基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

选矿废水拌合尾砂胶结充填体强度演化规律及声发射特征

尾砂胶结充填体是充填采矿中的核心承载单元,其稳定性关乎矿山生产安全。近年来,一些地下矿山为减少环境污染等问题,选择二次利用选矿排放废水进行充填,因此,对于采用选矿废水进行充填的矿山,明确选矿废水对尾砂胶结充填体强度的影响至关重要。为此,以3种pH选矿废水(pH=7、8、9)和普通自来水(pH=7)为拌合水制备4种养护龄期(7、14、21、28 d)的尾砂胶结充填体试件。利用声发射(AE)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等试验手段,分析充填体试件的单轴抗压强度、微观结构及其破坏过程中AE振铃计数率、bi值、能量变化特征。研究表明:(1)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体强度低于普通自来水拌合的充填体强度,选矿废水拌合的充填体强度随pH的增大而减小,且CO_(3)^(2-)与充填体单轴抗压强度指标间的灰色关联性最好,而Ca^(2+)的关联性最差,阴离子的关联性整体好于阳离子;(2)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度及衍射峰强度低于普通自来水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度与衍射峰强度,而选矿废水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度及衍射峰强度高于普通自来水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度和衍射峰强度;随着选矿废水pH的升高,充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度减少、衍射峰强度降低,而钙矾石的质量浓度增多、衍射峰强度升高,从而导致充填体强度下降;(3)充填体破坏过程中AE振铃计数率及b^(i)值整体上分别呈现“升—降—突增—峰值”和“波动上升—剧烈下降—逐步上升”的变化规律;在相同养护龄期下,对于破坏过程中AE b^(i1)、b^(i2)、b^(i3)、峰值应力处每10 s累计振铃计数率及能量数值,选矿废水拌合的充填体均小于普通自来水拌合的充填体,且上述AE特征指标均随着选矿废水pH的增大逐渐减小。

基于RHT模型的胶结充填体动力学特性数值模拟研究

胶结充填体作为人工矿柱,在地下爆破开采中经常受到冲击荷载作用,其稳定性受到严重影响。基于RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)损伤本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同冲击速率(2、3、4、5 m/s)下不同灰砂比(1∶4、1∶6、1∶8)胶结充填体的SHPB动态冲击数值模拟试验研究,探讨胶结充填体动态抗压强度、强度增长因子、吸收能与冲击速率之间的关系,阐明胶结充填体动态破坏模式及破坏过程。研究结果表明:①胶结充填体试件的动态抗压强度、动态强度增长因子均随冲击速率增加而增大,且相同冲击速率下灰砂比越高,胶结充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;②胶结充填体吸收能随着冲击速率增加而逐渐递增,呈线性增长趋势,且灰砂比越高吸收能增长越快;胶结充填体破坏过程表现为试件端部首先出现损伤,轴向、横向裂纹依次出现,裂纹扩展直至贯穿并向内部发展,最终完全破坏,失去承载能力;③以上结论同时验证了RHT模型参数取值的准确性,RHT损伤本构模型的成功应用,为开展胶结充填体动力学特性相关数值研究提供了参考。

矿山太阳能耦合充填体热泵系统性能研究

太阳能热泵和土壤源的结合应用不仅大大提高了清洁能源的利用率,还能很好地解决土壤因冬、夏季负荷不平衡而导致的温度场降低问题。介绍了太阳能热泵系统的分类和存在的问题,提出太阳能耦合土壤源热泵系统的必要性。针对矿井条件,进一步提出了太阳能耦合充填体热泵系统的学术理念,分析了两者结合的可能性,并以石家庄为例用TRNSYS软件进行模拟。阐述了其在夏季与过渡季蓄热、在冬季供暖的运行模式,分析了输出结果以及该系统的利用价值。结果表明:相较无太阳能蓄热充填体温度场变化率为11.56%的情况,有太阳能蓄热时温度场变化率仅为3.67%。太阳能耦合充填体热泵系统中充填体总吸热量为304377.90 kW·h,充填体总释热量为222461.89 kW·h。相当于节省标煤27.36 t,减少二氧化碳排放68.21 t。为后续充填体储热及矿区热利用提供了参考。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统影响因素

为明确太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统参数,选取对充填体温度场变化和蓄/释热效果的影响,通过正交试验法对集热器面积、蓄热水箱体积与集热器面积比、充填体导热系数、地埋管管间距、埋管管材导热系数进行多因素研究,通过建筑负荷对太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统进行设计并采用TRNSYS软件建模,开展五水平五因素正交试验,通过选择系统蓄热率以及蓄热耗电比2个指标得出最优参数方案并进行10 a运行模拟。结果表明:集热器面积和充填体导热系数变化对充填体蓄热率有显著影响,蓄热水箱体积与集热器面积比则对其基本无影响;集热器面积和充填体导热系数以及埋管管材导热系数对蓄热耗电比有显著影响,蓄热水箱体积与集热器面积比和地埋管管间距则对其影响程度很小;将优化后的方案与原方案进行对比,蓄热率提高了12.65%;蓄热耗电比降低了28.17%,集热器集热量和充填体蓄热量分别提高了30.73%和39.49%。优化后系统应用价值显著提升,为后期研究太阳能耦合充填体热泵系统提供理论支持。

临近胶结充填体矿房爆破参数数值模拟分析

为解决在应用空场嗣后充填采矿法开采矿石过程中爆破对胶结充填体的冲击及损伤问题。以玉溪矿业某一临近胶结充填体的矿房为研究背景,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,分析矿岩在爆破瞬间及后续破碎过程中的应力分布、位移变化和破坏模式等情况。同时结合爆破振动参数,对矿岩破碎效果及周围充填体的损伤程度做出一个量化评估。数值模拟结果验证了爆破参数的合理性。研究结论为优化爆破效果,降低开采过程中爆破对充填体矿柱的损伤,指导后续爆破作业提供了理论依据。

倾斜煤层沿空留巷巷旁充填体承载特性及合理宽度研究

为研究倾斜煤层沿空留巷巷旁充填体承载特性及合理宽度,以黑龙江新铁煤矿左七工作面沿空留巷为背景,采用理论分析的方法,分析矸石动冲及静压作用,明晰了动冲及静压作用影响因素,运用数值模拟软件,分析充填体宽度效应下沿空留巷围岩应力分布及变形特征,揭示了充填体承载特性并确定充填体的合理宽度,最后进行工程应用。研究表明:矸石对巷旁充填体的动冲作用随矸石的质量、采高及煤层倾角增大而增大,随碰撞时间及滑移长度的增加而减小;矸石对巷旁充填体的静压作用随矸石容重、煤层倾角、采高及工作面长度增大而增大;理论计算出巷旁充填体最小宽度为1.36 m;随充填体宽度增加,充填体承载能力及抵抗变形能力逐渐增加,充填体内部形成偏向采空区的“椭圆形弹性核”,最终确定巷旁充填体宽度为2 m。工程应用表明,采用该巷旁充填体参数,沿空留巷围岩变形量较小,满足日常生产需求。

基于无废企业工业废料充填体强度与材料配比优化研究

为了构建无废企业,某煤电一体化企业采用连采连充式充填来循环再利用其生产的工业废弃物。结合充填工艺特点,以矸石和炉渣为骨料,粉煤灰、石膏、水泥和电厂废水配成的浆液为胶结材料,用DPS数据处理系统建立回归模型,通过方差分析与响应曲面分析法分析双因素交互作用下对充填体强度影响。研究结果表明,石膏水泥比与矸石浆液比交互作用影响最大,其次是粉煤灰水泥比与矸石浆液比的交互作用,石膏水泥比与粉煤灰水泥比交互作用影响最小。根据优化结果得到最终配比为石膏水泥比0.1,粉煤灰水泥比0.35,矸石浆液比2.9,以此参数得到充填体试验最终强度为5.21 MPa,其相对误差小于5%。研究结果可为无废企业的废弃物的循环再利用提供借鉴。

单轴压缩下分层胶结充填体的破坏特征研究

采用分层充填法充填采空区,为了确保分层充填体的稳定性,对其力学特性及破坏模式进行研究。从矿山实际出发,制备由不同灰砂比基体组合而成的分层充填体,对其开展单轴压缩实验,并利用数字图像相关法(DIC)进行检测。研究结果表明,分层充填体的强度随着中间层的灰砂比的变化而变化,并且指数函数能够更好地量化表征强度与中间层灰砂比的关系。分层充填体的破坏模式与中间层灰砂比有关,随着灰砂比的降低,破坏模式由剪切破坏向拉-剪复合型破坏过渡。

动态冲击下龄期较短充填体的力学特性研究

充填体材料发挥支撑作用时往往会受到爆破、钻孔等外界的动态扰动,严重危害采矿安全,同时养护时间长短也会影响矿山开采效率。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统研究不同龄期尾砂胶结充填体的力学特性,同时使用LS-DYNA有限元软件对试样在动态冲击作用下的应力-应变特性进行数值模拟。研究表明:在动态冲击作用下,龄期28d的试样较龄期3d的试样压密阶段短,线弹性阶段长,且峰后强度下降明显,2种试样动态强度与应变率基本呈正相关关系。模拟结果表明:龄期3d的试样在靠近透射端一侧出现较大的应力集中区,产生应变并均匀的向入射端扩展;龄期28d的试样应力集中区与应变主要出现在侧面轴向,逐渐贯穿整个试样。模拟结果与高速摄影捕捉的裂纹扩展情况相符。研究结果能够为地下矿山确定合理的回采时间提供一定的理论参考。

矿山原位环境尾砂胶结充填体力学性能研究进展

尾砂胶结充填体养护过程受采场原位温度、压力、孔隙水压力等因素影响,导致实验室制备的尾砂胶结充填体试样与相同物料配比的采场原位充填体取芯试样的力学性能存在显著差异。精准预测尾砂胶结充填体在采场原位环境下的力学性能是确保矿山充填配比参数设计合理、经济的重要前提。目前,国内外学者针对单一环境因素对尾砂胶结充填体力学性能的影响取得了丰富的研究成果,但有关多环境因素耦合下尾砂胶结充填体力学性能的定量研究并不充分。系统介绍了采场原位环境下尾砂胶结充填体力学性能的研究现状,从养护压力、养护温度、孔隙水压力和充填体养护装置四个方面介绍了国内外研究进展。首先系统梳理了养护压力、养护温度和孔隙水压力三种采场原位环境因素对尾砂胶结充填体强度影响研究。然后分析了现有充填体养护装置的优缺点。矿冶科技集团在此基础上创新发明了一种“矿山充填原位环境物理孪生试验装置”,该装置能够在室内模拟采场原位环境的温度、压力和孔隙水压力的养护条件,实现采场原位环境因素对尾砂胶结充填体力学性能影响的定量化研究。

粗骨料纤维充填体的力学特性与能量损伤演变规律

为提升充填体的抗拉性能、抗裂性能和韧性,通过抗压、巴西劈裂和落锤冲击试验研究了聚丙烯纤维对充填体强度特征、变形特征、抗冲击性能和能量演变的影响。结果表明:随着纤维掺量增加,充填体强度先增大后减小,弹性模量逐渐降低;掺入纤维后,充填体总耗能增加,达到峰值后释放动能减小,摩擦内能增加,可促进弹性应变能转变为耗散应变能;随着纤维掺量增加,充填体冲击耗能、延性比和韧性系数先增大后减小,终裂形态由“开裂即碎”演变为“裂而不碎”;掺入0.10%纤维的充填体抗拉强度、韧性和抗冲击等性能最优。强化机制主要是充填体内纤维“筋网结构”延缓裂纹产生、抑制裂纹扩展和提升能量吸收上限。研究成果有助于提升采场充填体顶板的稳定性,保障矿山生产作业安全。

煤矿连采连充胶结充填体监测技术研究

为了对煤矿连采连充开采胶结充填体状态进行监测,基于连采连充工艺特点和充填体特性,提出了充填体状态监测的5项基本内容,主要包括液位监测、受力监测、强度监测、温度监测和应力监测,研究了各项监测内容的监测技术和监测方案。结果表明,液位监测采用浮标式液位监测技术适应性较好;受力监测采用挡墙压力计进行监测,量程约为150 kPa;强度监测通过实验室测试充填体的强度,并展望了原位强度测试技术;温度监测采用温度传感器来实现;应力监测采用千帕级和兆帕级双通道应力计进行监测。

低场核磁共振技术在充填体材料的应用优势

低场核磁共振技术近年来应用发展迅速,具有精准高效低价无损的特点,通过检测多孔结构中氢质子的核磁共振弛豫信号,来反映孔隙及其内部流体信息。研究矿山充填体材料的孔隙结构、水化进程和水分迁移,对于维护矿山与工程稳定具有重大意义。本文主要介绍了近年来低场核磁共振技术在矿山充填材料中的应用,如孔隙度、孔径分布、水化进程、水分迁移等;阐述了低场核磁相应设备的发展,对其前景的展望。

单轴压缩下结构充填体的能耗特征及本构模型与验证

以矿山分层充填为背景,针对由不同力学性能基体组合而成的三层复合结构充填体,基于初始超声波速和耗散能演化特征,并借助Logistic模型,建立了能够描述考虑层间结构和荷载耦合作用下完整的损伤变量方程。进一步结合损伤力学理论和有效介质理论,构建了考虑压密段的结构充填体分段本构模型。结果表明:根据耗散能的演化特征可将结构充填体的变形破坏特征划分为三个阶段,即初始累积损伤阶段、快速损伤阶段和加速损伤阶段,损伤加速的转折点位置与中间层的力学性质有关;损伤变量呈现“S”形增长的演化规律,初始损伤与中间层灰砂比和高度比之间呈指数关系,最大损伤率随着中间层强度的降低而降低;建立的本构模型能够较好地描述应力-应变过程,与实测数据吻合度较高。

水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77~30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0~50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%~80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为20.8~30.04 MPa,5.63~12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆–延性破坏(0~40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%~90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为24.64~30.04 MPa和1.77~20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43~55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。

沿空留巷巷旁复合充填体分层材料优选研究

沿空留巷巷旁充填体分为让压层和抗压层,让压层材料应具有大变形的特性,减缓基本顶岩梁的剧烈活动;抗压层材料应具有强度高、刚性大等特点,柔性让压之后实现对上覆岩梁的有效控制。因此对让压层和抗压层材料的不同配比进行力学特性分析,并通过电镜扫描(SEM)对让压层和抗压层的对照组和优化组进行微观结构分析,最后对让压层和抗压层的最优配比进行组合试验。研究结果表明:让压层材料的最优配比为水灰质量比1.5∶1,发泡剂掺量0.06%,纤维掺量0.2%;优化组28 d时抗压强度达到了8.84 MPa;不同期龄下的应变力,优化组为对照组的1.8~2.6倍。抗压层材料配比中细矸率为40%,料浆质量分数78%,水泥掺量为20%时为最优,其平均抗压强度为13.21 MPa,抗拉强度为0.97 MPa,弹性模量为0.75 GPa,内摩擦角为26°,黏聚力为2.85 MPa;该配比下的充填体随着水泥掺量的增加后期强度逐渐增大。组合试件中让压层占比10%~20%时,具有较好的让压能力,也具有一定的关键承载能力。研究结果为沿空留巷巷旁充填体材料配比提供了参考。

尾砂粒级、灰砂比和料浆浓度对充填体力学性质影响研究

为研究尾砂粒级、灰砂比和料浆浓度对充填体力学性质的影响程度,采用基于数字图像相关技术的单轴压缩试验分析不同粒级尾砂充填体的力学特性和应变场分布特征,利用扫描电子显微镜获取充填体微观结构特征,揭示尾砂粒级对充填体力学特性的影响机制。研究结果表明:随着尾砂粒级增大,应力-应变曲线的弹性阶段延长、塑性阶段缩短;裂隙演化过程可分为微裂隙闭合、微裂隙发育、微裂隙扩展和裂隙贯通4个阶段,充填体开裂程度在峰值应力前较小、峰值应力后较大;随着尾砂粒级增大,充填体面孔隙率降低,C-S-H凝胶数量逐渐增多;多因素作用对充填体强度影响强弱为:尾砂粒级与灰砂比>尾砂粒级与料浆浓度>料浆浓度与灰砂比。研究结果可为矿山井下充填参数设计提供理论指导。

碱渣改性充填体早期力学特性及能量演化特征

为探究碱渣改性充填体的早期力学特性及能量演化特征,利用WHY-600压力机开展了单轴压缩试验,分析了其抗压强度、弹性模量、破裂模式及能量变化,结合响应曲面法,对质量浓度、尾砂级配及碱渣添加量进行寻优分析。结果表明:随碱渣添加量增加,充填体失稳破坏位移量、单轴抗压强度、弹性模量先增大后减小,当碱渣添加量为5%时,充填体抗压强度大,抵抗变形能力强;随碱渣添加量增加,充填体耗散能、弹性变形能、峰值强度下单位体积应变能及总能量均先增加后减小;单轴压缩条件下,碱渣改性充填体破坏模式为半贯穿或贯穿的斜剪切、平行双裂隙以及倒Y型裂隙,破坏程度随碱渣添加量增加而增大;建议采用质量浓度77%、细粗尾砂级配3:7、碱渣添加量5.35%的配比来制备碱渣改性充填体,经计算其抗压强度为5.3458 MPa,能满足矿山早期生产需求。研究结果为碱渣改性材料的可行性提供了一定的理论依据。