侧限压缩过程中散体矸石变形及破碎特征研究

散体矸石宏观变形的主要来源是侧限加载过程中对试样初始孔隙的直接压缩,以及压实压密阶段粗矸破碎后对孔隙的再次充填。采用加载设备与声发射装置相结合的试验系统,以加载速率为影响因素,基于理论推导和试验数据分析,对侧限压缩过程中散体矸石的宏观变形、孔隙率和破碎程度等特征进行了系统研究。研究结果表明:直接压缩初始孔隙对宏观变形的影响最为明显;孔隙率随着应变的减小而增大,与应力呈单调递减的反比例型复合函数关系;对散体矸石破碎分形函数进行了重新推导,比较双对数曲线拟合斜率得出,加载速率越大,破碎程度越小;声发射定位数随着试验力的增大而不断增加,随加载速率的增大而减少,试样中部颗粒破碎最为密集;颗粒的破碎程度越大,对孔隙的二次填充率越高,孔隙不容易被进一步压缩,试样抗变形能力增强。

矸石固体充填散体材料注浆扩散试验研究

为得到整体性好、抗压强度高的胶结充填体,对级配矸石散体材料进行注浆扩散研究。基于幂律流体流变方程和渗流运动方程建立了柱形扩散理论公式,并应用COMSOL Multiphysics模拟软件对浆液扩散进行了数值模拟,得到浆液扩散半径与材料孔隙率、水灰比和注浆压力成正相关。通过设计正交试验对级配矸石散体材料进行注浆扩散试验研究。试验结果表明,当压实力为0.8 MPa,矸石粒径级配方案为A1,水灰比为0.5:1时,胶结体3 d强度能达到3.23 MPa,21 d能达到6.28 MPa,21 d胶结体平均弹性模量为19425.4 MPa,胶结体抗压强度在养护前期增长明显,充填体整体性和力学性能得到很大改善。通过数值模拟及注浆扩散试验验证了注浆扩散规律,研究结果可为优化矸石散体材料注浆参数设计提供参考。

浸水高度对破碎矸石充填材料承载力学行为影响研究

散体矸石作为充填材料被充填到煤矿采空区后,一定高度的散体矸石会由于矿井水的浸泡作用成为饱和矸石,导致其力学特性发生显著变化。通过设计侧限压缩试验来研究浸水高度对破碎矸石充填材料承载力学行为影响。研究结果表明:散体矸石试样被压缩至应力16 MPa后,随着试样中饱和矸石高度的增加其破碎率和最大应变也逐渐增加,并且最大应变与破碎率之间呈现出很强的线性相关性;固体充填采煤中充入采空区的散体矸石充填材料被矿井水浸泡后其抗变形能力会显著降低,且被浸泡的散体矸石充填材料的高度越大其整体抗变形能力越低,对充填质量的影响程度也越大。

矸石山稳定性非线性极限分析上限法

总结了矸石山几种失稳模式,在分析矸石散体剪切强度非线性机理的基础上,依据塑性极限分析原理,考虑矸石散体抗剪强度的非线性,利用极限分析上限定理针对矸石山内部滑坡进行稳定分析.结果表明,在中低围压下,采用线性强度准则低估了矸石山的稳定性;考虑矸石散体强度非线性可体现随高度增加矸石山稳定性降低的实际状态;当矸石散体黏聚力为零时,由非线性准则可得到合理的临界滑裂面.

限定顶板条件下矸石充填体横向推实特性试验研究

基于相似模拟原理,自主设计了一套模拟试验台,通过对充填矸石散体横向推压,利用推压安息角和体积变化率这2个变形参数,分析研究了放料步距、横向推力、含水量和黄土掺量对充填矸石散体在限定顶板下推实特性的影响规律。试验结果表明,放料步距的增大不利于矸石散体推压后的固结成型;横向推力增大,有助于矸石散体的固结成型,横向推力1.25 k N是推压安息角增大和体积变化率曲线斜率变缓的拐点;含水量对矸石散体推实特性影响较为显著,在横向推力5.0 kN和7.5kN条件下,当含水量达到3%,矸石散体开始固结成型。黄土掺量对矸石散体的推实特性影响最显著,黄土掺量超过4%后,对矸石散体推实特性影响相对减弱。

不同级配矸石压实特性数值模拟研究

为研究矸石散体在夯实机构推压过程中的压实特性,建立了矸石颗粒形状模型,通过测量矸石自然安息角的方式获得了矸石的接触参数,并采用离散元法和实验室模拟试验结合的方法,开展了粒径级配对矸石压实特性影响规律的研究。研究结果表明:泰波系数n取0.4时的连续级配为最优矸石粒径级配,压缩率最低;压实力为3 MPa时矸石散体的密实度明显增大,为最优的压实力;EDEM软件适用于某矿快速、有效地寻找矸石充填的最佳粒径级配,为现场矸石充填应用提供参考。

侧限压缩条件下矸石变形破碎规律及声发射特征研究

通过侧限压缩试验与声发射试验,对相同级配的泥岩、灰岩及砂岩3种岩性散体矸石在侧限压缩条件下的变形特征、破碎特征及不同压缩阶段的声发射特征进行了研究。结果表明:在加载初期,散体矸石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,并且在此阶段,不同岩性矸石在相同时间内的应变相同;根据岩石的应变特征及弹性模量变化特征将岩石的压缩变形过程划分为压缩阶段、强化阶段及稳定阶段,在应力水平足够大的情况下,较为软弱的散体矸石反而拥有更大的弹性模量;在不同阶段散体矸石的累计计数曲线及累计能量曲线均表现出不同的变化特征,在稳定阶段,砂岩的累计计数曲线表现为直线上升,砂岩的累计能量曲线及其余2种岩性的累计能量曲线及累计计数曲线均表现平稳缓慢增长,并逐渐趋于水平;压缩后,散体矸石的级配曲线表现出阶段性变化特征,并且强度越大的矸石,其大颗粒破碎越不充分。