20–40°C。本研究可为绿色矿山蓄热充填技术的应用提供理论依据。     

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.     

固结粉胶凝材料开发与胶结充填体强度试验

针对金川矿山开采面临的采矿经济与环保压力,利用酒钢低活性酸性矿渣,开展新型充填胶凝材料开发,获得称为固结粉的早强型新型充填胶凝材料。为了实现固结粉在金川矿山工业化应用,针对金川矿山废石、棒磨砂、戈壁砂和河沙等骨料,开展了4种充填骨料的固结粉胶结充填体抗压强度试验。结果表明,除了戈壁粗砂骨料胶结充填体3 d抗压强度小于设计抗压强度外,其他3种充填骨料的固结粉胶结充填体抗压强度均满足金川矿山安全采矿要求,说明早强型固结粉胶凝材料应用于金川矿山充填法采矿中能够替代水泥。     

基于GA-SVM模型预测减水剂对充填体强度的影响

 改善充填料浆的工作性能、提高充填体的强度和密实性是矿山充填法的研究方向之一。充填配比实验表明, 在充填材料的制备过程中加入适量的高效减水剂可以提高充填体的抗压强度。为得到经济、高效的减水剂添加参数, 以萘系、氨基、木钙和脂肪族4 种减水剂结合新型充填胶凝材料, 应用某矿山的全尾砂进行配比实验, 建立GA-SVM 预测模型进行优化选择。在优选过程中, 以4 种减水剂的添加量作为输入因子, 以充填体28 d 龄期单轴抗压强度作为综合输出因子, 根据室内试验, 建立训练、验证样本集;建立支持向量机(SVM)回归预测模型, 通过遗传算法(GA)对SVM 模型参数进行优化选择, 当4 种减水剂组合添加的质量分数依次为0、0.35%、0.30%、0.60%, 抗压强度预测值为4.20 MPa。与实验对比, 该模型预测结果的相对误差能控制在1%以下, 精确度较高, 为减水剂添加参数的优选提供了一种新思路。     

秸秆纤维对含硫尾砂膏体充填体单轴抗压强度的影响机理

将水稻秸秆加工后添加到含硫尾砂中制备成膏体充填体,首先,分析秸秆纤维掺量和长度对含硫尾砂膏体充填体单轴抗压强度的影响规律;然后,通过XRD和SEM分析充填体的水化产物和微观结构,研究秸秆纤维的微观作用机理。研究结果表明：在尾砂含硫量为5%时,添加0.10%长度小于0.2 cm的秸秆纤维能够在保持膏体料浆良好的流动性下,改善含硫尾砂充填体的长期性能;与不添加秸秆纤维相比,150 d充填体单轴抗压强度可提高21.9%以上;添加秸秆纤维的含硫充填体能够在一定程度上抑制硫酸盐的生成,提高C-S-H的含量,降低C-S-H凝胶发生脱钙的概率;在秸秆纤维作用下,充填体能够形成更加稳定致密的骨架结构,充填体内部的黏结力也更大,能够有效延缓硫酸盐对充填体的硫化侵蚀,从而增大含硫尾砂充填体的单轴抗压强度。添加的秸秆纤维过量或者过长则会使秸秆纤维与充填体连接的部分孔隙过大,充填体内部黏结力减小,从而导致充填体在外力的作用下容易变形破坏,形成许多贯穿裂缝,造成含硫尾砂充填体长期强度减小。     

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.     

石膏-熟料质量比对矿渣充填胶凝材料性能的影响及应用

为研究碱-盐复合激发大掺量矿渣充填胶凝材料的力学特性,设计不同石膏与熟料质量比的充填胶结体强度实验。利用XRD,SEM和TG-DSC等手段,研究净浆试样水化产物种类、微观形貌及质量损失率;基于室内实验研究成果,开展新型充填胶凝材料工业化应用研究。研究结果表明:当复合激发剂掺量为15%、石膏和熟料质量比为1:4,充填体3 d抗压强度最大为1.05 MPa;当复合激发剂掺量为20%、石膏和熟料质量比为3:2,充填体28 d抗压强度最大为8.61 MPa。石膏促使浆体中钙矾石(缩写为AFt)的生成,但掺量过大则影响早期胶凝物质的生成量,后期浆体中水化硅酸钙凝胶(缩写为C-S-H)的钙硅比由1.804降低到1.559,可保证结石体后期钙矾石的持续生成;3 d龄期净浆试样质量损失率从大到小依次为T7,T9和T6,28 d龄期净浆试样质量损失率依次为T9,T7和T6;综合可见,针对大掺量矿渣充填胶凝材料,合理的石膏掺量有助于提高充填体早期强度;但当石膏掺量较大或熟料掺量少时,胶结体早期强度低但有利于后期强度的提高。当熟料质量分数为12%,石膏为3%,矿渣为85%时,充填体3 d抗压强度为2.7 MPa,7 d抗压强度为5.1 MPa,28 d抗压强度达到10.6 MPa,满足金川矿山对充填体强度的要求。     

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.     

膏体充填材料性能影响因素试验研究

以淄博矿业集团岱庄煤矿膏体充填为例,通过均匀试验系统研究了膏体充填材料性能的主要影响因素。结果表明:在材料颗粒级配、温度、湿度确定的情况下,质量浓度是影响塌落度、分层度、凝结时间和抗压强度的主要因素;在质量浓度相同的条件下,粉煤灰含量越高,塌落度越大;膏体分层度随粉煤灰含量的增加而逐渐减小;随着胶结料含量的增加,单轴抗压强度增长迅速;泌水率随着细粒级含量和质量浓度的增大而减小。     

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.     

基于N型回弹仪的粤北丹霞组碎屑岩单轴抗压强度试验研究

以粤北丹霞盆地晚白垩世丹霞组碎屑岩为对象,采用冲击动能为2.207 J的N型回弹仪对其单轴抗压强度与回弹击数的相关关系开展研究.通过对韶关仁化丹霞山世界地质公园内晚白垩世丹霞组出露的巴寨段和锦石岩段砂岩岩体进行原位回弹测试及声波波速测试试验,并对原位测试点岩体钻孔取芯进行单轴压缩试验.由现场回弹测试、声波波速测试和室内岩石单轴压缩试验结果可知,丹霞山世界地质公园内晚白垩世丹霞组出露巴寨段和锦石岩段砂岩的回弹值与岩体强度大体呈线性相关;砂岩、砾岩及砂砾岩的回弹值与波速呈线性相关.对波速、回弹值与单轴抗压强度之间的相关关系及拟合曲线变化趋势的研究结果表明,采用回弹值预测岩体单轴抗压强度具有一定的可靠性.研究结果对快速获取丹霞山景观危岩体的强度指标提供了一定的帮助.     

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。     

路基填料石灰改良土弹性波速与压缩强度的相关性

石灰土是高速路基工程中使用的一种重要改良填料．为了依据弹性波速评价路基改良填料的施工质量，通过大量试验研究了养护龄期、灰土比和饱和过程对石灰改良土压缩强度与弹性波速的影响，分析了压缩强度与弹性波速之间的相关性．结果表明，石灰改良土的压缩强度随剪切波速的增加而增加；不同养护龄期、不同灰土比和不同含水量的石灰改良土的压缩强度与剪切波速之间存在良好的相关关系，其相关系数大于0．95；尽管相同含水量、不同龄期、不同灰土比石灰改良土的压缩强度也随压缩波速的增加而增加，但它们之间离散性很大，相关系数小于0．82，且饱和后压缩波速增加，压缩强度降低．因此，只有依据剪切波速才能评价各种条件下石灰改良土强度特性的差异．     

冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究

为研究冻融循环作用下岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻融循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性.结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反复冻胀荷载的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小;对各力学参数...     

液氮泄漏对超导电缆管线槽混凝土物理力学性质的影响

高温超导输电技术利用液氮冷却辅助系统将超导电缆本体冷却至超导临界温度,实现导电体的大电流传输,具有低损耗、高效率与大容量输电的优点。针对高温超导电缆管线槽面临的极低温冻融作用问题,对不同冻融次数的C25混凝土开展超声波检测试验、单轴抗压强度试验与核磁共振试验。试验结果表明,冻融循环作用导致的混凝土超声波波速下降与抗压强度恶化集中在冻融初期,且混凝土超声波波速与单轴抗压强度均随着混凝土冻融次数的增加而逐渐降低;混凝土在经历4次液氮冻融后,超声波波速最大下降比例超过13.6%,之后趋于稳定;混凝土的抗压强度等级最大降幅超过28%,不同冻融循环次数的混凝土破坏形态基本同常温;最后结合核磁共振试验,从微观结构分析了C25混凝土孔隙特征随冻融次数的变化规律,随着冻融次数的增加,造成混凝土内孔隙比以及大孔数量的增加,使得混凝土内的密实度降低,造成混凝土冻融初期超声波波速与混凝土单轴抗压强度的降低。     

复杂地下水环境下石膏质岩的溶蚀特性

石膏质岩具有溶蚀性,在勘察设计阶段应用标准规范对石膏质岩进行围岩分级往往不能满足施工需求.为定量化分析溶蚀对石膏质围岩分级的影响,开展不同循环次数(1、 3、 6、 10次)和不同流速(0、 10、 20 L·h^-1)的干湿循环实验;通过单轴压缩实验,探究石膏质岩在不同流速和干湿循环次数下的力学参数劣化规律.选取BQ值作为围岩分级修正的基础,将单轴抗压强度作为修正指标;建立流速和干湿循环耦合作用下单轴抗压强度折减系数的三维拟合函数,与围岩分级公式相结合,并考虑干湿循环的最大化影响,提出考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级修正方法.结果表明：随着流速和干湿循环次数的增加,单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数持续下降,但下降的比例越来越小;流速和干湿循环次数的耦合作用与单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数均具有良好的相关性,三维拟合函数曲面呈“下凹”状.该研究结果可为考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级提供一种可行的计算方法.     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

岩体分级的多分类有序因变量Logistic回归模型

将多分类有序因变量的Logistic回归分析引入到岩体质量分级问题中,以影响岩体级别的单轴抗压强度、岩体声波纵波速度、体积节理数、节理面粗糙度系数、节理面风化变异系数和透水性系数为自变量,岩体级别为响应变量,以工程实测岩体质量数据作为统计样本,建立了岩体分级公式。对模型进行了拟合优度检验、模型的有效性检验、预测能力的检验,研究结果表明：Logistic逐步回归分析得到的回归模型性能良好,回判估计的误判率为零,预测精度高。相比距离判别分析模型,回归分析模型在现场岩体分级更加方便,回判的误判率更低,另外模型能输出岩体属于各级别的概率,为工程设计人员提供更多的岩体质量信息;相比普通的回归分析,多分类有序因变量 Logistic回归更适于响应变量为有序多类别的岩体分级问题,因而岩体分级的多分类有序因变量回归模型是一种更优的岩体分级方法。     

水泥土强度与超声波试验研究

本文通过室内抗压实验及超声波波速实验的方法,对不同水泥掺入比下水泥土的力学性能进行了研究,获得了水泥土材料棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之间的关系,以及抗压强度与波速之间的关系式。