剥落型矿柱与早强胶结充填体相互作用损伤演化分析

为了研究矿柱底部严重剥落形成的上宽下窄型矿柱与早强胶结充填体的相互作用,进行了现场地质调查,选用石蜡模拟早强胶结充填体进行室内试验,同时进行数值模型的构建和试验模拟研究。试验结果表明:在加载过程中,破坏主要发生在矿岩中,石蜡充填体由于具有较强的变形能力,没有明显的破坏裂纹;矿岩中的裂纹主要沿矿岩和充填体接触面进行延展,直至延伸至临空面破坏;试样表壁的石蜡薄层表征显示在加载过程中,在试样表壁大的裂纹带附近伴随小裂纹产生。通过相关研究,厘清剥落型矿柱与早强充填体的相互作用机理及破坏规律,以便开展针对性的矿柱补强,确保充填采场安全稳定。     

早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究

为了更好厘清充填体与矿柱相互作用机理,提出使用石蜡作为胶结剂,通过尾砂加石蜡拌合模拟充填体,建立充填体与矿柱相互作用的复合体模型。基于充填体与矿柱侧边存在临空面这一实际情况,采用自制的双轴加载装置模拟井下早强充填体与矿柱共同受载情况。借助声发射仪监测充填体与矿柱在加载作用下的AE振铃计数及AE点发生位置。试验结果表明:尾砂+石蜡模拟充填体加载破坏后存在残余应力;充填体与矿柱复合体试样在加载过程中的内部破坏主要发生在充填体内和充填体与矿柱接触带区域。     

早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究北大核心CSCD

为了更好厘清充填体与矿柱相互作用机理,提出使用石蜡作为胶结剂,通过尾砂加石蜡拌合模拟充填体,建立充填体与矿柱相互作用的复合体模型。基于充填体与矿柱侧边存在临空面这一实际情况,采用自制的双轴加载装置模拟井下早强充填体与矿柱共同受载情况。借助声发射仪监测充填体与矿柱在加载作用下的AE振铃计数及AE点发生位置。试验结果表明:尾砂+石蜡模拟充填体加载破坏后存在残余应力;充填体与矿柱复合体试样在加载过程中的内部破坏主要发生在充填体内和充填体与矿柱接触带区域。     

双介质矿岩轴向加载损伤破坏试验分析研究

为研究夹石对矿体力学变形特性的影响,选用全精炼的工业石蜡作为夹石模拟材料,并与水泥和矿粉进行配比制样。通过表壁裂纹扩展、微观成像、表壁应变值变化、整体加载压缩变形、磁感应强度变化、红外温度测量共同表征夹石试样在加载过程中的力学变形特征,厘清夹石矿岩的破坏特点。同时提出了一种数值模拟夹石的方法,进行不同夹石含量矿岩的安全系数、最大主应力及不同监测点处应变值的变化监测。试验结果表明:存在夹石的试样在加载过程中表壁出现较多裂纹条数,且以短裂纹为主,分布区域较广;表壁纵向应变变化较平稳,而横向应变存在阶梯型变化;红外温度测量并无恒定的变化幅度,存在升降的起伏变化;磁感应强度值变化存在上升下降型、下降平稳型、下降上升型的变化特点。数值模拟结果表明:夹石的存在弱化了矿岩的整体强度,这与相似模拟结果具有一致性。同时不同的夹石强度对矿岩的整体稳定性影响不一样。当试样的整体稳定性与夹石的物理性质有关,夹石强度是矿石强度50%左右时,彼此接触严丝合缝,夹石存在及含量的多少产生的影响不大;如果夹石强度只是矿石强度的2%时,相应的测点起伏变化较大;如果试样完整性不好,存在较多微观空区,空区附近的相应测点的应变值变化起伏较大。     

基于磁场理论的矿岩加载损伤破坏表征研究

充填体与围岩的相互力学作用,除了接触带表壁附近可以通过贴置电阻应变片的方式进行应变值测量外,接触面及接触带附近的损伤破坏情况不易监测。基于此,应用磁场理论,将磁粉加入到配比试样中,充磁之后进行加载试验。通过特斯拉计测量试样表壁在加载过程中的磁感应强度变化,建立由表及里的损伤破坏联系规律。试验结果表明:加了磁粉的配比试样,在加载过程中各监测点处的磁感应强度值变化明显,特别是在内部裂纹扩展至临空面处的磁感应强度几乎减小至0.2 mT以下;而试样在加载过程中,各监测点的磁感应强度值随着压密破坏而变化;在未破坏时,不同区域有较一致的随试样内部压密相应磁感应强度增大的变化规律,而在试样加载破坏后,不同监测点磁感应强度变化起伏较大。     

基于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹破坏模式的条带矿柱破坏宽度研究

采用条带法进行地下开采时,条带矿柱的裂纹扩展导致了矿柱的最终破坏,且裂纹多表现为Ⅰ型裂纹与Ⅱ型裂纹复合扩展破坏特征。根据采场矿柱受力条件,确定条带矿柱受两侧采场空区影响时矿柱内Ⅰ-П复合型裂纹尖端的Westergaard应力函数,采用HoekBrown强度准则计算采场作业面围岩破坏区的边界条件,建立了矿柱破坏宽度计算模型。以上横山页岩矿床为研究对象,采用物理相似模拟试验,模拟条带法回采某盘区3个试验区段,利用DIP法分析受地应力及回采扰动作用下矿柱的裂纹发育特征,验证模型的有效性。结果表明,条带及其条带矿柱均为15 m等设计参数条件下,计算模型矿柱破坏宽度理论值分别为17.66 m、15.56 m和10.28 m,试验模拟结果分别为完全大于15 m、约为15 m和10.5~11.0 m,试验结果与依据模型计算的理论值相近。     

楔刀不同加载速率条件下细砂岩裂纹扩展研究

为提高西部竖井钻井法楔齿滚刀钻进细砂岩的破岩效率,开展西部弱胶结砂岩XRD与SEM试验,微观结构验证PFC2D模拟试验细观参数标定结果,探讨不同加载速度工况下弱胶结砂岩拉、剪裂纹形成,破岩阻力变化及破岩机理、破岩效率。研究结果表明：胶结物是加卸载段生成的微宏观裂纹萌生、扩展的通道,贯入速率超过0.01 m/min以上,将导致更大的动力效应、更大的应力集中(楔刀贯入)和应力波(密实核应力膨胀)传播,岩石内部的应力集中区域扩展,产生部分无效裂纹。贯入速率0.02 m/min平均贯入力是贯入速率0.01 m/min平均贯入力的1.64倍;贯入速率为0.01 m/min时取得最小胶结破坏比能耗,与可可盖矿中央回风立井施工现场钻进速率非常吻合。研究结果可为西部弱胶结砂岩楔齿滚刀破岩提供参考。     

矿岩-充填体组合试件能量传递规律研究

为探讨矿岩-充填体组合试件的动态力学特征，使用取自云南玉溪大红山铜矿的含铜矿岩和分级尾砂制作矿岩和配比分别为1∶4、1∶10的充填体组合试件，利用分离式霍普金森冲击杆分别在0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa的冲击气压下对矿岩-充填体组合试件进行动态冲击试验，研究组合试件的能量传递规律和破坏模式。结果表明：当试件开始发生破坏时，宏观裂隙首先出现在试件边缘，并随着冲击气压增加而扩展，直到裂隙使充填体试件完全贯通，最终试件会完全破碎；组合试件的破坏模式主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏3种；充填体试件的波阻抗变化反映了试件在冲击过程中的损伤演化规律；试件的吸收能密度随入射能量增加线性增加；在冲击气压为0.20 MPa时，矿岩和配比为1∶10的充填体组合试件较早发生剪切破坏；当冲击气压为0.24～0.30 MPa时，矿岩和配比为1∶4的充填体组合试件虽然发生破坏，但仍具有一定吸能特性，并且相较于完整状态下变化不大，而在此冲击气压下，配比为1∶10的充填体粉末占比达到约80%,这表明灰砂比较高的充填体部分具有更稳固的...     

低强度胶结充填体相似材料配比试验研究

针对采用物理相似模拟试验模拟充填采矿法时,低强度胶结充填体相似材料配比参数选取问题,以石灰、高岭土、石膏、水和尾砂等作为相似材料,采用回归正交设计试验方法进行了充填体相似材料配比试验,开展了单轴压缩试验,获得了不同配比试样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学试验指标。在此基础上总结了单轴抗压强度、弹性模量和泊松比3个试验指标关于石灰、高岭土、石膏和水4因素的回归方程,并分析了各因素对各试验指标的影响特征。通过物理相似模拟试验的实际应用证明了采用该配比方案总结的回归方程的有效性及相似充填体的良好相似性,该成果对胶结充填体相似材料配比的选取具有一定的参考价值和指导意义。     

分区协同开采下矿柱力学响应与稳定性分析*

为解决某钒铁矿经多年开采后,由于钒铁矿矿区赋存条件变化导致开采相互制约、资源利用率低、矿柱积压矿量大以及井下采空区隐患大等问题,制定“保钒采铁、分区协同”的开采方案。通过矿柱强度理论对矿柱的强度和承受载荷进行计算,进而通过矿柱安全系数来判断矿柱的稳定性。通过FLAC3D软件对东、西区铁矿体进行数值模拟研究,通过对开挖后的位移云图、应力云图以及塑性区分布图来分析矿柱的稳定性。研究结果表明:针对某钒铁矿东、西区提出的嗣后膏体微胶结充填法及中区提出的分段空场法转分段崩落采矿法可提高矿柱的稳定性。     

热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究

为了寻求既满足充填工艺要求又能够降低成本的新型充填材料，通过一系列试验，研究了热电厂粉煤灰/炉渣比例、膏体质量浓度和水泥含量等因素对膏体充填材料性能的影响规律，据此确定了材料最优配比。结果表明:随着粉煤灰/炉渣比例的增加，坍落度、扩展度和充填体强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势，料浆泌水率呈近似负指数规律降低；随着质量浓度的增加，坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小，充填体强度近线性增大；随着水泥含量的增加充填体强度随之显著增大，坍落度、扩展度和泌水率均呈现缓慢减小的变化趋势；材料的最优配比为粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%，此时料浆流动性和充填体强度完全符合充填开采基本要求。     

高窄型充填采场内的拱效应及应力分布状态研究

以地下矿山充填采场为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对高 窄型垂直和倾斜充填采场内的拱效应及应力分布状态进行了研究。研究结果表明:实例 中高窄型采场内充填体的自重应力为1.06 MPa,经拱效应转移后,底板处的垂直应力仅 为0.35 MPa ;改进的马斯顿理论计算倾角小于80°的充填采场应力分布情况时结果偏 大;采场倾角越大,高窄型充填体内拱效应越明显,靠近围岩两帮处的应力值也越大, 而采场中线处的水平应力几乎不受影响。对高窄型采场内充填体的目标强度进行设计时 ,应考虑拱效应对其自重应力的转移作用,以降低相关经济技术指标。     

非平行壁面采场充填体三维应力分布规律研究*

为研究上下盘非平行壁面倾斜采场充填体应力分布规律,选取倾斜采场中三维水平充填层作为微分计算单元,基于极限平衡法考虑其竖直方向的受力平衡,提出非平行壁面的倾斜采场充填体的三维应力解析解,并分析不同参数对应力分布规律的影响。研究结果表明:三维条件下非平行壁面倾斜采场充填体竖向应力分布形式同平面应变条件下类似,在计算深度较小时竖向应力为近线性分布,随着计算深度的增加竖向应力增加率逐渐减小,但应力数值相对平面应变条件下较低。上盘倾角一定时,下盘倾角越大则拱效应越不明显;采场高度一定时,高宽比越大,拱效应越显著。充填体—围岩界面内摩擦角对充填体内拱效应影响较大,界面黏聚力和充填体抗剪强度参数对充填体应力分布影响相对较小。研究结果可为充填体强度设计提供参考。     

基于Phase2的不同配比充填体厚度的数值模拟研究

在充填体作用机理,稳定性分析与监测,爆破地震效应,静动态特性及损伤理论等方面的研究基础上,依托安庆铜矿高阶段大直径深孔采矿法第一步骤采场的充填现状,采用Phase2软件建立了多种数值分析模型对不同灰砂比充填体厚度的充填效果进行数值模拟研究,并进行了多方案技术经济对比分析。研究结果表明:灰砂比为1∶4,1∶8,1∶10对应充填体厚度分别为10,24,22 m时,为最优方案。该充填体厚度可为矿山采场充填配比设计、充填管理及充填质量提供技术参考。     

基于FLAC3D分析的某铁矿充填效果研究

为解决辽宁某铁矿开采后地表沉陷问题,验证自研的复合激发尾砂胶结充填体充填效果,运用FLAC3D模拟软件对铁矿二步骤充填开采和地表沉陷进行数值模拟计算研究.研究结果表明:采用3种胶结充填体分别进行二步骤充填后,盐基、碱基、水泥基胶结充填体内部的应力平均值分别为0.92,0.79,0.93 MPa,最大位移值分别为38,2...     

充填体与岩体能量和强度匹配的分析及应用

矿山嗣后充填法中,采用经验类比法判定胶结充填体的强度存在诸多问题。利用新的方法来分析充填体与岩体的匹配是必要的。对某铜矿灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10和1∶12的4种尾砂胶结充填体进行力学试验和匹配分析。首先利用损伤力学方法建立充填体破坏前本构方程,根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,来判定岩体与充填体的匹配;然后运用GTS/MI-DAS有限元软件模拟开采-充填过程,根据应力变化与充填体极限强度的大小关系判定两者的匹配。2种方法所得到的结论一致。分析结果表明,该矿山宜采用充填配比不小于1∶10的尾砂胶结充填体。     

基于GPR-TOPSIS方法的充填配比多目标多属性优化

为获得某金矿尾砂胶结充填材料最优配比,基于试验结果,以海水比例、灰砂比和料浆质量浓度为输入参数,以充填体强度、塌落度及泌水率为输出参数,建立了充填配比与其响应量的高斯过程回归模型,分析了不同因素对充填性能的影响程度;采用遗传算法对高斯过程回归模型进行多目标参数优化,获得了Pareto非劣解,在此基础上,引入多属性决策的TOPSIS法对Pareto非劣解进行方案优选,确定了充填最优配比。研究结果表明:高斯过程回归模型相对误差值均小于6%,可靠性高;灰砂比及料浆质量浓度对充填性能影响较为显著,采用海水作为充填水源将降低充填体的强度;经优化后的充填配比与试验结果相符。