不同加载速率下全尾砂固结体抗拉力学特性研究

利用全尾砂对矿山地表塌陷坑进行固结回填是解决尾矿堆存与地表塌陷两大矿山灾害行之有效的方法之一,如何保证回采过程中塌陷坑全尾砂固结体的稳定性至关重要。塌陷坑全尾砂固结体在回采过程中主要受到拉破坏,且与回采速率直接相关。基于此,本文选取程潮铁矿尾矿库尾砂,制作了不同配比(1∶4、1∶6、1∶8)和不同浓度(68%、72%、76%)的全尾砂固结体试样,开展了5种不同加载速率(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 k N/s)下的全尾砂固结体抗拉力学试验研究,探讨了不同加载速率下全尾砂固结体抗拉力学特性,揭示加载速率对全尾砂固结体抗拉破坏的影响机理。研究结果表明:固结体抗拉强度存在明显的加载速率效应,低浓度低配比的固结体抗拉强度受加载速率影响较大;固结体抗拉强度存在双临界加载速率现象,第一临界加载速率为0.05 k N/s,第二临界加载速率为0.1k N/s;低于第一临界加载速率时,加载速率对固结体原始孔隙存在压密效应,随着加载速率变大压密效应逐渐减弱,到第一临界加载速率时,压密效应消失,固结体抗拉强度最低,宏观裂纹最多,破坏最明显,最终耗弹比最大;高于第一临界加载速率时,加载速率对固结体孔隙发育存在抑制效应,随着加载速率变大抑制效应先增大后趋于稳定,达到第二临界加载速率时,固结体抗拉强度最大,宏观裂纹最少,峰值耗弹比最小。

击实对全尾砂固结体强度及渗透性影响

为了解决全尾砂固结体地面排放时堆排体稳定性的问题,提出通过击实来增大全尾砂固结体的稳定性。通过室内击实试验、无侧限抗压强度试验、常水头渗透试验和扫描电镜试验,研究了击实对全尾砂固结体无侧限抗压强度和渗透系数的影响以及微观层面上击实对固结体内部结构变化的影响。得到了不同击实功下的全尾砂固结体的最大干密度和最优含水率,并以此为基础研究了击实功(598.2 kJ/m^(3)、1074.7 kJ/m^(3)、1535.3 kJ/m^(3)和2149.4kJ/m^(3))、干密度、含水率和养护龄期对固结体无侧限抗压强度和渗透系数的影响。结果表明,无侧限抗压强度随击实功、干密度和养护龄期的增加而增大,随含水率的增加而减小;渗透系数随击实功、干密度和养护龄期的增加而增大。对固结体进行击实可以减少固结体内部结构的孔隙并提升固结体结构的密实度,从而提高了固结体的强度和抗渗性能。表明在全尾砂固结排放中,可以通过击实的手段提高全尾砂固结体的强度和抗渗性,进而提高全尾砂固结体的稳定性。

干湿循环作用下全尾砂固结体的损伤机理

为探究干湿循环过程对全尾砂固结体力学性质的损伤作用,系统研究了干湿循环作用对全尾砂固结体单轴抗压强度的劣化规律,并结合压汞仪、扫描电镜和热重分析装置等测试仪器分析了干湿循环作用对全尾砂固结体的损伤机理。结果表明:养护3 d的全尾砂固结体在干湿循环作用下单轴抗压强度呈先上升后降低趋势,在干湿循环初期,固结体内部生成更多的水化产物,孔隙减少,整体结构更加致密;随干湿循环的继续进行,固结体逐渐破坏。养护28 d的固结体强度随干湿循环次数的增加逐渐降低,水泥含量越高,固结体强度的降幅越低;未经干湿循环的试件内部孔隙少,水化产物层状叠加;在干湿循环作用下,水化产物之间的连接逐渐破坏,孔隙率由35.75%增加至39.08%,且大孔占比大幅度上升。干湿循环作用引起的颗粒胀缩和水侵蚀导致固结体内部出现更多孔隙,部分孔隙联通形成大孔,水化产物减少,从而使固结体内部结构变得松散破碎,这是导致固结体损伤的主要原因。

冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究

尾砂固结排放能有效解决尾砂的处置问题,然而固结后的尾砂堆体多处于地表,其性能受自然环境影响较大.我国北方地区存在广泛的冻融循环现象,冻融作用会影响固结体的强度和声电特性,为探究冻融循环条件下全尾砂固结体损伤状态和机制,以李楼铁矿全尾砂固结体为研究对象,对经历不同冻融循环次数的全尾砂固结体试样进行无侧限抗压强度试验、扫描电镜(SEM)试验、电阻率试验和超声波波速试验,借助Matlab软件二值化数字图像处理技术对试样的表面裂隙进行定量分析,并利用电阻率和超声波检测技术对固结体试样冻融循环损伤进行联合检测.结果表明:随冻融循环次数的增加,固结体的无侧限抗压强度呈指数型减小趋势,冻融循环早期(0~5次)固结体的强度减少量最多;冻融循环对固结体的损伤是逐渐累积的过程,全尾砂固结体表观劣化特征发展过程为:微裂隙萌生→裂隙延伸发展→外表层破坏→内部结构破坏;固结体初始强度越大,表面裂纹数越少;内部微观结构由密实状态向疏松状态转变;固结体无侧限抗压强度与电阻率、超声波纵波波速呈正相关,遵循对数函数关系,建立了强度-电阻率和强度-超声波波速无损检测模型;电阻率和超声波波速能准确全面地评价冻融循环条件下全尾砂固结体的损伤状态.

冻融循环对全尾砂固结体超声波特性的影响研究

在不同养护龄期(3,7,28d)和冻融循环次数(0,5,10,15,20次)条件下,对不同灰砂比(1∶4,1∶8,1∶10)的全尾砂固结体进行了超声波特性测试,对不同影响因素下超声波特性的变化规律以及冻融循环次数和超声波速度之间的关联性进行了研究。研究结果表明:冻融循环过程中,波速和波形有明显的变化规律,振幅特征较为杂乱;灰砂比、冻融循环次数相同时,养护龄期越长的固结体超声波波速越大;养护龄期、冻融循环次数相同时,灰砂比越大的固结体超声波波速越大;养护龄期为28d时,未进行冻融循环的固结体在各灰砂比条件下超声波波速相差不大;全尾砂固结体超声波波速与冻融循环次数呈负相关,基本遵循对数函数关系,随着冻融循环次数的增加,超声波波速不断减小,且前5次减小量较大。

冻融循环对全尾砂固结体强度与微观孔结构的影响

通过实验室试验,对冻融循环作用下全尾砂固结体强度与孔结构演化规律进行了研究。以含有自制胶凝材料TC-Ⅰ的全尾砂固结体为试验对象,运用抗折抗压试验机与压汞仪分别对标准养护条件下与冻融20次后的试件进行了力学与压汞试验,并通过理论推导得出损伤量D。研究结果表明:养护3d时的强度低于其冻融20次的强度,7d后的强度有所反超;标准养护条件下的孔隙率、总孔隙量、孔总面积、平均孔径4个全尾砂固结体内部孔结构参数均随养护时间的增长而减小,冻融循环20次后的孔结构参数变化规律与之相反,且其推导出的损伤量D与强度关系为:D=-0.184σ+0.5479;从强度与孔结构参数变化规律可以看出,35g/L的防冻剂掺量降低了冻融循环对全尾砂固结体的破坏作用。

浸水条件下全尾砂固结体崩解机制的分析与探讨

针对全尾砂固结体,通过浸水崩解试验研究不同水泥掺量下全尾砂固结体的浸水崩解特性,探讨了全尾砂固结体的崩解机制。结果表明:随着水泥掺量的增加,试件的耐崩解性有显著的提高,水泥掺量大于2%时,固结体遇水不再崩解、泥化。全尾砂固结体浸水后,基质吸力引起水分入渗,使具有联通性的孔隙间气体被排除,气体排出过程中造成联结较弱的骨架破坏;随着尾砂固结体水分入渗,固结体内饱和度增大,基质吸力减小,表面张力减小。表面张力的减小降低了固体颗粒间的联结力,固相骨架便在气体扰动和挤压下发生破坏,引起崩解。

冻融循环对全尾砂固结体电阻率影响研究

冻融循环作用对全尾砂固结体造成一定损伤,电阻率作为固结体的重要物理参数必然发生变化,因此可以用电阻率的变化来衡量固结体的损伤。为研究冻融循环次数和固结体电阻率的定量关系,制作(灰砂比为1∶4,1∶8,1∶10共3种配比;每种配比包含3,7,28d三个养护龄期,)共九组18个试件。每组试件经过0,5,10,15,20次冻融循环后,测定固结体试件电阻率变化情况。建立了固结体电阻率与冻融循环次数的关系;基于三元导电模型建立固结体电阻率模型。研究结果表明:固结体试件电阻率与冻融循环次数呈明显的指数关系,且随着冻融循环次数的增加不断减小,前5次冻融循环过程中电阻率减小量最大,其后逐渐减小。通过电阻率模型,可以计算出经过不同冻融循环次数后固结体的电阻率。研究成果对固结体损伤探测有重要参考价值。