深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900~1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明:在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为:抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。

2种聚烯烃的水平流淌燃烧行为及熔体流变性

聚合物熔融燃烧时会产生大量流滴熔体,严重影响燃烧行为和火灾危害,但是多数研究集中于垂直燃烧模式,仅少量研究探讨了几种生胶的水平燃烧行为。文中测定了聚乙烯和聚丙烯水平燃烧时的熔体流淌面积和质量损失速率,通过设计的锥形量热仪样品盒收集了水平流淌熔体并表征其熔融温度和剪切黏度。研究发现,与熔体流动受限相比,聚乙烯和聚丙烯的水平流淌燃烧面积增大约10倍,最大燃烧速率增加超过1倍。在50kW/m2热辐射作用下,聚乙烯和聚丙烯在临近着火时就出现熔体流淌现象,且水平燃烧流淌熔体分别占到试样初始质量的58%和42%,与垂直燃烧滴落熔体质量占比相近,流淌熔体的熔融温度比原聚合物低6.2℃,黏流活化能比原聚合物分别减小34.4%和29.9%。

双轴压缩下缓倾层状砂岩力学特性及损伤本构模型研究

为揭示缓倾层状岩石在双轴应力状态下的力学特征与损伤演化规律,开展15°倾角以内层状砂岩的双轴压缩试验。为准确描述层状岩石的损伤演化过程,采用等效应变原理,结合横观各向同性岩石的弹性本构关系和统计损伤力学理论,建立双轴应力作用下层状岩石的统计损伤本构模型,并对试样压密段进行修正。分别采用解析法和拟合法对统计损伤模型进行求解验证。研究结果表明:缓倾层状砂岩在双轴应力作用下,其峰值强度和弹性模量均随层理倾角的增大而减小,随侧压的增大而增大;试样在破坏时均表现出劈裂和剪切复合型破坏的形态,随着层理倾角增加,试样破坏的主控因素逐渐由穿切层面的剪切裂纹转变为沿层面的剪切裂纹,随着侧压增大,试样破坏时产生的宏观裂纹逐渐增多,试样被这些裂纹切割成块,甚至出现板裂状剥落破坏;在压密段采用拟合法、弹性段和峰值后区采用解析法所得到的模型曲线与试验曲线吻合很好,所建立的损伤本构方程可以较好地反映缓倾层状岩石在双轴压缩下的损伤效应。

动静荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值识别

压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验,引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数,根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同,把以上三种岩石分成类型Ⅰ(大理岩)和类型Ⅱ(粗花岗岩和细花岗岩)岩石。研究表明,对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σ_(sd)、裂纹不稳定扩展应力σusd以及裂纹相互贯通应力σct,证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别,解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同,在动态冲击荷载下,岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小,裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等,且与峰值强度的比值也有所减小,岩石产生更多的贯通裂纹,试样破坏时破碎程度更高。

煤岩组合体卸围压能量演化规律及耗散能损伤本构模型研究

煤炭资源开采过程中,半煤岩巷掘进和薄煤层回采都不可避免地会使煤岩组合系统发生自由面卸荷。自由面卸荷现象往往伴随着能量的快速积聚与释放,所以探究煤岩组合体试样卸围压条件下的能量演化规律十分必要。为此,针对煤岩组合体试样开展了不同卸荷速率的卸围压试验。结果表明:(1)轴向加载阶段和应力恒定阶段为组合体试样的主要储能阶段,失稳破坏阶段主要以能量的释放和耗散为主;(2)卸荷速率加快会导致试样峰值弹性能降低,0.03 MPa/s时峰值弹性能分别为0.06、0.09、0.12 MPa/s时的1.64、2.70、3.50倍;(3)卸荷速率加快会导致试样峰后耗散能的增加,0.03、0.06、0.09、0.12 MPa/s卸荷速率下,峰后耗散能量分别为峰值弹性能的28.17%、49.53%、69.55%、92.87%;(4)卸荷速率的增大会显著增强煤岩组合体试样的拉伸破坏趋势,导致断裂角增大、拉伸次生裂纹增多和破坏强度增强;(5)建立考虑初始损伤的耗散能本构模型,合理阐释了卸围压条件下煤岩组合体试样损伤演化全过程。该研究成果对于了解卸围压速率对煤岩组合体试样的能量演化特征具有重要意义。

奥尔托喀讷什锰矿粗骨料胶结充填体试验研究及配比优化

充填体材料的强度及充填体料浆的浓度、流动性和阻力坡降等是矿山充填体系统设计的关键指标,事关矿山的充填质量及矿山生产安全。为了保证矿山安全生产和降低矿山充填成本,针对奥尔托喀讷什锰矿矿山现状,选取了风化较少的青黑色废石和风化较多的土黄色废石,分别开展了材料基本物化性质试验、充填料胶结强度配比优化试验研究、充填料浆流变参数及输送性能研究等一系列试验。研究了不同粗骨料、水灰比、养护时间及料浆浓度对粗骨料胶结充填体单轴抗压强度、塌落度及充填体料浆流动性的影响,并进一步对粗骨料胶结充填体物料配比进行了优化。实验结果表明:当粗料为全粒径≤10 mm混合废石、灰砂比为1∶4时,充填体试块强度最大,料浆不易堵管或大量堆积于管道中;料浆浓度保持在82%~80%时,充填料浆的和易性和流动性较好;充填体料浆流速随浓度的下降快速上升,静料柱高也显著下降。

不同微波加热时间处理下花岗岩力学性质及脆性的实验研究

微波加热引起的岩石强度减弱和脆性降低对于提高硬岩破碎效率具有重要意义。本研究对不同微波加热时间(0 s,60 s,120 s,180 s,240 s,300 s)处理后的花岗岩进行了单轴压缩试验和微观形貌分析。结果表明,当以5.4 kW的微波功率辐照120 s时,花岗岩的力学性质发生了显著变化。结合声发射(AE)数据,确定了试样在单轴压缩过程中的裂纹起裂应力和损伤应力阈值,并发现它们随着加热时间的延长而线性减小。根据微观分析,花岗岩在微波加热下的强度弱化行为归因于微裂纹密度的增加。加热120 s后,晶间裂纹的张开导致裂纹密度增加了0.6%,300 s处理后微波诱导热裂纹的发展使裂纹密度增加到了8.62%。微波处理后花岗岩的脆性显著降低,主要表现在应力阈值水平的降低以及由拉伸向剪切破坏模式的转变。定量的脆性指标,特别是基于起裂应力的脆性指标也证明了岩石的脆性和微波处理时间有较好的负相关性。

热辐射强度对5种橡胶生胶燃烧和热解特性的影响

为探究热辐射强度对橡胶生胶燃烧和热解特性的影响,以天然橡胶(NR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、顺丁橡胶(BR)、丁腈橡胶(NBR)和丁苯橡胶(SBR)为研究对象,利用锥形量热仪测定生胶的燃烧行为,发现在不同强度热辐射作用下,NR和EPDM的热释放速率(HRR)曲线均为后单峰型,但BR,NBR和SBR的HRR曲线会从35 kW/m^(2)热辐射强度下的后单峰型转变为15 kW/m^(2)热辐射强度下的双峰型。该双峰型曲线的形成可以通过着火前样品的外观变化和热解特性演化进行解释。在15 k W/m^(2)热辐射作用下,BR,NBR和SBR样品的上半部分出现了多分层现象,表面形成了较多的硬质炭层,且至少有1个分层的残碳率和热解反应活化能均大于35 kW/m^(2)热辐射作用下样品表层的残碳率和热解反应活化能。该分层现象和热解特性演化可能与低强度热辐射作用下生胶较长时间处于交联反应温度区间有关,而NR和EPDM的交联作用因为返原现象而大幅削弱,故而在15 kW/m^(2)热辐射强度下没有出现双峰型HRR曲线。