露天煤矿废石胶结充填体动静态力学特性及破坏机制研究

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以露天煤矿剥离的废石为骨料制备胶结充填材料对端帮边坡压覆的煤炭资源进行充填开采不仅可以有效提高端帮滞留煤的采出率,还可以降低废石剥离物的排放量,减少土地占用和环境污染。进行端帮充填开采后,废石胶结充填体将受到爆破振动等动态荷载和上覆边坡岩层等静态荷载的作用。因此,研究露天煤矿废石胶结充填体的动静态力学特性及破坏机制是确保端帮边坡稳定和煤炭资源绿色安全高效开采的基础。本文利用WDW-300电子万能试验机、DS5-8B型声发射系统以及分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对不同骨料粒径分布的废石胶结充填体分别进行静态和动态单轴压缩试验,对其力学特性及破坏机制进行系统研究,主要成果如下:(1)开展了不同骨料粒径分布下的废石胶结充填体电镜扫描(SEM)试验,结果表明:在骨料粒径Talbot级配指数为0.5时充填体试样具有更优越的细观结构,而细骨料或粗骨料相对含量增多都会劣化充填体试样的细观结构。(2)开展了不同加载速度下的废石胶结充填体静态单轴压缩试验,结果表明:随着加载速度的增大,试样的抗压强度和弹性模量呈线性增长,总输入能、弹性应变能和耗散能均呈二次函数增长,破坏模式由张拉破坏变为剪破破坏,且破碎程度变大;随骨料粒径Talbot级配指数的增大,试样的抗压强度、弹性模量、总输入能和弹性应变能均先增大后减小,而耗散能呈二次函数增长趋势。(3)开展了单轴压缩条件下的废石胶结充填体声发射试验,结果表明:随着加载速度的增大,试样声发射累积计数值呈幂函数减小,而裂纹起裂应力和损伤应力表现出线性增长的变化趋势;随着骨料粒径Talbot级配指数的增大,试样声发射累积计数值、裂纹起裂应力和损伤应力均呈现先增大后减小的变化规律。(4)开展了不同冲击速度下的废石胶结充填体动态压缩试验,结果表明:随着冲击速度的增大,试样的动态抗压强度和弹性模量呈线性增长,宏观破碎程度增大,破坏后的平均粒径值降低,入射能、反射能、透射能和耗散能均逐渐增大;随着骨料粒径Talbot级配指数的增大,试样的动态抗压强度、弹性模量,宏观破碎程度先减小后增大,破坏后平均粒径值先增大后减小,入射能和反射能基本保持不变,透射能先增大后减小,而耗散能先减小后增大。(5)对比分析了废石胶结充填体动静力学特性及破坏特征,结果表明:试样的动态抗压强度和弹性模量均明显高于静载条件下的;试样宏观破碎程度随加载速度的增大而增大,静载条件下以破碎带为主,动载条件下呈完全破碎形态。
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