单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属工程 ,犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()犉 狌 狀 犱:()作者简介:霍健(),男,硕士研究生,主要从事数字矿山技术研究。引用格式:霍健,张泉,陶治臣,等单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征有色金属工程,():,():单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征霍健,张泉,陶治臣,陈晓青(辽宁科技大学 矿业工程学院,辽宁 鞍山 ;鞍钢基石矿业有限公司,辽宁 鞍山 )摘要:针对单向应力作用于地下采空区顶板的破坏规律特性问题,基于弹性薄板理论和压力拱理论,利用单轴压力试验机对顶板模型进行了试验,并探究了不同荷载条件下顶板模型的
2、受压过程和变形特性。结果表明:顶板的破坏过程与峰值应力是否超过疲劳强度密切相关,超过疲劳强度时会出现加速破坏阶段;顶板的变形过程可以分为三个阶段,分别对应于不同的应力和应变变化规律;顶板的失稳破坏位置与荷载条件有关,周期荷载条件下更容易导致整体垮落塌陷;侧帮支撑作用对顶板的承载能力和稳定性有正面影响,但也会增加应力集中和变形。研究结果对于理解顶板在不同荷载条件下的力学行为和提高顶板的安全性具有重要意义。关键词:岩石力学;地下空区;弹性薄板;压力拱;应力应变中图分类号:文献标志码:文章编号:()犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犚 狅 狅 犳犉 犪 犻 犾 狌 狉
3、犲犔 犪 狑狅 犳犝 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犌 狅 犪 犳狌 狀 犱 犲 狉犝 狀 犻 犱 犻 狉 犲 犮 狋 犻 狅 狀 犪 犾 犛 狋 狉 犲 狊 狊 ,(,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,:,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;第期霍健等:单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征地下采空区是矿山安全生产中所面临的重大安全问题。随着时间的流逝,这些采空区会导致覆盖岩层移动和地面下降。这种下沉不仅会使地貌和地质发生改变,影响环境保护安全,还可能会造成人员伤亡和财产损伤。针对地下空区所产生的安全问题,国内外专家学者展开了对于岩石在荷载作用下的破坏问题的大量研究。葛修润院士强
4、调了岩石是否会在周期荷载作用下发生破坏,取决于该荷载的门槛值。邹俊鹏等对比分析了不同荷载条件下的原煤损伤演化规律,并对所得结果进行了系统归纳。张媛在单轴和三轴循环荷载作用下,岩石耗散掉的能量逐渐减小并趋于稳定。何明明等通过改变不同应力振幅条件,探究了砂岩在循环加载试验下的变形特性。李晓锋研究了岩石、混凝土和陶瓷等脆性材料,在遭 受 冲 击 力 时,它 们 的 动 态 响 应 和 破 坏 过 程。等研究了岩石在单轴循环压缩中的强度和变形特性。等在动态荷载作用下对具有间歇裂缝的冷冻砂岩样品进行了试验和相关分析。提出了一种新的岩石力学性质研究本构模型,它能够表征岩石在单轴压缩荷载下的应力松弛现象、破
5、坏后响应和渐进刚度降低行为。等研究为脆性砂岩中的疲劳裂纹扩展提供了重要证据。等 对砂岩进行了不同振幅的轴向循环压缩试验,并利用数字图像相关技术()研究了样品的损伤演化。等 回顾了岩石循环加载变形破坏机制和疲劳本构关系的最新进展。岩石变形过程中的演化规律是揭示破坏特性的重要理论支撑,国内外学者对其展开了大量研究。李杨等 分析了采空区顶 板的 动态 演 化 特征,揭示了顶板由正三角形逐渐变为倒置三角形的过程,以及这种形态变化对顶板稳定性的影响。王学滨等 提出岩石的弹性模量与其损伤程度和围压有关,不同岩石的恢复能力也不同,这会影响形坑的形态特征。等 了解岩石的破坏后行 为 和 围 压,以 及 应 变
6、 速 率 对 砂 岩 的 影 响。等 对裂纹砂岩进行了多级疲劳试验,探讨了岩石的 疲劳 特 性,并 建 立 了 疲 劳 损 伤 模 型。等 提出了两个标准来确定岩石的强度劣化和结构破坏,同时还提出岩石变形破坏是能量、强度和结构相互作用的结果。谢和平等 探讨了岩石变形破坏时,能量如何消耗和释放,以及这与岩石强度和整体破坏的关系。他定义了相关概念,并提出了判断岩石强度丧失和整体破坏的准则。等 基于弹塑性力学理论,从理论上分析了扰动作用下即将发生破坏的隧道破坏过程中的能量积累、传递、耗散和释放。基于前述分析,总结了岩石疲劳响应方面的代表性成果,讨论了循环荷载对岩石力学特性的影响,并概述了循环载荷作用
7、下岩石的本构关系,对于了解岩石在荷载作用下的行为以及合理设计加载试验具有重要意义,为试验的设定提供了理论依据,也提高了试验可靠性。本文从试验的角度出发,对岩石在荷载作用下的破坏规律进行了补充,使采空区顶板保护得到进一步优化,提高地下采空区的安全系数。试验概况 试件制备依据谢学斌等 和黄旭斌等 的相关应力学研究,基于薄板理论和压力拱理论建立了一个简化的模型。假设顶板是均质连续的,空区各板面的强度是均匀且规则的,顶板厚度是实际厚度的平均值,纵向上方的力是唯一的外载荷,且忽略了由此产生的微小位移。为了保证模型与实际采空区之间的几何相似和物理性质相似,通过以下公式确定了模型的大小:犔犿犔狉犓犔犠犿犠狉
8、犓犠犎犿犎狉犓犎犜犿犜狉犓犜其中,犔犿、犠犿、犎犿、犜犿分别表示模型的长度、宽度、高度和顶板厚度;犔狉、犠狉、犎狉、犜狉分别表示实际采空区的长度、宽度、高度和顶板厚度;犓犔、犓犠、犓犎、犓犜分别表示长度、宽度、高度和顶板厚度的相似比例系数。所设计地下采空区模型的外形是长方体,内部有一个空腔。长方体模型的顶部和底部长 ,宽 ,高 。空腔的顶部和底部长 ,宽 ,高 。顶板的厚度为 。这些数值是根据某个矿山急倾斜采空区赋存形态进行设计的,该 采 空 区 具有 以 下 特 征:倾 角为 ,长 度 为,宽 度 为 ,高 度 为 ,顶 板 厚 度 在 之间变化。为了使得模型特征和实际特征进行比例还原,选择
9、了长度、宽度、高度和顶板厚度的相似比例系数均为 ,并制作了个模型进行试验。所研究矿山采空区围岩中的成分为岩体,表有 色 金 属 工 程第 卷为矿山采空区围岩物理性质参数。为了模拟采空区顶板的强度、韧性和变形特征,选择混凝土作为模拟材料,通过相似模拟方法筛选出与采空区顶板物理性质相似的混凝土 。为了保证加载试验的成功,要求混凝土 的强度不超过 。表为混凝土 的配比和规格。表物理性质参数表犜 犪 犫 犾 犲犘 犺 狔 狊 犻 犮 犪 犾 狆 狉 狅 狆 犲 狉 狋 狔狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狋 犪 犫 犾 犲 ()表材料规格配比表犜 犪 犫 犾 犲犕 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犾 狊 狆
10、 犲 犮 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱狆 狉 狅 狆 狅 狉 狋 犻 狅 狀 在制作采空区模型时,采用复合木为模板,按照要求固定好模板位置并保证其固定强度。混凝土拌合料搅拌均匀后,填充模板直至充满混凝土拌合料,然后将模具放在振动台上充分震动,使混凝土分布均匀。约后,模型成型,拆模后获得完整的采空区模型,经过为期 的保温保湿养护,制作出个混凝土试件进行加载试验,其中个用作连续加载,个用作周期加载,个进行备用。为使连续加载和周期加载所得数据更加准确,采空区模型顶板平整度应符合国际岩石力学试验中推荐的要求,因此试验前对模型的顶底进行了打磨处理。图为采空区模型。图采空区物理模型犉 犻
11、犵 犘 犺 狔 狊 犻 犮 犪 犾犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 犵 狅 犪 犳 试验设备图为本试验所用的加载装置,单轴 压 力 试 验 机。该 设 备 轴 向 最 大 荷 载 作 用 ,加载速率控制区间为 ,加载测量区间为 ,采用了高性能稳定的测试精度,能够保证纵向受力的均匀加载,并且采用了力、位移、应变等多种控制方式。连续加载试验和周期加载试验都可以通过这套力学测试系统进行。试验过程中,连接于计算机,可通过计算机对试验过程进行管理和控制,实时绘制试验力位移曲线等,并且数据采集速度可加以控制。采集到的数据能够自动存储至电脑,试验结束后导出 数据文件进行数据分析和处理。利用该试验机进行连续加载试验
12、和周期加载试验。图犢 犃 犇 犓 犖单轴压力试验机犉 犻 犵 犢 犃 犇 犓 犖狌 狀 犻 犪 狓 犻 犪 犾 狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲 狋 犲 狊 狋 犻 狀 犵犿 犪 犮 犺 犻 狀 犲 试验方案本试验主要研究连续加载作用下和周期加载作第期霍健等:单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征用下对采空区顶板强度和变形特征的影响。为了达到此目的,对制备好的采空区模型顶板进行单轴压缩试验,设计连续加载和周期荷载两组试验。连续 加 载 过 程 中,选 择 了 较 低 的 加 载 速 率 ,并且采用位移控制方式进行试验,以确保试验全过程的准确性和可重复性。同时,重复试验至少次,可以提高试验结果的
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