单轴压缩条件下尾砂胶结充填体损伤破坏过程的比能特征研究

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尾砂胶结充填采矿法在我国地下矿山尤其是金属矿山的应用越来越广泛,尾砂胶结充填体的失稳威胁着矿山的安全生产,充填体的损伤破坏过程实质上是充填体在外部荷载作用下与外界进行能量转换的过程。本文以大冶铁矿为工程背景,为系统探究不同灰砂比尾砂胶结充填体单轴压缩条件下损伤破坏过程的能量变化特征,开展灰砂比为1∶2,1∶4,1∶6,1∶8和1∶10的全尾砂胶结充填体单轴压缩及其声发射监测试验,得到不同灰砂比充填体的应力应变曲线及压缩过程中的声发射参数,分析不同灰砂比充填体的力学特性及声发射特征,并采用声发射参数定义损伤变量,利用该变量描述充填体的损伤状态,基于应力应变曲线计算不同灰砂比充填体的比能值,分析充填体单轴压缩过程的比能特征及其与损伤变量的关系,为矿山根据能量参数判断充填体损伤状态和选择合理灰砂比充填体提供指导。  (1)通过分析试验结果,充填体单轴抗压强度和弹性模量随灰砂比减小而减小,泊松比随灰砂比减小而增大;充填体在压密阶段和屈服阶段的声发射事件较活跃,在弹性阶段的声发射事件较平静,灰砂比越低的充填体在破坏后阶段的声发射事件越活跃。  (2)充填体单轴压缩条件下的损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤快速发展阶段及损伤破坏阶段,损伤变量在初始损伤阶段及损伤快速发展阶段增长较快,在损伤稳定发展阶段和损伤破坏阶段增长较慢。  (3)充填体总比能和耗散比能随轴向应变增大而增大,弹性比能随轴向应变增大呈先增大后减小的趋势,并在充填体屈服强度处达到最大值,总比能、弹性比能和耗散比能在压密阶段增长较慢,弹性比能在弹性阶段增长较快,在屈服阶段增长较慢,耗散比能在屈服阶段及破坏后阶段增长较快;充填体达到屈服强度时,灰砂比越大的充填体对应的总比能、弹性比能及耗散比能也越大。  (4)总比能与耗散比能随损伤变量增大而增大,弹性比能随损伤变量增大呈先增大后减小的趋势,灰砂比越低的充填体减小速率越小,充填体损伤状态与耗散比能关系较为密切,耗散比能与损伤变量大致呈指数函数关系,耗散比能反映了充填体的损伤状态。
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