充填体——围岩组合体力学特性及破裂演化特征RFPA^(3D)模拟

为深入分析非线性接触面下接触角对充填体—围岩组合体力学特性及破坏演化特征的影响,借助RFPA^(3D)真实破裂过程分析软件,开展了7个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2种灰砂比(1∶4、1∶8)的单轴压缩组合体数值试验。结果表明:(1)随着接触角增大,组合体模型的峰值应力、峰值应变、弹性模量先减小后增大;随灰砂比增大,各参数均增大;接触角60°时,组合体峰值应力和峰值应变最小;接触角15°时,弹性模量最小;接触角90°时,各参数均最大。(2)张拉应力是造成充填体内部横向裂纹和破碎区的主要原因,剪切应力是造成充填体二次开裂、接触面滑移和围岩破坏的主要原因,组合体破坏为宏观剪切—张拉混合裂纹。(3)接触角0°~30°组合体破坏为张拉破坏,发生在充填体区域;接触角45°~60°组合体破坏为剪切破坏,发生在充填体和接触面区域;接触角75°~90°组合体破坏为剪切—张拉组合破坏,发生在充填体、接触面和围岩区域。

考虑接触面倾角的充填体——围岩组合体能量特征分析

为研究充填体—围岩组合体能量特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概化出接触面非线性特征下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验对包括7个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2种灰砂比(1∶4、1∶8)充填体—围岩组合试块的变形、声发射特征和能量耗散特性进行了系统分析。结果表明:接触面倾角0°、15°和30°时,组合体破坏发生在充填体区域;接触面倾角45°和60°时,组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象;0°~60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯状现象明显。接触面倾角75°和90°组合体破坏发生在充填体、接触面和围岩区域,破坏过程声发射能率表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑。不同接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随接触面倾角增加逐渐减小。峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”变化规律,随接触面倾角变化,峰值个数和出现位置不同。声发射累计能量和能量耗散率曲线斜率变化特征与组合体试块破坏过程中裂隙发育、发展、贯通和失稳信息相关性好,可为组合体破裂预测提供有效前兆信息。

胶结充填体——围岩组合体剪切强度与破坏特征

为研究对充填采场稳定性具有重要意义的采场充填体与围岩组合体的剪切强度与破坏特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概化出胶结充填体—围岩组合体力学模型,提出了基于摩尔应力圆公切线法与摩尔-库伦强度准则确定组合体抗剪强度参数的计算方法。通过不同围压下的组合体ANSYS数值模拟试验,对不同胶结面倾角的充填体—围岩组合体剪切强度与破坏特性进行了研究。结果表明:胶结面倾角为0°~15°时,组合体破坏主要发生在充填体区域,破坏模式为张拉—剪切复合破坏;胶结面倾角为30°~60°时,组合体破坏发生在充填体和接触面区域,破坏模式为剪切破坏,随着围压增加,组合面会发生滑移现象,随着胶结倾角增加,剪切破坏面逐渐与胶结面重合;胶结面倾角为75°~90°时,组合体最终的破坏方式主要为充填体的剪切破坏。研究结果拓展了充填体—围岩组合体剪切强度参数获取方法,揭示了不同接触面倾角充填体—围岩组合体的破坏特征,可为地下充填采场稳定性分析提供理论支持。