连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

矸石集料承载力学特性模拟研究

为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径（0～5,5～10,10～15,15～20,20～25,25～30 mm）、轴向应力（2.5,5.0,7.5,10.0 MPa）、加载速率（0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s）影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC^3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆...     

采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究

为了研究采空区破碎岩石的承压变形及分形特征,利用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统分别对不同岩性、不同轴向应力和不同粒径级配条件下的采空区破碎岩石进行了承压变形试验。试验结果表明:破碎岩石压实后,大粒径岩块质量减少,小粒径岩块的质量增多,处于中间粒径区间的岩块质量变化趋于稳定,岩块整体体积逐渐减小;岩石的强度与岩石压缩后分形维数呈负相关关系,岩石强度越低,抗变形能力越差,压实后分形维数越大;随着轴向应力的增大,大粒径岩块质量减少速度趋于缓慢,分形维数不断增大,分形维数的增长速度逐渐减小,最后趋向于0;破碎岩石试样中的大尺寸岩块含量越多,压实后岩石试样的分形维数增量越大,岩石破碎程度较为剧烈。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征

含水条件下破碎岩体的变形及压实是引发采空区地表沉降的因素之一。为探究浸水时间、级配、轴向压缩位移3种因素对承载破碎岩体粒度分布分形特征及压实特性的影响规律,采用轴向压缩位移控制的方法,进行了小位移情况下5组不同配比破碎煤样的侧限压实试验。结果表明:1)在轴向压缩位移较小的情况下,随着浸水时间的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数呈减小趋势;2)浸水时间与粒径分布分形维数曲线可用指数函数拟合;3)随着配比指数n的增大,粒度分布分形维数逐渐减小;4)随着轴向压缩位移的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数与轴向应力都呈增加趋势,可以分为0~15 mm的缓慢增加阶段和15 mm后的快速增加阶段。基于破碎煤样在不同浸水时间条件下承载能力与粒度分布特征的变化规律,得出其承载能力随浸水时间增加而降低,而粒度分布分形维数呈减小趋势,从而为进一步研究破碎岩体承载条件下的强度、变形及粒度分布特征提供依据。     

矸石充填材料应力应变特征实验研究

为掌握矸石充填材料应力应变特征,选取云冈煤矿3组粒径80 mm以下原生矸石试样,同时设计6组不同粒径级配的矸石试样,加工大直径加载容器,采用TAW-3000型电液伺服控制材料试验系统进行了压缩实验。结果表明:矸石压缩过程可分为应变快速增长、非线性增长和缓慢增长3个阶段;应变主要由矸石块体的移动、破碎而导致块体之间空隙被填充引起,而并非矸石本身变形所致;相同轴向应力下,应变随试样中的小粒径矸石占比增加而减小,随大粒径矸石占比增加逐渐增大;原生组矸石试样应变处于设计级配组的中间范围。实验得到矸石试样应变与小粒径矸石占比的关系式,可为矸石充填开采设计研究提供参考。     

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同,为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征,利用自制破碎岩石压实装置,结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统,对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验,分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明:1)随着轴向应力的增大,破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64,逐渐接近分形破碎极限,其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段;2)分形维数随环境湿度的增加而增大,且在高应力下增幅较大,但增速逐渐减缓;3)蠕变时间从30 min增加到160 min,分形维数仅增加了0.06,说明时间效应对分形维数影响较小;4)相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长,与分形维数之间具有线性关系。可见,随着环境湿度的增长,破碎煤岩的承载能力有所下降,该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

饱和破碎砂岩压实过程中粒度分布及能量耗散

分别对不同级配(Talbot指数为0.2,0.4,0.6和0.8)侧向受限饱和破碎砂岩进行压缩,利用显微CT观察了试样内部孔隙结构的变化规律;基于分形理论,定量研究了粒度分布特征;通过计算应变能密度,分析了能量耗散特征。结果表明,在16 MPa轴向应力下,轴向应变为0.304 5~0.324 1;在压实初期,试样结构松散,颗粒间接触不稳定,孔隙尺寸较大且联通性好;而在压实后期,试样密实,孔隙形状多为稳定的三角形。粒度分布具有分形特征,分形维数范围为1.733 1~2.561 0。当轴向应力为0~4 MPa时,颗粒破碎发生急剧,分形维数快速增大;而在4 MPa后,颗粒破碎发生较少,分形维数缓慢增大。变形引起的能量耗散随着轴向应变和分形维数的增大而加速增大,当轴向应变大于0.17或分形维数大于2.1后,应变能密度急剧增大。初始粒径配比对粒度分布和能量耗散均有影响,相同轴向应力下,Talbot指数越大,分形维数越小;相同轴向应变下,Talbot指数越大,应变能密度越小。     

矸石充填材料承载压缩变形时效性试验研究

掌握矸石充填材料承载压缩变形时效性是矸石充填开采顶板变形、岩层移动与地表沉陷预计的重要基础。基于矸石充填材料在采空区的受力状态,分析了矸石充填材料承载压缩变形特征,借助自制的散体充填材料双向加载试验系统,采用分级加载方式测试了矸石充填材料承载压缩特性,得到了矸石充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。研究结果表明:1)矸石充填材料本身的强度越高,其瞬时与蠕变压缩应变越小;2)随着轴向应力增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大;3)随着蠕变时间增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大。     

固体充填开采中的矸石粒径级配优化试验

针对原生矸石级配较差、在固体充填过程中压缩量大、充实率低等问题,采用理论计算、实验室试验和数值模拟等研究方法,对固体充填开采中矸石粒径级配优化进行了研究.通过分析应变随级配系数的变化规律,得到4种变形最小的级配组合.进一步分析压实破碎前后粒径变化规律和变形模量与应力之间的关系,得出级配组合为D=30 mm,n=0.3时...     

废石干式充填压实力学特征及影响因素研究

为改善废石干式充填效果,提高充填强度,采用物理试验和理论计算等方法研究废石干式充填的压实力学特征及其影响因素。结果表明：试样的粒径级配以及级配的连续性对试样的密实度影响较大,连续性级配的密实度较低,试样抗压能力更强。通过极差分析,级配系数n对轴向应变的影响大于最大粒径D;试样轴向应变-应力曲线表明,试样宏观变形的主要来源是对孔隙的直接压缩和填充。变形模量-轴向应力曲线表明,废石试样粒径分布完善,且各范围粒径之间应有一个合理的比例关系,使得试样通过发生较少的轴向应变达到稳定状态。试样分形特征表明,合理的级配系数n以及最大粒径D可以提高废石颗粒的破碎程度,并提高试样的抗压能力。确定了废石最佳粒径级配为n=0.4、D=30 mm。研究结果对废石干式充填具有一定指导意义。     

采空区不同岩性破碎岩石压实变形及声发射特征研究

采空区不同岩性冒落破碎矸石的压实特性及承载力学性质对上覆岩层移动破坏有重要影响。采用侧限压缩试验与声发射测试试验方法,对相同级配的砂岩、砂质泥岩两种单一岩性及砂岩-砂质泥岩组合岩性破碎岩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：在加载前期,破碎岩石的应变随时间的变化曲线存在直线上升段,随时间增加,呈现急剧上升后趋于平缓的特征;不同单一及组合岩性破碎岩石在侧限受压过程中应力与应变均呈非线性关系;根据破碎岩石的应力-应变特征将破碎岩石的压缩变形过程划分为快速压密阶段、缓慢压实阶段及稳定压固阶段。随着轴向压力逐渐增大,破碎岩样的大颗粒骨架破坏、中等颗粒移位滑动、小颗粒填充孔隙;不同岩性的应变与应力呈正相关关系,孔隙率与应力呈负相关关系,组合岩性岩样介于单一岩性岩样之间;不同单一、组合岩性比例与破碎岩样分形维数呈指数函数关系;基于压实变形声发射测试试验结果将破碎岩石压缩过程划分为滑移流动变形阶段、压裂变形填充阶段及压密弹性变形3个阶段;不同阶段破碎岩样的累计计数及累计能量曲线均表现出阶段性的变化特征,随着应力增加,前期声发射累计振铃计数及累计能量表现...     

承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响,基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度,分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验,测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论,建立了承压颗粒煤分形空隙率模型,明确了分形模型的初始参数,并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：(1)在应力作用下,破碎煤体发生压实变形,造成颗粒级配发生变化,进而造成分型维数增大与空隙率发生变化,说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下,采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化;(2)通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化,获得了承压破碎煤体的分形维数,发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎,在应力加载状态下其空隙率逐渐减小;(3)通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系,建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型,理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106,可满足工程需要;(4)分析了该模型的使用条件,在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下,该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。     

长治矿区矸石物理力学特性测试及分析

矸石的岩石物理力学特性在充填开采中至关重要,为研究长治矿区矸石的物理力学特性,将矸石分为7种级配。在特制的矸石压缩桶中,应用MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统对矸石进行压实实验,分别测出矸石的碎涨系数、应力应变关系、压实容重、变形模量和时间应变关系。结果表明,均匀配比试件具有以下特性:碎涨系数最小;相同应力条件下应变最小;相同应力条件下压实容重最大;相同应力条件下变形模量最大;一定应力条件下相同的时间内应变最小。故在选择充填材料配比时,应选择均匀配比。     

破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验研究

为研究破碎矸石变形后的渗流规律,利用渗透仪、液压泵等组成的渗流系统,在DDL600电子万能试验机上采用分级加载方式,对5种不同粒径破碎矸石进行了蠕变过程中的渗流试验,得到了各级应力水平下岩样的渗透参数,及其Kelvin-Volgt蠕变模型中的各特征参数E0,E1,η1,并对其变化规律进行了分析。结果表明:1)不同粒径岩样随着应力水平的变化,其孔隙度大小差异逐渐减小,同一应力水平下,颗粒间的相互调整随时间推移逐渐停止;2)破碎岩样的蠕变参数E0,E1,η1均随应力水平的提高而增大,小粒径矸石的比面较大,在压缩过程中与其他粒径岩样相比其轴向变形小、蠕变参数E0大,大粒径矸石颗粒间的充填效果明显且其变形大,孔隙连通性减弱,渗流时黏滞阻力大;3)随着孔隙度减小,岩样的渗透率与非Darcy流β因子的绝对值两者近似呈反比关系。破碎矸石密实度越大非Darcy流特性越显著,当颗粒细化程度较大时,破碎矸石渗流过程中易发生渗流失稳。     

不同级配矸石侧限压缩过程声发射特征研究

为研究不同级配矸石压缩过程中应变与能量的关系及声发射规律,本文借助MTS815.02岩石力学电液伺服压力机与PCI-2声发射测试分析系统,对6种级配的矸石进行侧限压缩试验,建立矸石应力应变与AE能量、AE事件等声发射参数之间的关系。试验结果表明:1)连续级配矸石的抗变形能力较强,且粒径组成越均匀,承载压缩率越低。2)不同级配的矸石承压破碎后,矸石粒径组成相似,且小粒径矸石占比越高,破碎率越低。3)应变速率较快时,声发射能量较为活跃,大粒径矸石占比越高,声发射累计能量越高,说明声发射累计能量主要由破碎型AE贡献。4)不同级配的矸石在压缩过程中,应变与声发射能量均有较好的对应关系,且在不同阶段内均可拟合为一次函数。     

基于分形理论的磁铁矿石多级破碎演化特征

为研究磁铁矿石多级破碎的演化特征,基于岩石破碎 分形理论,构建了磁铁矿石多级破碎的物理试验模型,采用 落锤冲击试验机开展不规则磁铁矿石多级破碎试验,模拟磁 铁矿石从初始粒度破碎至目标粒度的一般过程,实现了矿石 机械破碎过程的室内试验反演,揭示了碎块粒度与分布特征 逐级演化规律。结果表明:粒度级配曲线、平均粒径、中值粒 径和粒度分形维数可完整描述磁铁矿石多级破碎演化特征; 随着破碎级数的增加,磁铁矿石的粒度级配趋于均匀分布, 级配变化程度逐渐减小;碎块平均粒径与中值粒径降低,但 降低幅度逐渐减小,平均粒径的变化梯度更为显著;磁铁矿 石每级破碎结束的碎块粒度分布具有分形特征,多级破碎过 程具有自相似性,每级破碎结束后碎块粒度分形维数增大, 但增大速率逐渐减小,最终趋于稳定值。研究结果提出了一 种通过落锤冲击多级破碎模拟矿石机械破碎演化过程的方 法,首次从物理试验的角度验证了矿石机械破碎过程符合破 碎分形理论,为磁铁矿石破碎粒度控制与工艺改进提供了理 论依据。     

红砂岩蠕变声发射分形特征

对红砂岩进行了蠕变声发射试验,以固定的时间窗口和固定的滑动步距,计算并分析了蠕变过程声发射幅值分形维数特征,试验结果表明：红砂岩等速蠕变阶段应变速率与蠕变应力呈指数关系。减速与等速蠕变阶段声发射幅值分形维数特征与蠕变应力的大小有关。当加载应力小于岩石长期强度时,由原生微裂纹被压密所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大而减小。当加载应力大于岩石长期强度时,由新生微裂纹萌生、汇集等过程所引起的声发射事件,其幅值分形维数随时间的增大总体呈现增大的趋势。在加速蠕变阶段,声发射幅值分形维数持续减小直至破坏,该特征可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征。研究成果可为探索岩石蠕变破坏方法提供试验基础,具有一定的工程应用价值。