单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链演化特征

针对现有放矿研究中未充分考虑粗颗粒影响的问题,基于滚动阻抗模型开展放矿数值试验,对不同粒径和位置单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链宏观分布、数量、平均强度、准直性、长度以及方向等演化特征进行量化研究。研究结果表明:1)针对0.3~0.8 m的三维矿岩细颗粒体系,仅当粗细颗粒粒径比大于6.0且粗颗粒处于矿岩颗粒剪切带区域时,单一粗颗粒的存在才会导致粗颗粒一侧的松动体形态产生明显变异,引起局域细颗粒的提前移动。2)粗颗粒能够产生力链聚集效应,显著提高其四周局域内力链分布密度、力链接触数占比以及力链平均强度,而对力链准直性无显著影响。3)无论是否存在粗颗粒,在各放矿阶段局域内力链概率均随其长度增加而呈负指数函数形式减小;从统计意义的角度而言,力链最大长度均不超过10。4)当粗颗粒及其四周细颗粒未产生松动时,粗颗粒的存在可显著提高局域力链方向各向异性程度;当粗颗粒及其四周细颗粒产生松动后,其局域力链方向各向同性程度不断提高,局域力链方向逐渐向放矿口方向集中。

不同形状矿石单颗粒压缩破碎特性

为了从宏观-细观角度探究不同形状矿石颗粒的破碎强度、破碎模式、碎块尺寸分布及断口表面形貌等破碎特性,首先,基于三维扫描技术重构矿石颗粒图像,获取颗粒形状参数;其次,定量表征矿石颗粒外部宏观层次轮廓形态及细观层次凹凸度;最后,对扫描后的几何平均粒径范围为20~45 mm的不规则磁铁矿矿石颗粒进行单颗粒压缩破碎试验,并重构颗粒断口表面以定量探究断面粗糙度的影响因素。研究结果表明:矿石颗粒的破碎强度分布可用Weibull函数模型拟合,其中Weibull参数m为2.17,特征强度F0为7.20 k N;矿石颗粒破碎模式分为边部磨损、中部破碎、贯通缝破坏、随机开裂4种类型;中部破碎为主要破碎模式,占比为0.433,“第一尺寸碎块”及“第二尺寸碎块”质量分数分布均符合正态分布,均值分别在0.65和0.30左右;但当颗粒3个主维度长度接近时,颗粒不容易发生中部破碎。以分形维数D定量表征颗粒破碎断口表面粗糙度,当截面面积大于36 mm^(2)时,分形维数D更稳定。球度显著影响颗粒破碎断口表面平均分形维数D,扁平度、能量、棱角度及等效粒径4种因素影响程度次之且相近,延伸率的影响不存在统计学差异。

单一粗颗粒影响下的松动体形态演化特征试验研究

在崩落矿岩颗粒流动过程中,粗颗粒的存在会影响散体的运移特性和规律。针对现有放矿研究中未充分考虑粗颗粒影响的问题,基于自主设计的矿岩颗粒体系非接触式放矿监测与分析系统开展一系列放矿试验,对比手动圈绘与Image Pro Plus(简称IPP)软件圈绘这2种方式所得松动体(IMZ)形态及松动体高度与最大半径的关系,从定性和定量两个方面验证IPP圈绘在放矿试验中的可靠性,并探究粗颗粒对松动体形态及其四周细颗粒运移特性的影响。研究结果表明:IPP软件可更高效、便捷地自动圈绘松动体。粗颗粒会对四周局部细颗粒位移产生显著影响,且相较于上方细颗粒,粗颗粒对下方细颗粒的影响更大。当松动体经过粗颗粒时,粗颗粒上方局部区域颗粒位移由幂律分布转变为Logistic分布,粗颗粒下方局域区域颗粒位移由幂律分布转变为波动的无规律分布。单个粗颗粒会对松动体局部形态产生显著影响。当松动体边界经过粗颗粒时,松动体局部形态出现凹陷及不连续弯曲现象。当模型中普通颗粒粒径为3~8 mm时,粗细颗粒粒径比dc/df大于6.0的粗颗粒会引起松动体的形态发生变化。粗颗粒的存在会提高四周细颗粒达到放矿口的速度,其上、下方局部区域分别有17.02%和31.42%的颗粒提前达到放矿口。

不同冷却条件对高温砂岩物理力学性质的影响

岩石工程可能会经受高温环境。岩石高温后冷却方式的不同往往会导致岩石物理力学性质产生重大变化,这对岩石工程的稳定性、渗透性等都会产生重要影响。采用核磁共振(MRI)、电镜扫描(SEM)和单轴压缩试验对100、300、500、600、800℃5种不同温度砂岩经两种不同冷却方式(自然冷却和水中冷却)后的孔隙率、孔径分布、峰值强度、峰值应变、应力-应变关系以及微观结构变化等进行研究。试验结果表明:自然冷却时,高温砂岩强度并非随温度升高而持续降低,而水冷却会导致砂岩强度持续降低,且降低幅度远超自然冷却;500℃可以看作不同冷却方式对砂岩孔隙率影响的临界值,超过500℃,水冷却方式会导致孔隙率急剧增长,大孔径(Ф>10μm)孔隙所占比例也高于自然冷却,因此,高温砂岩工程采用水冷却方式(如隧道着火后用水灭火)要充分考虑由此可能带来渗透危害;SEM测试表明,当温度T>500℃时,水冷却对裂纹的增宽和扩展产生促进作用;当温度达到800℃时,水冷却砂岩孔洞变大,裂隙更加发育,并贯通连成网络,这会导致透水性大幅提高,同时,这也是该温度水冷却导致强度急剧降低的原因之一。

温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响

为研究高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩巴西劈裂特性,分别对经过25、200、400、600、800和1000℃高温处理后的标准砂岩试件进行巴西劈裂室内试验,并基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩巴西劈裂数值模拟,研究砂岩巴西劈裂强度及其劣化规律、孔隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律.研究结果表明:(1)在25~1000℃的温度范围和50~100 mm的直径范围内,温度与尺寸效应对砂岩巴西劈裂强度均有显著影响,且尺寸效应影响程度更大.在加热过程中,由于岩石内部首先发生热膨胀,然后在热应力作用下产生损伤,因此砂岩劈裂强度先有所增大,在400℃之后持续降低,劈裂强度下降约34.66%~35.10%;随着尺寸增大,岩石内部积聚的能量释放产生大量微裂隙,导致砂岩试样劈裂强度降低,下降约55.61%~56.99%.(2)砂岩巴西劈裂强度劣化幅值与其直径之间满足负指数函数关系,可用于预测不同尺寸高温砂岩的巴西劈裂强度.(3)砂岩在巴西劈裂过程中的孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后的荷载差值随温度升高以及尺寸增大而增大;考虑两因素的耦合作用,尺寸效应对荷载差值的影响程度随温度的升高而降低,温度对荷载差值的影响程度随砂岩尺寸的增大而降低.研究成果对火灾后顶板维护,初步预测顶板强度具有一定参考意义,也可为核废料处理、地热资源开发和深井工程等涉及高温和尺寸变化的岩体工程设计提供有益参考.

基于DIC的高温砂岩劈裂力学特性研究

为探讨高温处理后砂岩劈裂条件下力学特性的变化规律,在对400~1000℃热处理后的砂岩进行物理性质测试的基础上,通过数字图像相关技术(digital imagine correlation,DIC)记录和分析了不同温度处理后砂岩在巴西劈裂试验过程中的应变场演化以及裂纹产生、扩展和贯通过程。研究结果表明:随着温度升高,砂岩的质量不断损失,体积不断膨胀,P波波速衰减迅速;温度低于800℃时,热处理砂岩抗拉强度呈下降趋势,但总体下降幅度不大,维持在10%左右;高温对砂岩抗拉强度的影响远超抗压强度,当温度超过800℃时,由于砂岩内部裂隙急剧增加,抗拉强度大幅下降,可将800℃视为砂岩抗拉劣化的温度阈值;随着温度升高,砂岩内部孔隙和裂隙增多,导致巴西圆盘两端与中部的应变差逐渐降低。

高温层理砂岩劈裂力学特性及裂隙演化研究

对25~1 000℃处理后含垂直和水平层理砂岩开展巴西劈裂试验,采用数字图像相关技术(digital imagine correlation,DIC)记录劈裂过程高温层理砂岩水平应变场演化规律,同时通过电镜扫描(scanning electron microscopy,SEM)研究不同温度下砂岩微观结构损伤。研究结果表明:层理砂岩劈裂破坏前应变集中可以分为两种类型:圆盘两端应变集中型(≤400℃)和圆盘中央应变集中型(>400℃)。随着温度升高,垂直和水平层理砂岩的抗拉强度均呈现出先增大后减小的趋势,200℃时达到最大值;600~1 000℃时,层理对砂岩抗拉强度的影响随温度升高逐渐降低,800~1 000℃存在使得温度成为影响抗拉强度主要因素的阈值温度。微观结构损伤分析表明,热处理温度较低时,基质主要表现为裂纹增多、长度延展,但晶体仍相对完整;层理面表现为孔隙数量增多和尺度增大;温度对层理破坏更大。温度较高时,基质和层理破坏程度相近,这也是热处理后,砂岩应变演化和强度变化的主因。