花岗岩蠕变特性及分数阶黏弹塑性模型研究

为了解花岗岩蠕变特性，采用全自动岩石三轴伺服仪对其开展试验研究，在常规三轴压缩试验基础上进行多级加载蠕变试验，系统分析花岗岩蠕变过程中整体蠕变规律和同围压不同应力水平下的轴向及环向蠕变变形量、蠕变速率随时间的变化规律。基于分数阶微积分算子及损伤力学理论，在Scott Blair黏壶基础上，考虑蠕变参数的非定常性，建立花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型，并推导出其在恒应力情况下的三维黏弹塑性蠕变本构模型。结合花岗岩室内多级加载蠕变试验结果，采用Quasi Newton（BFGS）法对三维蠕变模型参数反演。结果表明，提出的模型与试验数据拟合较好并克服Nishihara模型不能描述蠕变非线性加速特征的不足，能够很好地反映花岗岩三阶段蠕变过程。     

黏性土剪切蠕变特性研究进展

黏性土是研究剪切蠕变最常见的土体类型,也是滑坡中普遍存在的土体类型。黏性土剪切蠕变破坏诱发了大量自然或工程边坡失稳,造成不可预估的人员伤亡和经济损失,所以开展黏性土剪切蠕变特性研究具有科学的理论意义和实际的工程效益。在收集整理国内外相关资料的基础上,从试验方法、蠕变特性、力学强度特征以及蠕变本构模型等方面总结了目前黏性土剪切蠕变特征的研究现状及进展,取得如下主要认识:(1)由于复杂的室外条件,黏性土剪切蠕变研究方法主要采用室内环剪试验、三轴压缩试验以及直剪蠕变试验;(2)黏性土的蠕变过程呈现多阶段变化特点,即瞬时变形阶段、衰减阶段、稳态阶段以及加速蠕变破坏阶段,期间伴随着衰减蠕变与非衰减蠕变的变形特征;(3)影响坡体稳定性的强度特征指标主要包括:峰值强度、残余强度、启动强度、完全软化强度以及长期强度,其量值受水化作用、土体的矿物成分和粘粒含量、土体结构的内部连结特征、土体的粒度分布特征以及塑性指数等共同影响;(4)常用蠕变模型有经验模型和元件模型,分别包括Mesri、Singh-Mitchell和Maxwell、Kelvin以及Burgers,建立合适的蠕变本构模型能准确地描述土体的变形特征;(5)基于剪切蠕变性质的研究成果,今后的研究方向集中于以下几个方面:微观模型的研究;新技术和研究方法的应用和改进;建立可描述加速蠕变阶段的元件模型。     

基于实现高强度充填体要求的全尾砂膏体配比试验研究

为了解决分级尾砂作为充填骨料存在的尾砂产率低、采场滤水严重、充填成本高等问题，以某典型矿山为背景，结合膏体充填的特性，分析了该矿充填存在的主要问题，总结并提出了改用全尾砂膏体充填的必要性，开展了全尾砂充填性能评价基础试验以及室内全尾砂膏体正交配比试验研究。研究结果表明:该矿全尾砂粒度适中偏粗，适合选用全尾砂膏体充填，全尾砂膏体充填体强度与分级尾砂充填体强度相当，选用该矿原有灰砂配比1∶4和1∶8即可达到下向充填法开采所需高强度充填体要求，对采用分级尾砂充填拟改为全尾砂膏体充填的矿山具有一定参考价值。     

湿排粉煤灰似膏体充填采空区试验研究

为了确定湿排粉煤灰似膏体充填的关键技术参数,通过湿排粉煤灰物理化学试验、膏体充填配比试验及现场工业试验,研究了湿排粉煤灰的物理化学特性、膏体充填配比参数和工业试验运行参数。结果表明,湿排粉煤灰松散干密度为0.85 g/cm3,管道输送性能良好,渗透系数为8.52×10-4,脱滤水较困难,单位沉降量与压力关系曲线比较平缓,凝固后沉缩率较低,含有一定量的活性SiO2和Al2O3成分,具有一定的胶凝特性。当m(水泥)∶m(粉煤灰)=1∶8~1∶10、质量分数为62%~65%时,初凝时间180 min,28 d强度大于1 MPa,现场工业试验历时45 min,充填质量分数稳定在60%~64.5%,充填系统运行平稳,初期强度达到工业要求。湿灰作为似膏体充填骨料在华泰矿业首次得到成功应用,充填材料成本为50~57元/t。     

基于重构相空间充填体变形规律的灰色预测研究

尾砂胶结充填体是非线性力学介质,其变形是能量耗散的复杂过程,必须研究其内在变形规律,才能正确预测采矿过程中充填体的稳定性.对不同配比的尾砂胶结充填体进行力学试验,得出了其应力-应变规律,对安庆铜矿高阶段充填体变形进行了监测.采用自适应滤波原理,研究基于重构相空间的测量数据去噪处理方法.用灰色理论研究充填体变形在相空间中相点距离的演变规律,建立了重构相空间的灰色预测模型.为减小预测误差,对预测结果采用残差模型修正.应用建立的模型,对安庆铜矿高阶段充填体变形进行分析,确定了采场合理回采周期.结果表明,充填体变形具有非线性混沌特性,不同配比的充填体表现出不同的非线性动力学行为,重构相空间能充分展示充填体变形的内在规律.     

考虑地层蠕变特性的盾构隧道施工对邻近桥桩影响和保护措施*

为探讨地层蠕变特性盾构隧道施工对邻近桥桩变形影响,基于Burgers模型建立本构数值模型,并采用FLAC3D软件进行计算。结果表明:盾构隧道贯通后,邻近桥梁承台基础变形持续增加,变形趋于稳定至少需要1 a时间,且累计变形值将超过桥梁桩基础允许变形值;提出隔离桩和盾构隧道周围地层注浆加固2种保护措施。研究结果可为评估盾构隧道施工对邻近桥桩影响程度和制定邻近桥桩保护措施提供参考。     

基于地表沉陷控制的膏体充填材料的性能优化研究

充填材料性能是充填开采控制地表沉陷的一个重要因素,为克服传统充填材料性能优化试验耗时长、成本高、人为误差较大的缺点,探索将传统正交试验与模糊决策相结合进行充填材料性能优化。基于L9(33)正交试验,确定了S1~S55组充填材料性能优选方案。在综合分析充填材料性能影响因素的基础上,建立充填材料性能优化指标体系,构建AHP-FUZZY模糊综合优选模型对方案进行比选,并分析了正交试验中各因素水平变化对最优方案的敏感性。结果表明:膏体充填材料性能最优方案为“S4”即水泥含量15%,灰矸比1∶2,质量浓度75%,决策结果与试验结果相符,且“灰矸比”对充填材料性能优化的敏感性程度最高,在实际膏体充填开采中要严格控制粉煤灰和煤矸石掺量。     

破碎岩体流变特性及其应用研究

受采动应力和水-岩耦合作用,松散含水层下薄基岩煤层采场易发生出水压架致灾事故,而巷采充填方法是解决此类问题的有效途径之一。为了研究巷道充填后上覆岩层的运移规律,首先采用流变仪对充填岩体进行了流变力学试验,其次采用FLAC模拟软件建立了巷采充填的数值计算模型,分析了充填开采时煤柱与充填体的应力、位移变化规律及基岩面的运移规律。研究表明:破碎岩体的压实过程由三部分组成:颗粒的重排、颗粒的破碎和孔隙的填充、颗粒的压缩变形;蠕变状态下,当时间t≥1天,轴向位移基本趋于稳定,破碎岩体达到了一定的强度;随着充填体变形模量的增加,充填体能够有效抑制高位承载岩层的下沉量,从而减小工作面发生压架突水灾害的几率     

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。     

基于正交试验的煤矿安全开采充填材料配比优化研究

针对目前我国"三下"压煤的现状,以及煤矿固体废弃物以煤矸石、粉煤灰为主的情况,结合岱庄煤矿膏体充填工程实践,以水泥为胶结料,煤矸石和粉煤灰为粗细骨料,运用正交试验的方法定量确定了水泥、粉煤灰和煤矸石不同配比和膏体浓度对煤矸石膏体充填各性能指标的敏感程度,以及各指标随各因素的变化趋势。结果表明:提高水泥掺量可以缩短膏体的凝结时间并提高膏体的强度;膏体的塌落度即流动性主要通过调节其浓度来实现;加入适量的粉煤灰可以提高膏体的流动性,但随着粉煤灰的增多,分层度和泌水率都有所增加。当水泥∶粉煤灰∶煤矸石为1∶2.22∶4.44,浓度为75%时,充填膏体的可泵性和强度都达到最佳,充填效果显著,有助于煤矿安全开采。     

Study on tri-axial creep experiment and constitutive relation of different rock salt

To evaluate the effect of the long-term operation of a salt cavern in a given construction on rock deformation and its stability, tri-axial creep tests to the glauberite, anhydrite, and argillaceous rock salt are conducted, from which the creep curves as well as exponential functions of strain rate during the steady creep stage and creep constitutive equations of different rock salt in the experimental process derived are obtained. The study results show that: (i) Under the same deviatoric stress, the strain rate of argillaceous rock salt is lower than the glauberite and anhydrite, and the difference becomes larger with the increase of the deviatoric stress; (ii) The creep constitutive equations of different kinds of rock salt are in good agreement with the Burgers model, besides which the respective characteristics of these two creep models are compared. The change of creep parameters also illustrates the discrepancy of rock salt. The researching results can provide some references for long-term stability analysis of gas storage in salt caverns.     

Investigation into the nonlinear damage model of coal containing gas

By taking the nonlinear deformation properties of coal into consideration, the nonlinear constitutive equation was founded. And in view of the compressible property of gas, the idea of compressive energy of gas was introduced. According to the continuous damage theory and mesoscopic damage theory, it is assumed that the damage variable has a power function relation with the porosity. By applying the thermodynamics energy conservation laws, a new nonlinear damage constitutive model of coal containing gas was deduced, and the correctness of the new model was verified by comparing with the former experimental results. This model can provide theoretical reference for understanding and solving these dynamic gas disasters such as coal and rock outburst. Moreover, based on this theory, prevention and control measures will be adopted to deal with the dynamic gas disasters according to ever-changing mining conditions.     

改进西原蠕变模型研究及二次开发计算*

为了研究黏土在不同应力水平下的蠕变规律,基于软黏土流变模型及已有的黏土蠕变试验结果,分析3种常用的经验蠕变模型对软土蠕变研究适用性,提出幂函数非线性元件,在传统西原模型的基础上引入非线性黏塑性体(NVPB)构成改进的西原模型。研究结果表明:幂函数描述黏土在低应力和高应力条件下所表现的变形特点都有着较高的准确度,改进西原模型能够较好地描述黏土蠕变的非线性问题以及黏土在高应力水平下的加速蠕变变形。利用自定义本构程序开发接口UMAT对该模型进行二次开发并对模型进行验证。改进的西原模型对比经典西原模型能够更好地描述在不同应力水平下软土的的蠕变变形特征。研究结果可为软土地区沉降预测提供理论参考。     

加卸载下含水率对含瓦斯煤岩损伤变形的影响分析

采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置对不同含水状态煤样进行了加卸载下三轴变形与渗流特性的试验研究。研究结果表明:含水率越高,煤样的三轴强度越低,失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快,且塑性变形增强,脆性破坏减弱,瓦斯流量增加越小;含水率的增加能够使得煤岩破坏时积聚的弹性能减少,并且释放速率更加缓慢,更多的消耗于塑性变形中,这有助于预防煤岩破坏时由于弹性能的突然释放而导致的大型煤与瓦斯突出事故的发生;基于Logistic方程和能量耗散理论,建立了煤岩损伤演化数学模型,通过对试验数据的拟合分析,两者吻合程度较高,能够为煤岩损伤破坏提供预测。研究结果对于具有煤与瓦斯突出危险性的煤层进行注水消突具有理论指导意义。     

防控高温煤岩裂隙的膏体泡沫研制及应用

煤岩裂隙漏风导致的煤自燃火灾严重危害矿井安全生产,在现有防治煤炭自燃材料的基础上,以聚丙烯酰胺（A）、复合表面活性剂（B）、混合粉体（C）为原材料研制了一种防控高温煤岩裂隙的膏体泡沫。采用正交试验法以保水率、发泡倍数、阻化率为指标优选出了最佳的膏体泡沫配方为A4B4C4:A为70 g/L,B为19.5 g/L,C为270 g/L。对膏体泡沫进行了微观形态表征,并从泡孔尺寸大小及分布、液膜颗粒分布、液膜载体吸水等方面对膏体泡沫的保水、吸热和受热稳定机制进行了分析。最后以南方某煤矿复采工作面煤自燃发火为例,分析和判定了302工作面火区分布,采用钻孔压注膏体对火区高温煤岩裂隙进行控制,3d后工作面1-5#钻孔、三石门密闭处CO浓度从520 ppm,465 ppm,523 ppm,305 ppm,289 ppm,750 ppm下降到22 ppm,18 ppm,23 ppm,14 ppm,14 ppm,36 ppm。     

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。