矿岩-充填体的冲击力学特性及损伤规律研究

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近年来,伴随着矿山开采深度的逐年增加,充填采矿法,因其具有安全高效、绿色环保等优点获得了国内外大型地下矿山的广泛应用。在对矿体进行两步骤回采时,通常采用钻爆法施工,在爆破落矿过程中,临近矿岩矿柱的充填体常受到爆炸冲击荷载的扰动。在多次爆破开挖扰动下,充填体结构易出现片落,垮塌等现象,导致其强度及稳定性降低,从而影响矿柱安全高效的回采。因此,针对矿岩与充填体耦合条件下相互作用机理及变形演化规律的研究成为了矿柱回采的关键问题。为研究冲击荷载条件下矿岩与充填体组合介质的动力学问题,本文利用Φ50mm分离式霍普金森实验装置(简称SHPB)分别对充填体、矿岩以及对矿岩-充填体组合试件开展了单轴冲击试验,同时对矿岩-充填体组合试件进行了循环冲击试验,基于实测数据,分别对冲击荷载下的单种介质(矿岩、充填体)和组合介质的波动特性、力学特性及破坏模式展开了具体分析,得出以下结论:(1)开展充填体的SHPB冲击试验,分析SHPB电压波形曲线发现,入射波主要受冲击速率的影响较大,透射波与反射波不仅受冲击速率的影响,同时还与充填体的配比有关;比较不同配比充填体的应力-应变曲线发现,随着配比的增加,充填体力学特性表现出由脆性向塑性转变,其中峰值应力与峰值应变均随着应变率的增加不断增大,但两者的变化趋势存在着一定的差异,峰值应力与应变率之间存在着较好的线性增长关系,而峰值应变与应变率之间呈出指数函数的关系。比较充填体在不同应变率条件下的破坏形态可知,其破坏形态以拉伸破坏与剪切破坏共同作用,受应变率和配比两者相互影响。(2)开展矿岩SHPB冲击试验,分析了矿岩单种介质的动力特性及破坏规律,其峰值应力与应变率呈线性增长关系,而峰值应变与应变率呈指数函数关系,应变率由30.7s-1增加至106.3s-1时,峰值应力由65MPa增加至102MPa,峰值应变由0.011增加至0.023。矿岩破坏模式与应变率密切相关,随着应变率的增加,矿岩破坏碎块由粗粒端朝着细小端的方向发展。(3)开展矿岩-充填体组合试件SHPB冲击试验,探究了组合介质的动力特性及破坏模式,分析了破碎块度质量随入射能的变化规律,同时揭示了能量与破碎能比耗之间的关系。通过分析发现,组合试件具有较强的率相关性,在一定范围内,其动态抗压强度与应变率呈现正相关关系,同时其破坏模式也受应变率的影响,当应变率较小的情况下,组合试件中充填体部分在端部的边缘部分出现零星的碎屑,随着应变率的增加,充填体部分破碎程度加剧。随着入射能与耗散能的增加,组合试件中充填体部分的破碎块度也在不断增多,其中破碎质量随着入射能呈线性增长,入射能与碎块能耗比之间存在较好的指数关系。(4)开展矿岩-充填体组合试件SHPB循环冲击试验,分别从波动特性,力学特性,能量比率以及损伤积累等四个方面展开分析。发现,随着冲击次数的增加,反射系数逐渐升高,透射系数逐渐降低,相同冲击荷载条件下,1:4的组合试件相比于1:6的组合试件,其透射系数较大,反射系数较小。对于循环冲击荷载下的组合试件而言,配比,冲击气压以及冲击次数均是影响其力学特性的重要因素。在等荷载循环冲击时,能量反射率与冲击次数呈正相关,耗散率与冲击次数呈负相关,在冲击次数相等时,反射率与冲击气压呈正相关,耗散率与冲击气压呈负相关。配比为1:4的组合试件,冲击气压为0.2MPa,经过5次等荷载循环冲击后,其损伤变量(以第二次开始计数),分别为0.07,0.11,0.51,0.56;冲击气压为0.24MPa,经过5次等荷载循环冲击后,其损伤变量,分别为0.17,0.29,0.55,0.66,发现,在较小气压条件下的损伤变量增长速率相比较小。
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