动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性研究

煤炭学报
网络首发时间：2024-03-11 09:52:13

作者

宋学朋樊博文王石张洪伟
单位

中国矿业大学（北京）能源与矿业学院江西理工大学资源与环境工程学院
摘要

爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段，作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动，进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性，关乎矿山安全生产。因此，本文基于分离式霍普金森压杆系统（SHPB）制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体，实现了充填体爆破扰动模拟，探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征，揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制，实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明：1）动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高，与此对应的孔隙率增加34.48%，波速减小44.48%，初始损伤程度加剧；2）随着冲击幅值增加，动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的三阶段变化趋势，最大减小率分别为54.15、69.02%。同时，动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长，峰值应变提高78.35%，充填体由脆延性向延性转变；3）声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关，由于初始损伤程度差异，动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同，体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小；4）声发射ib值呈“波动上升”、“剧烈下降”、“大幅波动”的变化规律。随冲击幅值增加，ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息，动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著，但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。研究结果可为爆破作用下充填体稳定性分析及其多参量预警提供指导。
关键词

动态荷载充填体力学行为损伤失稳前兆信息
文章目录

1. 试验简介
1.1 试验材料及充填体制备
1.2 充填体SHPB动态损伤处理
1.3 细观结构和力学性能测试
2 动载后充填体结构损伤特征
2.1 孔隙率和波速
2.2 动态损伤充填体初始损伤度
3. 动态损伤充填体的力学性能
3.1 单轴抗压强度和弹性模量
3.2 动态损伤充填体宏-细观关联机制
3.3 动态损伤充填体应力应变行为
4. 动态损伤充填体破裂模式
4.1 声发射特征参数演化
4.2 声发射ib值特征及能量演化
4.3 充填体失稳前兆信息识别
4.4 破坏模式
5. 讨论
6. 结论