矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏尺寸效应研究 被引量：21

1

作者 郭育霞 赵永辉 +2 位作者 冯国瑞 冉洪宇 张玉江 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期2434-2444,共11页

为了研究尺寸对矸石胶结充填体损伤破坏的影响,制备尺寸为70.7,100,150,200和300 mm的立方体试件进行单轴压缩试验,监测试件在受载过程中的声发射及电阻率变化,并采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,探讨不同尺寸矸石胶结充填体的损伤演... 为了研究尺寸对矸石胶结充填体损伤破坏的影响,制备尺寸为70.7,100,150,200和300 mm的立方体试件进行单轴压缩试验,监测试件在受载过程中的声发射及电阻率变化,并采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,探讨不同尺寸矸石胶结充填体的损伤演化规律及破坏特征。结果表明:矸石胶结充填体的单轴抗压强度随尺寸的增大而减小,充填体的破坏形式随尺寸的增大从劈裂破坏逐渐转化为剪切破坏。尺寸较小的充填体在初始压密阶段比峰后破坏阶段呈现出更强的声发射活动特征,可以将声发射振铃的突变及电阻率的稳定阶段作为判定充填体破坏的前兆。根据试验结果建立矸石胶结充填体抗压强度的尺寸效应律计算公式及不同尺寸矸石胶结充填体的损伤模型及本构方程,可以为结构充填中充填体的设计提供参考。 展开更多

关键词 采矿工程 矸石胶结充填体 尺寸效应 损伤破坏 声发射 电阻率 微观形貌 损伤模型

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单轴压缩下不同高宽比矸石胶结充填体损伤演化及破坏特征研究 被引量：12

2

作者 赵永辉 冉洪宇 +2 位作者 冯国瑞 郭育霞 樊一江 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第4期674-682,共9页

为了研究高宽比对矸石胶结充填体抗压强度的影响,制备了高宽比分别为0.5、1、2、3和4的5组棱柱体试件进行单轴压缩试验,同时对加载过程中试件的声发射及电阻率进行了监测,探讨了不同高宽比充填体的损伤演化规律及破坏特征。研究表明:矸... 为了研究高宽比对矸石胶结充填体抗压强度的影响,制备了高宽比分别为0.5、1、2、3和4的5组棱柱体试件进行单轴压缩试验,同时对加载过程中试件的声发射及电阻率进行了监测,探讨了不同高宽比充填体的损伤演化规律及破坏特征。研究表明:矸石胶结充填体的峰值应力及峰值应变均随着高宽比的增大而减小,并用指数型函数拟合了两者同充填体高宽比的关系;高宽比越小的充填体表现出更强的延性特征;随着高宽比的增大,破坏形式由劈裂破坏逐渐转化为剪切破坏;不同高宽比充填体在初始压密阶段和峰后破坏阶段的声发射振铃特征不同,在峰后破坏阶段的电阻率有差异;建立了不同高宽比充填体的损伤模型及本构方程,可以为结构充填中充填体的设计提供参考。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 高宽比 声发射 电阻率 损伤模型

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早期受载对矸石胶结充填体力学特性及损伤破坏的影响 被引量：12

3

作者 冯国瑞 解文硕 +3 位作者 郭育霞 郭军 冉洪宇 赵永辉 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期775-784,共10页

为研究早期受载对矸石胶结充填体后期力学特性的影响,将养护7 d的试样进行4种应力水平加载,并持载28 d后,卸载进行单轴压缩试验,监测持载过程中充填体中超声波波速变化及单轴压缩过程中声发射响应特征,采用扫描电镜观测试样微观形貌。... 为研究早期受载对矸石胶结充填体后期力学特性的影响,将养护7 d的试样进行4种应力水平加载,并持载28 d后,卸载进行单轴压缩试验,监测持载过程中充填体中超声波波速变化及单轴压缩过程中声发射响应特征,采用扫描电镜观测试样微观形貌。结果表明:早期受载对充填体力学特性影响显著,当早期承受应力水平小于80%时,荷载对矸石胶结充填体抗压强度和弹性模量均具有明显的强化效应,随着早期应力水平的增大,横向应变及泊松比整体呈指数型增长趋势,试样破坏形式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。持载过程中超声波波速呈明显的阶段性特征,早期承受高应力水平的充填体在单轴压缩过程中声发射活跃程度下降。早期荷载作用促进水泥水化反应,有助于充填体强度的提高。根据试验结果建立早期受载矸石胶结充填体在单轴压缩过程中的损伤演化模型,可以为充填体在结构充填中的设计提供依据。 展开更多

关键词 采矿工程 矸石胶结充填体 早期受载 力学特性 破坏特征 超声波 声发射 微观机制

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酸性环境中矸石胶结充填体强度及徐变特征 被引量：8

4

作者 郭育霞 冉洪宇 +2 位作者 冯国瑞 王鹏 王泽华 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第2期361-369,共9页

为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征,采用实验室加速腐蚀方法,测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律,建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型,通过SEM和... 为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征,采用实验室加速腐蚀方法,测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律,建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型,通过SEM和XRD分析腐蚀后充填体微观结构及化学成分。研究表明:随腐蚀龄期的增加,试件抗压强度和波速先增加后减小,质量先减小后增加再减小,90 d后强度损伤度逐渐增大;pH值越小、充填材料质量分数越小,试件各宏观性能随龄期增长所受影响越大;充填体徐变应变随时间增长而增加,随pH值、质量分数的降低而增加;腐蚀前期,硅酸钙凝胶和钙矾石填充内部孔隙,试件承载能力增加;腐蚀后期,钙矾石分解生成二水石膏后吸水膨胀,破坏材料内部晶体结构,试件承载能力降低。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 酸性矿井水 强度 徐变 微观结构

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水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

5

作者 李晓磊 杜献杰 +4 位作者 冯国瑞 巨峰 王建伟 刘文昊 郑远翔 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期36-45,共10页

在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试... 在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77~30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0~50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%~80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为20.8~30.04 MPa,5.63~12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆–延性破坏(0~40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%~90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为24.64~30.04 MPa和1.77~20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43~55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。 展开更多

关键词 粉煤灰占比 矸石胶结充填体 单轴压缩试验 承载特征 强度调控 强度形成机制

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酸性矿井水环境中矸石胶结充填体的强度演化及劣化规律

6

作者 赵永辉 郭育霞 冯国瑞 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第5期1560-1573,共14页

矸石胶结充填开采是一种重要的充填开采方法,然而,酸性矿井水会严重影响矸石胶结充填体的强度。在本研究中,将矸石胶结充填体试件分别置于不同环境(空气、水、硫酸溶液、硫酸与荷载耦合)中,测试了不同龄期试件的抗压强度、电阻率及超声... 矸石胶结充填开采是一种重要的充填开采方法,然而,酸性矿井水会严重影响矸石胶结充填体的强度。在本研究中,将矸石胶结充填体试件分别置于不同环境(空气、水、硫酸溶液、硫酸与荷载耦合)中,测试了不同龄期试件的抗压强度、电阻率及超声波波速,监测了加载过程中试件的声发射能量数值,同时结合扫描电镜和X衍射分析不同龄期充填体的微观结构。结果表明,1)空气中与水中养护的充填体抗压强度的增长趋势随龄期的增加而逐渐减缓。硫酸溶液中的充填体强度在前90天大于空气及水中养护的充填体强度。硫酸溶液与荷载耦合作用下充填体的强度随龄期的下降速率比单一硫酸溶液作用的较为缓慢;2)不同龄期矸石胶结充填体电阻率与超声波波速与强度有较好的对应关系。受侵蚀后矸石胶结充填体的破坏形式较为多样,且在加载不同阶段表现出不同的声发射能量特征,可以将声发射能量激增作为充填体的破坏前兆;3)侵蚀产物前期填充充填体内部孔隙,提高了其强度,后期会导致充填体膨胀开裂,强度降低。施加40%应力强度比的荷载会抵抗硫酸溶液的侵蚀。本文研究结果可以为充填体的耐侵蚀设计提供参考。 展开更多

关键词 酸性矿井水 矸石胶结充填体 劣化规律 电阻率 超声波波速 声发射能量 微观结构

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单轴压缩条件下界面倾角对岩充复合体声发射特征影响分析

7

作者 刘亚东 《中文科技期刊数据库（全文版）自然科学》 2024年第1期0017-0021,共5页

矸石胶结充填是煤矿生产中重要的绿色开采技术之一,胶结充填体与采场围岩的耦合变形破坏特征严重影响着覆岩控制效果。通过室内单轴压缩和声发射试验,研究界面倾角对岩充复合体的振铃计数、累计振铃计数和b值等声发射特征参数的影响规律... 矸石胶结充填是煤矿生产中重要的绿色开采技术之一,胶结充填体与采场围岩的耦合变形破坏特征严重影响着覆岩控制效果。通过室内单轴压缩和声发射试验,研究界面倾角对岩充复合体的振铃计数、累计振铃计数和b值等声发射特征参数的影响规律,进一步分析不同界面倾角下岩充复合体的破裂规律。结果表明:界面倾角为13°和20°时,压密阶段初期累计振铃计数增长速率相对较大;随着界面倾角增大,累计振铃计数程先降低后升高,断裂损伤事件数先减少后增多;界面倾角为13°、20°、33°和40°时, b值呈现先升高再减小的波动变化规律;随界面倾角增大,单轴压缩试验全过程中复合体的b值先增大后减小;界面倾角为60°时,复合体在无侧限压缩下发生滑动破坏。相关研究成果为岩充复合结构破裂失稳辨识和充填体优化设计提供一定的理论支撑。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 单轴压缩 声发射特征 破裂损伤

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充填体破坏特征的聚类分析及数值模拟

8

作者 陈兵 刘忠平 +2 位作者 高亮 张哲鹏 翟迪 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第4期117-126,共10页

充填体破坏是影响矿山安全稳定的重要因素之一。为研究充填体的破坏特征,采用室内实验、机器学习层次聚类分析及数值模拟等方法,对矸石胶结充填体(GCPB)裂纹演化的全状态进行了研究。结果表明:当GCPB试样PC-5、PC-10、PC-15、PC-20的特... 充填体破坏是影响矿山安全稳定的重要因素之一。为研究充填体的破坏特征,采用室内实验、机器学习层次聚类分析及数值模拟等方法,对矸石胶结充填体(GCPB)裂纹演化的全状态进行了研究。结果表明:当GCPB试样PC-5、PC-10、PC-15、PC-20的特征键平均键长能量分别大于35、50、60、150 ms·mV时,出现宏观主裂纹面,且主裂纹破坏面随水泥掺量的增加由张拉破坏面向剪切破坏面转变;破坏过程中特征键子集尺度Ω与损伤变量D之间呈负线性相关关系,Ω可表征充填体损伤演化程度;在应力达到峰值应力和破坏后残余强度前键长值特征空间相关长度ξ表现为明显增长,为充填体宏观损伤的开始及第1次破坏结束的前兆特征;通过颗粒流程序(PFC)数值模拟,可以有效观测到裂纹的类型和变化规律,数值模拟结果与聚类分析结果一致。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 破坏特征 聚类分析 声发射 单键群方法 损伤变量 空间相关长度 数值反分析

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不同加载速率下矸石胶结充填体破坏规律细观研究

9

作者 吴晓宇 周豪 +2 位作者 吴晓伟 朱油雷 许杰 《煤矿安全》 CAS 北大核心 2024年第7期154-160,共7页

基于室内单轴压缩试验,使用颗粒流软件建立了数值模型并标定微观参数,研究了不同加载速率下矸石胶结充填体试样的应力应变曲线规律、微裂纹数量、破坏过程以及微观位移场变化规律。结果表明:随着加载速率的不断增大,试样的峰值强度及弹... 基于室内单轴压缩试验,使用颗粒流软件建立了数值模型并标定微观参数,研究了不同加载速率下矸石胶结充填体试样的应力应变曲线规律、微裂纹数量、破坏过程以及微观位移场变化规律。结果表明:随着加载速率的不断增大,试样的峰值强度及弹性模量均不断增加;试样生成的微裂纹数量与加载速率成正比,微裂纹-应变曲线分为裂纹未萌生、裂纹快速增长、裂纹数量稳定3个阶段;试样的破坏过程分为压缩密实、弹性变形、塑性破坏以及残余变形4个阶段;试样微裂纹两侧颗粒发生不同形式的组合破坏,包括拉伸破坏、剪切破坏以及拉伸和剪切共同作用的混合破坏。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 颗粒流软件 加载速率 破坏规律 围岩稳定

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矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征 被引量：1

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作者 赵兵朝 翟迪 +2 位作者 陈攀 韦启蒙 王瑞峰 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2023年第1期18-27,共10页

为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体(GCPB)在单一荷载作用下的损伤演化规律,通过监测单轴压缩(UCS)过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜(SEM)观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌,研究了... 为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体(GCPB)在单一荷载作用下的损伤演化规律,通过监测单轴压缩(UCS)过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜(SEM)观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌,研究了损伤裂纹由微观到宏观的能量演化规律及裂纹扩展机制。结果表明:胶结充填体强度随PC掺量的增大而增大,完整试样的波速均大于破坏后的波速;压密阶段的声发射事件率可作为判定充填体密实胶结的依据,建立了基于声发射事件数的损伤变量D和基于事件点的空间单键群架构,损伤变量D和单键群架构子集尺度Ω呈现明显的负相关;通过对比分析,主裂纹损伤阈值能量随PC掺量的增大而增大,分别为35,50,60,150 ms·mV,GCPB试件由脆性破坏向延性破坏转变;GCPB裂纹演化主要由3种不同的裂纹形核引起。以上可为充填体在矿井充填设计中提供依据。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 单轴压缩 声发射 损伤变量 单键群方法

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不同尺寸矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏研究 被引量：4

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作者 解文硕 赵永辉 +1 位作者 郭育霞 冉洪宇 《矿业研究与开发》 CAS 北大核心 2022年第3期34-39,共6页

为研究不同尺寸矸石胶结充填体在受压过程中的损伤破坏特征,分别制备了边长为50 mm、70 mm、100 mm和150 mm的立方体试件,并对试件进行单轴压缩试验,监测加载过程中试件的声发射能量变化;采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,分析矸石胶... 为研究不同尺寸矸石胶结充填体在受压过程中的损伤破坏特征,分别制备了边长为50 mm、70 mm、100 mm和150 mm的立方体试件,并对试件进行单轴压缩试验,监测加载过程中试件的声发射能量变化;采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,分析矸石胶结充填体的损伤演化规律。结果表明:随着试件尺寸的增大,其抗压强度呈现出先增大后减小的规律,边长为100 mm的试件抗压强度最大;试件的破坏形式随尺寸的增大由劈裂破坏逐渐变为X状共轭剪切破坏;单轴压缩过程中试件的声发射能量变化可以分为4个阶段,与应力应变曲线有较好的对应关系,在峰值应变附近试件的声发射能量会发生激增,可以作为试件破坏的预兆,在峰后破坏阶段,不同尺寸试件的声发射能量变化较大。 展开更多

关键词 矸石胶结充填体 试件尺寸 破坏形式 声发射能量 微观形貌

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煤矸石胶结充填体强度与细观结构的高温损伤效应

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作者 杨琼 马帅帅 +1 位作者 梁艳 吴凯 《矿业研究与开发》 CAS 北大核心 2023年第6期39-44,共6页

为了探究深部高温环境下胶结充填体的损伤规律,对煤矸石胶结充填体进行不同温度的高温加热处理,然后开展单轴压缩试验、计算机层析(CT)扫描试验和扫描电镜图像分析。试验结果表明,试件的抗压强度和弹性模量随温度升高而逐渐降低,且衰减... 为了探究深部高温环境下胶结充填体的损伤规律,对煤矸石胶结充填体进行不同温度的高温加热处理,然后开展单轴压缩试验、计算机层析(CT)扫描试验和扫描电镜图像分析。试验结果表明,试件的抗压强度和弹性模量随温度升高而逐渐降低,且衰减速度在0~300℃范围内较快,随后逐渐变缓;二维CT图像表明,高温冲击作用使试件内部的裂隙数量和尺寸快速增加;由CT图像计算的试件孔隙率与环境温度呈正相关的指数型关系;在高温作用下,胶结充填体的内部孔隙、裂隙扩张与煤矸石颗粒接触关系均发生显著改变,这是导致试件强度衰减的根本机理。 展开更多

关键词 煤矸石胶结充填体 高温环境 细观结构 力学特性 机理分析

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