纳米硅溶胶−EVA−粉煤灰水泥基复合浆材配比正交优化及对其物性的影响

针对传统水泥基浆材不能满足煤矿大变形巷道注浆加固实际需求的难题,通过添加纳米硅溶胶、乙烯−醋酸乙烯共聚物(EVA)和粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行改性获得高性能复合浆材。采用正交试验和极差分析法系统研究复合浆材物理力学性能的变化规律,确定最优配比,并进一步分析最优配比复合浆材与纯水泥的物性差异,构建复合浆材的水化反应机理模型,阐明其加固破碎岩石的力学特性。研究结果表明,复合浆材最优配比为:水灰比0.7,粉煤灰掺量15%,硅溶胶掺量2%,EVA掺量7.5%;相较于纯水泥,复合浆材流变性略有下降,但浆液稳定性、力学性能等均有显著提升,初凝时间缩短了38.9%,终凝时间缩短了53.8%,析水率降低了60%,结石率提高了3.3%,单轴抗压强度提高了39.1%,抗拉强度提高了97.2%,拉压比提高了41.7%;硅溶胶和粉煤灰在不同时期与Ca(OH)2发生火山灰反应生成更多水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(CA-H),促进复合浆材的水化反应,并加速EVA成膜,使结石体更加致密;复合浆材注入量和胶结体单轴抗压强度均随注浆压力的增大而增加,随Talbot指数的增加,抗压强度先增大后减小,破坏形式多呈鼓状,剪胀变形明显;当注浆压力大于2 MPa,Talbot指数为0.5时,胶结体强度较大,破坏较小。本研究为水泥基复合浆材早期强度、增韧改性提供了可行途径。

基于改进A^(*)算法的矿用机器人救援路径规划及仿真分析

【目的】煤矿井下灾后现场情况复杂,针对传统A^(*)算法的煤矿机器人救援路径规划存在路径不安全、效率低等问题,结合栅格地图及救援机器人可沿任意方向移动的特点,多方面对传统A^(*)算法进行改进。【方法】首先,引入了机器人尺寸叠加到障碍物的概念,以确保路径的安全性。其次,通过优化启发函数,降低偏离最佳路径节点的扩展数量,减少冗余节点与路径转折,降低了计算复杂度。最后,采用动态调整算法将路径转折角圆弧化,对所得路径平滑处理,提高了路径的可操作性。最终获得路径代价更小、耗时更短、转弯次数更少的优化路径。基于改进的A^(*)算法,利用MATLAB开展了不同尺寸及不同障碍物覆盖率下救援机器人路径规划的仿真模拟试验。【结果】结果表明:相较于传统A^(*)算法,在崎岖环境地图中改进的A^(*)算法使搜索节点降低了26.51%、计算时长减少了80.42%、路径长度缩短了31.85%、转向次数减少了44.44%,提高了路径的搜索效率和平滑程度。【结论】改进的A^(*)算法为复杂工况环境下煤矿机器人的救援工作提供了一定的理论基础。

高岭石表面水化机理及电场弱化其吸附性能的分子模拟

高岭石是泥岩黏土矿物组成中的主要成分之一,其水理特性对分析高岭石类黏土矿物遇水工程性质劣化的研究至关重要,通过密度泛函理论和分子动力学模拟研究了高岭石表面水化机理及电化学作用对高岭石表面吸附性能的影响。结果表明:水分子在高岭石(001)晶面吸附时水中的Hw、Ow原子与高岭石表面羟基的Hs、Os原子间形成了Hw-Os及Hs-Ow两种类型的氢键,并且Hw-Os氢键作用较强;水分子与高岭石(001)晶面之间形成的氢键作用导致高岭石(001)晶面具有较强的亲水性质;外加电场对体系中水分子的平衡构象及吸附形态产生显著影响,当体系无电场时,水分子通过氢键与高岭石(001)晶面结合紧密,随着电场强度不断增加,水分子逐渐从高岭石表面脱附,以氢原子朝上、氧原子朝下的“V”字型结构向体相中扩散,水分子的偶极矩沿电场方向排列;随着水-高岭石体系中电场强度的增加,吸附体系中的氢键作用逐渐被破坏,水分子脱附能力增强,高岭石表面对水分子的吸附性降低。

砂质泥岩峰后破裂承载特征与块体分布规律研究

岩石峰后阶段的变形承载规律对巷道破碎区围岩的稳定性控制具有重要意义。为研究岩石峰后阶段的破裂演化规律与承载特征,以砂质泥岩为试验对象,开展了控制应变量为峰值应变不同倍数的单轴压缩试验,并应用非线性分形理论阐明了峰后破裂块体的分布规律。基于试验结果,构建了峰后含贯通破裂面岩样的力学分析模型。结果表明:(1)砂质泥岩全应力-应变曲线呈现出单峰状与多峰状两种形态的峰后应力跌落方式;(2)峰后阶段,试样破坏模式由低倍峰值应变下的张性破坏逐渐转变为高倍峰值应变下的剪切滑移破坏;(3)同应变量下试样破裂块体的分形维数内部大于外部,且二者与试样的峰后应变倍数值均具有显著的正相关性;(4)岩石在峰后阶段的持续破坏方式与块体间接触破裂面特性有关,破裂块体仅会在一定的倾角范围内沿破裂面滑动,依据所建立的分析模型可准确解释砂质泥岩峰后阶段破裂承载特性与块体分布规律。

纳米硅溶胶改性水泥基材料性能及机理分析

针对普通水泥基材料存在早期强度低、抗变形能力弱等问题,通过纳米硅溶胶对水泥基材料进行改性,采用电液伺服万能试验机、X射线衍射及扫描电镜等手段对纳米硅溶胶改性不同水灰比水泥基材料的流动性、结石率、单轴抗压强度、弹性模量、水化产物及微观形貌进行研究。结果表明:硅溶胶掺量在0.5%以内、水灰比小于1.0时可显著提高水泥浆液的流动性,最大提高20.24%;结石率随着纳米硅溶胶掺量的增加而增大,且硅溶胶对水灰比大于0.7浆液的结石率提高明显,最大提高24.49%;当硅溶胶掺量为2%时,结石体的抗压强度增幅最大且随着养护龄期的增加,硅溶胶对试样强度的增幅效果逐渐减弱;纳米硅溶胶的掺入促进水泥基早期的水化反应,与水化产物反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)并使微观形貌更加致密,使结石体的早期抗压强度及弹性模量显著提高;纳米硅溶胶通过缩短诱导期以及在颗粒空隙中为C-S-H提供成核位点促进水化反应,提高水泥基材料性能。

电场对高岭石表面重金属离子吸附特征的影响

电动力学修复技术可有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。为阐明电场对高岭石表面重金属离子吸附特征的影响规律,以矿区土壤中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)3种常见重金属元素为研究对象,初步构建三维可视化模型,优化得到稳定的高岭石-溶液-高岭石模拟体系,运用分子动力学模拟方法,探究电场作用下重金属离子在高岭石(001)晶面的吸附方式、原子密度分布、扩散系数及径向分布函数的演化规律。结果表明:电场方向为+Z时,电场促进重金属离子和硅氧烷表面之间的络合作用,重金属离子第1水化壳的配位数随着电场强度增大而减少,外层配合物吸附百分比随着电场强度增大而增大。电场方向为-Z时,外层配合物吸附百分比随着电场强度增大而降低,高岭石表面与重金属离子相互作用减弱,更多的重金属离子游离在溶液中与氯离子配对;电场极化作用下重金属离子第1和2水化壳之间没有明显分界,水化壳之间存在水分子交换;电场作用下重金属离子在高岭石(001)面上的均方位移曲线MSD表现出各向异性,X、Y方向扩散系数大于Z方向,总扩散系数随着电场强度的增大而增大,扩散系数受电场正负方向的影响不明显;Pb(Ⅱ)离子和Cd(Ⅱ)离子在高岭石表面上仅存在外层配合物,Cu(Ⅱ)离子存在内、外层配合物共存的吸附方式;高岭石对3种重金属离子吸附优先顺序为Pb(Ⅱ)>Cu(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)。

循环荷载下粉砂岩孔裂隙扩展及卸载破坏特征

为揭示循环荷载下地下工程围岩体孔裂隙扩展及破坏机制,借助于单轴压缩和CT扫描,开展了粉砂岩的等幅循环、逐级一次循环加卸载试验。研究了循环荷载下粉砂岩应力-应变曲线、孔裂隙扩展及破坏阶段裂缝产状、规模等演化规律。结果表明:2种循环荷载作用下,粉砂岩孔隙率均呈先减小后增加的总趋势,且致裂循环的孔隙率均发生突变,具有瞬时破裂特征;等幅循环加卸载下,岩石破坏发生在第25次循环加载段,主要依据应变差、累积应变差及其一阶导数将岩样破坏段裂缝扩展细分为裂缝萌生、裂缝扩展和加速破坏等3个阶段;逐级一次循环加卸载下,岩石破坏发生在第4次循环卸载强度低于峰值载荷1.04 MPa时,呈现出小幅振荡破坏特征,主要依据单峰波动应力振幅、频率、应变差、累积应变差及其一阶导数将岩样破坏段裂缝扩展细分为裂缝萌生、裂缝快速扩展、裂缝扩展亚稳态、裂缝再生和加速破坏等5个阶段。按应力-应变曲线形态,小幅振荡破坏可细分为往复式、滞回环式波动,应力振幅、波动频率特征分析可见清晰的应力调整过程。岩样原始孔裂隙分布状态对其致裂部位及破坏形式起主控作用。2种循环荷载作用下,岩样破裂均以剪切破裂为主,并次生了张性破裂。卸载段回弹和扩容效应是出现小幅振荡破坏的主要原因。

煤岩体剪切破裂“缓释”构造及其演进特征

含煤建造的成层及层理特性使得围岩更多地体现为剪切灾变。为进一步探究循环荷载条件下煤岩体的剪切破坏行为,采用等幅循环与逐级一次循环加卸载方式,并联合CT扫描开展了砂质泥岩的单轴压缩试验。通过岩样破裂形态及全过程应力–应变曲线,分析了岩样剪切破坏显现的“多米诺骨牌”构造及其演进特征。结果表明:单轴等幅、逐级一次循环加卸载下,岩样均发生剪切破坏,且逐级一次加卸载循环下岩样破坏形成的剪切破碎带包括若干呈“多米诺骨牌”构造的应变局部化带,破坏过程对应的应力–应变曲线呈特殊的滞回–往复–滞回–往复状振荡波动;应变局部化带呈现成核、启裂、外扩、衰损、传导的演化过程;具有“多米诺骨牌”构造的碎裂块体发生旋转–回旋运动,使峰后输入能量及弹性储能在块体相互摩擦中多级耗散,延长了破坏时长,具有显著的“缓释”效应。剪切破裂形态演化与应力–应变隐蔽信息相互协同,共同将剪切破坏过程划分为6个破坏阶段,分别为:裂缝启裂微扩展(Ⅰ)、裂缝初始扩展(Ⅱ)、主剪切裂缝扩展(Ⅲ)、裂缝扩展亚稳态(Ⅳ)、裂缝快速扩展(Ⅴ)和加速破坏(Ⅵ)。“多米诺骨牌”构造是剪切破坏的一种特有形式,其所起到的能量“缓释”效应可能是煤矿巷道利用围岩自身结构进行卸压护巷的一个新思路。