基于超声横波测试的Na基膨润土充填体强度预测模型研究

充填体作为充填采矿法的核心单元,其强度是保障安全开采的重要指标。Na基膨润土的亚甲基蓝吸附量和生坯抗压强度较高,是制备充填体的优质添加剂,然而鲜有其掺量与充填体强度之间关系的研究成果。本文基于超声波测试技术和单轴压缩试验,分析不同Na基膨润土掺量充填体的横波波速、主频幅值、幅值衰减系数、波形分形维数在各龄期的变化规律,结合敏感性分析遴选出对抗压强度变化最敏感的声学参数。建立了不同Na基膨润土掺量下充填体强度的预测模型,并结合显著性检验及对比分析,对强度预测模型进行了验证。研究成果可为开展充填体单轴抗压强度预测的相关理论研究和工程应用提供参考和帮助。

单轴压缩下不同饱和度红砂岩横波特征研究

为了研究饱和度对岩石超声波横波传播规律影响,以红砂岩为研究对象,开展不同饱和度下入射频率分别为50、100、200 kHz的超声波横波传播实验,分析饱和度及入射频率对横波声学参数变化规律。结果表明:干燥至饱和状态,横波波速随饱和度增大呈非线性下降趋势,幅值衰减系数随饱和度增大呈非线性递增趋势,均满足三次函数关系,属于高度相关;整体分析发现横波波速受饱和度变化影响大于幅值衰减系数,幅值衰减系数拟合参数能较好反映岩样物理量的变化;基于敏感性及决定系数的综合考虑,建议今后采用100 kHz作为含水砂岩超声波横波测试优势频率。研究成果可为不同饱和度下岩石超声波测试技术发展提供参考。

基于超声波测试的片岩单轴抗压强度预测模型

岩石单轴抗压强度是岩土工程中最基础、最重要的参数之一,建立其快速、方便、经济的预测方法一直是岩土界的研究热点。为了获取片岩单轴抗压强度的预测模型,基于超声波试验和单轴压缩试验数据,对福建某矿山的片岩岩样分别开展了单轴抗压强度与纵波波速、横波波速、纵波模量、横波模量、动弹性模量和静弹性模量的回归性分析,并各自建立了线性、对数、多项式、指数函数和幂函数5种回归模型。分析表明,除了动弹性模量以外,其他参量都易受空间变异性和各向异性影响,不适合用于片岩单轴抗压强度的预测。最终,通过拟合度、所包含参量、量纲平衡、测试方法以及显著性分析,确定基于动弹性模量建立的线性回归模型是最合理、可靠、方便的片岩单轴抗压强度预测模型。研究成果可为开展岩石单轴抗压强度预测的相关理论研究和工程应用提供参考和帮助。

对称X型裂隙类岩体的力学特性及破坏机制研究

为了研究对称X型裂隙对岩石力学特性及破坏机制的影响,对预制对称X型裂隙类岩体试件进行单轴压缩试验和数值模拟分析。结果表明:1)预制裂隙角度影响裂隙尖端的受力状态,是试件裂纹起裂特征和破坏模式的主要因素;2)对比完整试件,裂隙试件的应力-应变曲线峰前出现应力下降现象,峰后表现为延性下降,且峰值强度、弹性模量和弹性应变能明显下降,表明试件的力学特性和能量特征对预制裂隙的敏感性高;3)当0°<α<90°时,随着预制裂隙角度α的增大,Ke和T应力值减小,裂纹尖端抵抗开裂的能力增强,裂隙试件峰值应力增大,且裂尖抵抗Ⅰ和Ⅱ型断裂能力的强弱是造成裂隙试件破坏模式差异的主要原因。

基于AHP层次分析法的离子型稀土矿原地浸出边坡稳定评价研究

离子吸附型稀土矿是我国重要的稀土资源,主要的开采工艺为原地浸矿。原地浸矿中的注液活动会对山体边坡的安全稳定性造成影响,因此,快速保证山坡在实施原地浸矿过程中的安全稳定性一直是原地浸矿开采工艺亟待解决的难题。本文通过分析工程特点,研究了影响离子型稀土矿原地浸出工艺过程中边坡稳定的主要影响因素,建立了能够考虑浸矿工艺影响的边坡稳定评价层次分析模型。该层次模型由2级、5类、11项指标组成,采用AHP层次法和灰色关联理论,计算了考虑浸矿工艺影响的指标权重,将所研究的评价体系应用于实际浸矿工程中,计算结果与极限平衡法分析结果进行对比。研究结果表明,该方法简便可行,结论可靠,能够为原地浸矿工程决策提供参考。

含不同充填面倾角的胶结充填体力学特性及破坏模式试验研究

在大规模的采空区充填过程中,受限于充填站的连续造浆能力,多次充填导致充填面处易出现不同的倾角。为探究含不同充填面倾角的胶结充填体(CTB)的力学特性及破坏模式演化过程,制备不同养护龄期下含不同充填面倾角的CTB试件以及完整试件,采用WDW-20电子万能实验机进行单轴压缩试验。结果表明:1)含充填面倾角试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量均随着充填面倾角的增加呈现减小的变化趋势,而养护龄期的增加能够有效弱化充填面倾角所带来的结构效应。2)与完整试件相比,含充填面倾角的试件在孔隙压密阶段以及裂纹扩展阶段历时较短。在峰后破坏阶段,均表现出延性破坏特征,但随着养护龄期增加,延性破坏特征逐渐减弱。3)含充填面倾角试件的总能量、弹性应变能、耗散能和能量耗散率均小于完整试件。充填面倾角与总能量之间遵循线性函数关系、而与弹性应变能和耗散能之间遵循二次多项式函数关系。4)充填面倾角显著影响了CTB试件的破坏模式,随着倾角的增加,破坏模式演化过程为充填面处张拉破坏(0°、10°)→垂直充填面处张拉破坏(20°)→充填面处张拉-剪切破坏(30°),研究结论可为存在充填面倾角的充填体强度设计提供一定的理论参考。

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。

不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究

岩石中超声波横波声学参数与力学参数密切相关,利用超声波横波传播特性可以反演岩石力学参数,但目前相关研究成果较少,因此需要深入开展岩石中超声波横波传播特性的研究。本文以灰砂岩、红砂岩和黄砂岩为研究对象,开展50 kHz、100 kHz和200 kHz频率下超声波横波传播试验;提取波速、主频和最大幅值等声学参数进行砂岩中超声波横波的传播特性研究;通过归一化处理,分析了3种声学参数对弹性模量变化的敏感性。结果表明,在3种砂岩中,横波波速、主频都随入射频率和弹性模量增大呈非线性递增趋势,最大幅值随入射频率呈降低趋势,而弹性模量和入射频率对3种声学参数变化率的影响呈现出不同规律;整体分析发现最大幅值对砂岩弹性模量变化的敏感性最强,基于最大幅值建立了砂岩弹性模量的估算公式;基于波形、信噪比、相关性的综合考虑,建议今后采用50 kHz作为砂岩超声波横波测试的入射频率。研究成果可以为超声波测试技术的发展提供参考。

掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征

为了探究掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性及能量演化规律,对掺不同质量含量的聚丙烯纤维充填体进行单轴压缩试验,得到了掺不同纤维含量充填体优化后的本构模型。结果表明:向充填体添加聚丙烯纤维能够有效提高充填体的力学性能,当纤维含量达到0.6%时,纤维增强充填体的效果最好;对现有的掺纤维充填体损伤本构理论模型进行优化,得到了优化后掺聚丙烯纤维充填体理论曲线,并将理论曲线与试验曲线和文献曲线进行对比验证,发现优化后的理论曲线与试验曲线拟合度更高;构建了损伤与应变能之间的关系,损伤-应变能关系曲线能更好地描述掺不同纤维含量充填体的损伤特性,发现纤维增强充填体力学特性的主要机理,即纤维不仅增强了充填体储存应变能的能力,还增大了充填体峰后储能的能力。试验结果对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有一定意义。

竖井圆形冻结壁弹性设计理论的对比研究

对井筒冻结壁弹性设计理论的3个解析公式进行对比分析,用图解的方式展示出用叠加原理求解基于冻结壁和围岩相互作用的力学模型两种方法,揭示冻结壁外缘载荷随冻结壁厚度和刚度变化的规律。通过对用3种冻结壁厚度公式设计的差异性分析,说明采用重液公式确定拉梅公式中载荷的不合理性,提出基于太沙基有效应力原理的自重初始应力场计算方法。结合案例,比较3种解析公式得到的地层原岩水平载荷和冻结壁厚度的函数关系,用定义域和值域的数学原理研究各个冻结壁弹性设计公式的适用范围,阐释其工程实际意义,并就弹性设计的实用意义进行审慎性评述。

基于围岩相互作用的冻结壁弹塑性分析对比研究

冻结壁弹塑性分析的目的并不是为了减薄冻结壁厚度,而是为可靠性设计提供参考。综述了冻结壁弹塑性分析的发展,基于"包神"公式弹性分析,开展了冻结壁弹塑性力学模型的研究,推导出了应力场和位移场解析表达式,并与不同力学模型进行了对比;分析了采用不同屈服准则时的冻结壁塑性区半径计算公式和进入临塑状态时的水平初始应力判别式。利用工程算例对比分析了不同水平初始应力下,采用不同屈服准则时冻结壁的临塑地压值、塑性区外半径和弹性区外荷载;结果表明,冻结壁临塑地压值增大32%,塑性区半径减小14.5%,冻结壁外载荷减小23.3%,为冻结壁厚度设计的可靠性分析提供了数据支持。

超千米竖井短掘短砌井壁温度场有限元模型反演研究

为研究超千米竖井短掘短砌井壁温度场的规律,引用复合指数温升函数,建立磁西井筒井壁浇筑过程的有限元温度传热数值模型.根据本模型,对本段井壁砌筑的温度场进行整体分析,获得全场温度随时间的热发展全过程,即最高温度发生在井壁中间,在混凝土搅拌后34.5 h,混凝土养护期间的井壁内温度分布呈现上凸的抛物线型特征,随着时间延长,井壁内温度曲线逐渐平缓,逐渐趋向于由围岩原始地温和井内换热决定的圆孔半无限导热曲线,可近似为对数曲线分布.

冻结立井井壁早期温度应力计算研究

介绍了冻结井筒井壁温度应力研究现状,分析了井壁早期温度应力的产生机理;基于热弹性理论,建立了矿山冻结立井井壁早期温度应力计算模型,推导了井壁早期温度应力和应变计算公式;通过算例分析,环向和竖向温度应力以及环向温度应变与温度变化分布相关,环向温度拉应力最大达到27.62 MPa,最大环向温度拉应变为196με,说明井壁设计不能忽略温度应力的影响。

由包神衬砌设计公式谈“两壁”设计

首先介绍了包神衬砌设计公式,讨论了我国现行井壁设计规范的局限性,冻结壁设计公式研究发展和存在的问题;其次解释了包神衬砌设计公式的统一性和适用性;第三,分析了冻结法、钻井法和注浆法凿井条件下的井壁厚度设计问题,单、双层井壁结构选择问题,以及我国西部矿区冻结壁厚度弹性设计方法和外层井壁厚度设计问题。

袁大滩煤矿冻结斜井受力实测与分析

袁大滩煤矿副斜井净宽5.5m,净高4.55m,所穿地层主要为纯砂层.井筒冻结段自垂深16. 12 m起 ,至垂深85. 17 m止,冻结斜长611 m ,冻结段倾角6° ,采用5排孔垂直冻结方式.冻结区段划分为15段 ,平均40 m一段.井筒施工中 ,对冻结井壁温度、压力及内壁变形进行了现场实测分析.结果表明 ：井壁浇筑所释放的水化热对井壁温度、压力及应变有明显影响;井壁测试元件埋设70~80 d后 ,顶板、侧帮与底板的压力与应变都趋于稳定 ,冻结壁已完全失去承载能力;140 d后 ,冻结壁已完全解冻.

岩石黏性系数的超声波法测试与敏感性分析

基于超声波在Kelvin-Vigot黏弹体传播过程中的幅值衰减规律,推导了岩石黏性系数的理论计算公式。通过室内岩样的超声波试验,获取不同发射波频率下的黏性系数。引入相关系数,进行岩石黏性系数与密度、波速、弹性模量的相关性分析。结果表明:岩石的黏性系数随超声波发射波的频率呈负指数函数关系;岩石的黏性系数对弹性模量的变化最为敏感,而对纵波波速的变化最不敏感,可用岩石的弹性模量来表征黏性系数;建立岩石黏性系数随发射波频率变化的统一拟合公式,拟合参数C1对弹性模量的变化最为敏感,拟合参数C2对纵横波波速比的变化最为敏感。研究成果可以为岩石力学参数测试和岩石动力学特性研究提供参考。

冻融循环作用下倾倒式危岩体稳定性劣化模型

为了探究冻融作用对倾倒式危岩体稳定的作用机理及长期劣化规律,基于极限平衡理论,考虑结构面冻胀力、未贯通段抗拉强度劣化及冻结深度演化对倾覆点力矩的影响,构建倾倒式危岩体稳定性分析方法.基于岩石冻胀理论,考虑岩石碎屑流失、微裂隙倾角、温度等参数对孔隙半径冻胀破坏的影响,建立岩石抗拉强度劣化模型并验证其合理性.利用裂隙分布不均性修正Stephan冻结深度经验公式,得到冻融循环作用下岩石冻结深度计算方法.结合工程算例,讨论不同敏感参数对倾倒式危岩体稳定性的影响.结果表明:初始抗拉强度越低、孔隙率越大,危岩体稳定性劣化效果越显著;当环境温度高于263.15 K(-10℃)时,危岩体稳定性对温度的变化敏感,危岩体保温措施的效果显著;当碎屑流失比超过0.8时,冻融循环作用对危岩体的劣化速率明显加快,倾倒式危岩体的长期冻融劣化效应明显,控制冻胀破坏产生的碎屑流失有利于寒区危岩体保持长期稳定.

超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 kHz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。

基于冻结壁地层相变环境下大体积混凝土温度场研究

介绍了中国矿山冻结法凿井井壁混凝土温度问题的现状和发展,研究了井筒冻结相变导热环境下大体积混凝土井壁温度场数学模型;介绍了营盘壕冻结副立井套内壁的工程概况、垂深704m壁座结构和温度监测方案,7个实测点数据,图形展示了混凝土浇筑72h内井壁及围岩的实测温度发展.有限元数值模型计算获得了对应实测点的温度数据,和实测结果相当接近,并预测了在停止冻结后直至全部融化的井壁及围岩温度分布发展情况.数值计算还原了井壁距内缘深682mm测点2的一段丢失数据,弥补了对测温量程考虑不足导致数据丢失的遗憾,并显示出在混凝土搅拌后37.5h时井壁测点最高温度可达到92.3℃,高温发生在内壁中间部位,井壁内外温差最高达到了65℃以上,如此高的内外温差值得设计和施工人员关注.模型还揭示了停冻120d后冻结壁全部融化,即围岩都上升到摄氏正温以上.

磁西矿千米深井不均匀原岩应力场有限元模型研究

从现代数值计算在地下工程中应用发展和新奥法理论的角度出发,提出了原岩应力场分析在现代地下工程设计方面的必要性。依据地层构造学,通过磁西副立井检查孔资料和地质构造条件,建立了基于重力场为基础的考虑地层倾斜、断层等构造下的磁西副立井广场下原岩应力分析模型,通过数值计算分析结果,图形化展示了不同垂直勘探线上三向应力随深度的变化规律,尽管三向应力都和深度成正比关系,但和解析解不同的是,在岩层界面和断层处水平和垂直应力都不是连续的,而且两向水平应力是不等的,二者之比最大值1.22发生在垂深613 m左右。正交统计分析得到,两向水平应力之比,即不均匀应力系数,它的第一影响因素是岩体剪切模量之比,第二影响因素是岩层倾角。在同一水平上,水平应力的变化也表现和地层倾斜方向高差相关联的关系,即倾斜上位的应力高于下位的应力,但应力梯度值不大,在10^(-3)~10^(-4)量级上,主要与岩层倾角有关,对地应力的评估差异不大。