内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n gV o l ,N o A p r i l d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();陕煤地质集团重大专项项目(S MD Z Z D )F u n d:S u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a();T h eM a j o rS p e c i a lP r o j e c to fS h a a n x iC o a lG e o l o g yG r o u p(S MD Z Z D )作者简介:杨征(),男,硕士,高级工程师,主要从事煤矿生产技术管理工作.通信作者:翟迪(),男,博士,主要从事充填开采等方面工作.引用格式:杨征,丁彦雄,高翔,等内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究J有色金属工程,():YAN GZ h e n g,D I N G Y a n x i o n g,G a o X i a n g,e ta l S t u d yo nB e a r i n gC h a r a c t e r i s t i c so fI n t e r n a lb a c k f i l lR e c t a n g u l a rO p e n O r eP i l l a rJN o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究杨征,丁彦雄,高翔,姚永安,翟迪(陕西煤业化工集团陕西小保当矿业有限公司,陕西 榆林 ;陕西天地地质有限责任公司,西安 ;西安科技大学 能源学院,西安 )摘要:为研究部分充填置换高强度充填材料对矩形开口矿柱力学承载特性的影响.采用中机电子万能试验机和D S 型声发射信号采集系统,对不同开口宽度的矿柱试样开展了单轴载荷作用下破坏全过程的力学承载特性试验,在破坏过程中采用快速相机进行监测和记录,总结了充填高强度充填材料填充矩形开口矿柱的力学承载特性和破坏机理.结果表明:无充填矿柱试样(O r eP i l l a rB e a r i n g,O P B)和充填矿柱试样(O r eP i l l a r F i l l i n gB e a r i n g,O P F B)模型试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,与A E振铃计数演化特征同步响应;O P B模型试样b值曲线缓慢下降,而O P F B模型试样b值曲线呈平缓趋势,高强度充填材料能有效改善脆性材料的应变软化现象,且对破坏后残余强度的提升影响最大;O P B和O P F B模型试样抗压强度及弹性模量随着掘充宽度的增加而减小,O P B模型试样由劈裂破坏面转向剪切破坏面,呈现延性向脆性破坏转变,O P F B模型试样呈现出延性破坏.研究可为矿柱的回收和稳定提供科学依据.关键词:矿柱置换;单轴压缩;声发射;b值;破坏机理中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nB e a r i n gC h a r a c t e r i s t i c so f I n t e r n a l b a c k f i l lR e c t a n g u l a rO p e nO r eP i l l a rYANGZ h e n g,D I NGY a n x i o n g,GAOX i a n g,YAOY o n g a n,Z HA ID i(X i a o b a o d a n gM i n i n gC o,L t d,S h a a n x iC o a l a n dC h e m i c a l I n d u s t r yG r o u p,Y u l i n ,C h i n a;S h a a n x iT i a n d iG e o l o g yC o,L t d,X i a n ,C h i n a;C o l l e g eo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,X i a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T oi n v e s t i g a t et h ei m p a c to fh i g h s t r e n g t h b a c k f i l l m a t e r i a l so nt h e b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fr e c t a n g u l a ro p e np i l l a r sd u r i n gp a r t i a lb a c k f i l l r e p l a c e m e n t,t h i ss t u d yc o n d u c t e dt e s t so nt h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo r ep i l l a rs a m p l e sw i t hv a r y i n go p e n i n gw i d t h ss u b j e c t e dt ou n i a x i a ll o a du s i n gaZ h o n g j ie l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ea n daD S a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m A d d i t i o n a l l y,af a s tc a m e r aw a se m p l o y e dt om o n i t o ra n dr e c o r dt h ee n t i r e f a i l u r ep r o c e s s T h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r em e c h a n i s mo f r e c t a n g u l a ro p e np i l l a r sf i l l e d w i t hh i g hs t r e n g t hb a c k f i l lm a t e r i a lw e r es u mm a r i z e d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r es t a g e so fO P Ba n dO P F B m o d e l sc a nb ed i v i d e di n t of o u rs t a g e s:p o r ec o m p a c t i o ns t a g e,e l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g e,y i e l ds t a g e,a n dp o s t p e a kf a i l u r es t a g e,c o r r e s p o n d e ds y n c h r o n o u s l yw i t ht h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fA Er i n g i n gc o u n t s T h ebv a l u ec u r v e s f o rO P Bm o d e l s a m p l e se x h i b i t e das l o wd e c r e a s ew h i l e t h e有 色 金 属 工 程第 卷bv a l u ec u r v e f o rO P F Bm o d e l s a m p l e ss h o w e dag e n t l et r e n d H i g h s t r e n g t hb a c k f i l lm a t e r i a l se f f e c t i v e l ym i t i g a t e ds t r a i n s o f t e n i n g i n b r i t t l e m a t e r i a l s a n d h a d s i g n i f i c a n t e f f e c t o n i n c r e a s i n g r e s i d u a l s t r e n g t h a f t e rf a i l u r e C o m p r e s s i v es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s e da s t h ew i d t ho f f i l l i n g i n c r e a s e d i nb o t hO P Ba n dO P F Bm o d e l s a m p l e s F a i l u r em o d e ss h i f t e dt os h e a rf a i l u r e si nO P B m o d e ls a m p l e s,t r a n s i t i o n i n gf r o md u c t i l et ob r i t t l ef a i l u r e s;Wh e r e a sd u c t i l ef a i l u r e sw e r eo b s e r v e di nO P F Bm o d e ls a m p l e s T h i sr e s e a r c hp r o v i d e ss c i e n t i f i ce v i d e n c ef o r r e c o v e r ya n ds t a b i l i z a t i o ns t r a t e g i e s f o ro r ep i l l a r s K e yw o r d s:o r e p i l l a rp r o t e c t i o n;u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v es t r e n g t h;a c o u s t i ce m i s s i o n;b v a l u e;d e s t r u c t i o nm e c h a n i s m近年来,在双碳目标和智能化发展背景,下,矿山开采工作面安全、高效、绿色、智能开采成为发展趋势.传统工作面布置会在工作面间留有一定宽度的矿柱,造成资源开采不充分,且工作面开采后受应力集中现象影响导致巷道及矿柱形成不同形式的破坏,致使矿柱二次回收难度增大.若是能在工作面开采前对矿柱进行充填置换,就能够最大程度地减少矿柱留设宽度,提高资源回收率,其次原先单一的矿柱承载体系会转变为矿柱充填体协同承载体系,充填体可改善矿柱原有的物理特性,能有效地分散和吸收地应力,降低甚至消除矿柱的冲击倾向性,改善巷道稳定性,并为后续工作面的开采提供更加安全可靠的基础.目前围绕矿柱充填体组合承载体系,国内外已有学者做了大量研究.冯国瑞等从“耦合承载侧向约束应变强化减弱劣化”个方面揭示了柱旁充填岩层控制的机理;王贺等分析了充填体不同刚度比对采动地压分布影响规律,并提出了基于充填体与围岩变形参数匹配的充填体力学设计方法;张尧等通过三轴压缩试验,探究组合体受压过程中的损伤变形及能量演化特征;杨科等基于矿柱人工坝黏结体受力状态,通过三因素三梯度的黏结变量分析了组合体性能与失稳模式的影响;赵兵朝等采用弹性力学半逆解法建立了复合支撑体承载力学模型,分析了复合支撑体应力变化状态,给出了复合支撑体各应力分量表达式;李成杰等 利用分离式霍普金森压杆对预制裂隙类煤岩组合体进行冲击压缩试验,探究不同裂隙形式组合体的能量演化特征,分析裂隙位置与倾角对组合体破碎分形维数的影响;王方田等 构建了组合承载体承载结构力学模型,通过P F C D探究充填体与围岩相互作用特征、充 填体与煤柱 协同承载作 用过程;陈绍 杰等、胡炳南等 阐明了充填体对遗留矿柱承载性能的提升机制;余昕等 通过对充填体包裹岩石组合结构试件开展了单轴、三轴力学试验研究,分析了应力应变曲线、峰值强度、破裂模式和等效力学特性,并探索了体积分数及围压对组合结构承压特性及破坏机制的影响;F U等 通过常规三轴试验和三轴蠕变试验,研究了结构参数对S R F B复合体蠕变力学性能的影响;安百富等 研究了充填体煤柱共同支撑下的围岩力学结构;姜福兴等 建立了孤岛充填开采条件下“充填体矿柱顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面矿柱冲击失稳的判据;杨磊等 研究了循环加卸载下组合体的能量演化规律与破坏机制,研究结果表明组合体受载过程中,软弱岩体率先到储能极限发生破坏,软弱岩体破坏瞬间释放的能量传递岩石中,在弹性能驱动下岩石发生张拉破坏,进而导致组合体发生承载失效;左建平等 对 组 合 体 的 冲 击 倾 向 性 进 行 了 深 入 研究,指出软硬岩层组合体冲击倾向性指数大于纯软岩试样,且随着岩石强度和厚度的增大组合体的冲击倾向性随之增强.上述研究从组合体的力学特性、能量演化等多角度分析了组合体承载特性,但组合形式多为夹层型,对于部分填充型组合形式却鲜有研究.本文以 内部填充型 矿柱充填体组 合 承 载 体(O r eP i l l a r F i l l i n gB e a r i n g,O P F B)为研究对象,通过对不同开口宽度下的无充填矿柱试样(O P B)和充填矿柱试样(O P F B)进行单轴压缩试验,并通过声发射监测系统与高速相机对模型试样的裂纹演化及破坏位置、破坏能量进行监控,研究结论可为充填置换矿柱的长期稳定性和优化采场结构参数提供理论依据.试验设计 试验材料及方案无充 填 矿 柱 试 样(O P B)和 充 填 矿 柱 试 样(O P F B)标准试件在实验室内浇筑完成.其中,矿柱部分由矿粉与水泥、粉煤灰、河砂等胶结制成,矿粉取自陕西榆林某矿,水泥为普通 水泥(尧伯牌),粉煤灰取自锦界某电厂,河砂取自榆林某砂场,质第期杨征等:内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究量比为水泥粉煤灰河砂矿粉水 ,矿粉过筛尺寸 mm mm.充填体部分为矿用硅酸盐改性聚氨酯固化材料,取自陕西煤业化工技术研究院,材料包括A、B组分,按照体积比混合均匀,浇筑在已固化成型的类煤岩材料中,材料力学参数如表所示.试样置于恒温恒湿养护箱中进行标准养护 d(湿度:,温度:).为了研究不同开口宽度条件下矿柱单轴压缩破坏特 征,制 作 了 两 组 试 样(mm mm mm),分别为含矩形开口(mm mm mm、mm mm mm、mm mm mm),一组充填,一组未充填(图),试验方案如表所示.表充填材料及矿柱力学参数T a b l eM e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fb a c k f i l lm a t e r i a l/M P aN a m eU C ST e n s i l es t r e n g t hS h e a r s t r e n g t hB o n ds t r e n g t hS i l i c a t em o d i f i e dp o l y u r e t h a n e O r eP i l l a r 表试验方案T a b l eE x p e r i m e n t a lp r o t o c o lN o O p e n i n gw i d t h/mmO p e n i n gh e i g h t/mmO P B O P B O P B O P F B O P F B O P F B 试验设备在达到相应的固化时间后,试样按照国家标准G B/T 进行单轴抗压强度(U C S)测试.采用中机电子万能试验机进行测试.对O P B和O P F B试样进行了mm/m i n速度的位移加载.在整个荷载破坏过程中,记录每个回填样品的峰值应力和位移.所有测试重复三次,计算平均U C S值进行进一步分析.在进行U C S同时进行了声发射(A E)监测,声发射监测系统为D S 系列全信息声发射信号分析仪.传感器的频率为 k H z.噪声阈值为 d B.共使用个传感器来监测样品的声发射信号.监测系统如图所示.图试验流程图F i g F l o wc h a r t o f t h e t e s t试验结果 应力应变曲线应力应变曲线可以很好地表达O P B及O P F B试样在加载过程中的破坏特征,图给出了O P B及O P F B在不同工况下的应力应变曲线和A E事件的分布规律.通过观察试样在单轴压缩试验过程中的应力应变曲线和A E事件的分布规律,将该曲线分为四个阶段.孔隙压密阶段(OA):原生裂隙在荷载作用下闭有 色 金 属 工 程第 卷图O P B和O P F B试样应力应变曲线F i g S t r e s s s t r a i nc u r v e so fO P Ba n dO P F Bs p e c i m e n s合,萌生能量较小的A E事件,由于O P B试样内部无约束,在轴向荷载作用下矿柱开口自由面向巷道内部变形,A E事件主要出现在巷道上下,形成局部积聚;O P F B试样中A E事件的分 布则表现出 全局性.弹性阶段(A B):与前一阶段不同的是,随着应力应变曲线加载至B点,O P B及O P F B试样内部逐渐出现大量微裂纹,且呈线性增长,与应力应变曲线相似;此阶段A E事件数量剧增,但仍表现出与OA阶段相似的分布规律,随着微裂纹扩展贯通形成细观裂纹在局部滑移激发高能量震动事件诱发局部动力破坏.屈服阶段(B C):当应力超过屈服极限时,试样不能长期压缩,颗粒之间的粘结被破坏,产生大量细观裂纹,随着加载的继续,细观裂纹在颗粒的薄弱区发展和扩展形成宏观裂纹;此阶段A E事件增长较第期杨征等:内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究少,局部化动力破坏促使其周边细观裂纹进一步扩展贯通成宏观裂纹,形成新的大能量震动事件.破坏阶段(C D):O P B及O P F B的承载能力达到峰值后,在颗粒间摩擦的作用下,并不是所有的承载能力都立即丧失,残余应力明显存在,此时O P B及O P F B仍具有承载能力,对于O P B试样,随着掘充宽度的增加,试样表现出由延性向脆性转变的力学状态;对于充填后的O P F B试样,试样均为延性破坏且峰后残余强度较大,试样表现出二次承载的趋势;此阶段由于受残余强度影响,O P F B试样进入二次承载后破坏区煤体持续产生微裂纹,A E事件增长较明显;O P B试样由于脆性破坏较明显,并无大量裂纹产生,A E事件几乎无增长.强度特征弹性模量能体现组合体抵抗变形的能力,而抗压强度则是组合体承载能力的体现,基于应力应变曲线,进一步总结开口宽度对O P B及O P F B试样力学参数的影响,不同O P B与O P F B试样的单轴压缩试验结果见表,掘充宽度对不同O P B及O P F B试样抗压强度、弹性模量影响如图所示.表O P B及O P F B试样的单轴压缩试验结果T a b l eU n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t r e s u l t s f o rd i f f e r e n tO P Ba n dO P F Bs p e c i m e n sN o O p e n i n gw i d t h/mmU C S/MP aE l a s t i cm o d u l u s/G P aO P B O P B O P B O P F B O P F B O P F B 图开口宽度对试样力学参数的影响F i g E f f e c t so fo p e n i n gw i d t ho nm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s f o r s p e c i m e n s由表和图可知,随着开口宽度的增加,试样的抗压强度和弹性模量(除O P B 试样外)均呈显著负相关,O P B 试样的弹性模量存在误差可能是由于浇筑的矿柱材料中初始孔隙较多的缘故.当开口宽度从 mm增加到 mm时,O P B试样抗压强度和弹性模量分别从 MP a和 G P a下降到 MP a和 G P a,分别下降了 和 ;O P F B试 样 抗 压 强 度 和 弹 性 模 量 分 别 从 MP a和 G P a下降到 MP a和 G P a,分别下降了和 ;开口宽度不变时,O P B(/)试样相对于O P F B(/)试样抗压强度和弹性模量分别增加了 、MP a和 、G P a,分 别 增 加 了 、和 、;开口宽度的增加降低了矿柱的整体强度和弹性模量,同时也降低了弹性应变能的积聚,减小了冲击风险.但值得注意的是,实验中充填体强度远大于矿柱单轴压缩强度,而组合体强度未大幅度提升,矿柱充填体组合体强度稳定在 MP a左右,这是由于组合体破坏以矿柱矩形空洞结构破坏为主,具体分析见 节破坏过程.声发射特征当试样的破裂信号振幅超过设定的阈值时,会产生声发射振铃计数.因此,通过声发射振铃计数和声发射累积振铃计数的变化可以记录单轴荷载作有 色 金 属 工 程第 卷用下O P B及O P F B试 样 的 细 观 断 裂 演 化 过 程.图为三种掘充宽度条件下O P B及O P F B试样整个压缩变形破坏过程中应力、声发射振铃计数和声发射累积振铃计数的实时曲线.图试样应力、声发射振铃计数、累积声发射振铃计数与时间的关系F i g S t r e s s,r i n g i n gc o u n t,c u m u l a t i v ea c o u s t i c e m i s s i o nr i n g i n gc o u n t a n dt i m eo f s p e c i m e n s如图所示,在孔隙压密阶段(OA),监测到的声发射振铃活动很少.在弹性阶段(A B),随着轴向载荷的增加,声发射振铃计数和声发射累积振铃计数呈早期缓慢增长趋势,表明微裂纹发展相对稳定,但微裂纹的范围和密度不足以形成宏观裂纹.并将相应 的 弹 性 应 变 能 储 存 在 试 样 中.在 屈 服 阶 段(B C),O P B和O P F B试样的声发射事件显著高于OA和A B阶段,但并非全部都是(图 d),振铃计数的突变略晚于峰值强度,呈现在屈服完结应力下降时.声发射的累积振铃计数曲线从B点开始速率上升,这意味着大量裂纹的产生和扩展.此外,进入破坏阶段(C D),声发射累积振铃计数曲线速率下降,但C D阶段的声发射计数和累积声发射计数仍高于OA和A B阶段,值得注意的是,当累积振铃计数曲线趋于平缓时,应变仍随时间增加,试样呈现剪切滑移状态.破坏过程分析为阐明矿柱在充填前后受压缩荷载破坏的过程和机理,通过快速相机记录,揭示了不同O P B和O P F B模型试样压缩破坏的全过程如图、所示,总结了不同开口宽度O P B和O P F B模型试样在压缩荷载作用下的破坏特征.第期杨征等:内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究图开口宽度为 mm时试样破坏过程F i g D e s t r u c t i o np r o c e s so f t h e s p e c i m e nw h e nt h eo p e n i n gw i d t hi s mm图开口宽度为 mm时试样破坏过程F i g D e s t r u c t i o np r o c e s so f t h e s p e c i m e nw h e nt h eo p e n i n gw i d t hi s mm图开口宽度为 mm时试样破坏过程F i g D e s t r u c t i o np r o c e s so f t h e s p e c i m e nw h e nt h eo p e n i n gw i d t hi s mm有 色 金 属 工 程第 卷由图可知,当开口宽度为 mm时:在初始加载阶段(O P B :s,O P F B :s),模型试样在轴向荷载作用下试样无明显损伤,对应孔隙压密阶段(OA),如图(a)、(b)所示.随着轴向荷载的增加(O P B :s,O P F B :s),对于O P B 模型试样,小颗粒开始从掘采巷道右上肩角脱落,偶有小颗粒被弹出,但弹出速度很低,且在左侧矿柱出现细观裂纹.这说明巷道右肩角及左侧矿柱体内开始出现损伤并伴随裂纹萌生,与弹性阶段(A B)微裂纹扩展一致,如图(a,a)所示;对于O P F B 模型试样,在左侧矿柱与充填体界面粘结处产生裂隙,部分粘结失效,并沿界面粘结处产生细观裂纹,随着荷载的增加,细观裂纹向矿柱上下边界发育,同时在右侧矿柱内也产生靠近右粘结界面及模型试样右上角的倾斜细观裂纹,这与弹性阶段(A B)微裂纹扩展也相一致,如图(b,b).试样加载至屈服阶段(B C)完结时(O P B :s,O P F B :s),对于O P B 模型试样,巷道左下肩角表面出现明显剥离现象,左侧矿柱宏观裂纹贯穿,矿柱失稳,如图(a)所示;对于O P F B 模型试样,左侧矿柱与充填体粘结失效增加,细观裂纹贯穿扩展成宏观裂纹,右侧倾斜剪切裂纹与拉伸裂纹在右粘结界面下部贯穿,O P F B 模型试样承载能力下降,如图(b)所示.破坏后阶段(C D),O P B 加载至 s(图 a)时,试样发生劈裂破坏,左侧矿柱产生宏观断裂面,巷道右侧产生矿柱失稳现象;O P F B 随着单轴压缩试验的进行,裂纹宽度增加并伴有新的细观裂纹产生,模型试样进入二次承载阶段,对比O P B 和O P F B 模型试样破坏过程,充填后矿柱的破坏主要受粘结界面的影响.当开口宽度增加到 mm和 mm时,由图、可知,O P B模型试样均表现出斜向剪切破坏,如图 a、a所示,由巷道肩角扩展至试样左右上肩角,成典型的岩石剪切破坏,O P B模型试样经历了细观裂纹演化(OA)、细观 裂纹贯通 形 成 宏 观 裂 纹(A B)、裂纹扩展聚结剪切滑移为主的矿柱快速失稳(B C)、剪切摩擦阶段(C D);O P F B 、O P F B 模型试样则表现出与O P F B 模型试样相似的破坏过程,O P F B模 型 试 样 经 历 了 微 裂 纹 缓 慢 增长(OA)、细观裂纹由矿柱充填体接触面向模型试样上下边界扩展演化(A B)、细观裂纹扩展演化形成宏观裂纹,组合体承载能力下降(B C)、破坏后应力降至 左右组合体进入二次承载阶段(C D).讨论 O P B和O P F B模型试样微裂纹演化特征b值是表征地震震级与频率关系的参数,研究b值的方法有两种:一是根据地震资料研究不同条件下自然地震的b值;二是利用岩石变形破坏过程中的声发射事件模拟地震,研究不同条件下岩石的变形破坏.与地震机理相似,岩石、回填体、混凝土等脆性材料在应力作用后的破坏也是一个内部裂纹爆发、扩展、成核和宏观断裂面形成的过程.由于声发射的b值特征可以反映充填体内部微裂缝的尺度变化,因此b值的变化也可以作为充填体宏观破坏和损伤的前兆.从图中O P B和O P F B模型试样加载过程b值呈现出明显的波动现象,在孔隙压密阶段(O A)及破坏后阶段(C D)波动幅度较明显,这是由于加载初期大量微孔隙闭合产生了大量小声发射事件,破坏后阶段裂纹扩展不稳定,表现出一定的随机性.对于O P B模型试样,b值曲线表现缓慢下降趋势,说明随着加载过程的进行,大的声发射事件占比较大,微裂纹扩展较快,预示着裂纹可能向突然破坏状态转变;O P F B试样则稳定在一个范围内波动,尽管加载初期和后期仍表现出大幅波动现象,但b值曲线未呈现出下降趋势,表明裂纹扩展是一种渐进而稳定的扩展.O P B和O P F B模型试样宏细观裂纹演化模型根据试验结果分析,可归纳出O P B和O P F B模型试样在单轴压缩荷载下的破坏演化示意图,如图所示.在孔隙压密阶段(OA),O P B及O P F B模型试样处于完整状态.随着轴向荷载的增加,O P B试样肩角有碎屑弹出,随着开口宽度的增大,细观裂纹方向由 矿 柱 内 部 向 肩 角 偏 转.随 后 进 入 弹 性 阶 段(A B)微裂纹加速扩展.在O P B内部裂纹的演化过程中,细观裂纹扩展贯通形成宏观裂纹,并向模型试样边界扩展.随后,进入屈服阶段(B C),宏观裂纹扩展贯通至模型试样边界,由于试件累积应变能的快速释放,进入劈裂破坏和剪切滑移阶段.同时,随着矿柱的破坏失稳,承载能力急速下降,最后,应力下降至残余强度承载阶段.O P F B模型试样则表现出一定的相似性,裂纹演化由粘结接触面向试样上下边界扩展,峰值应力后组合体应力下降缓慢,峰后残余强度较大,间接改变了矿柱的峰后力学特性,使得材料由脆性破坏转变为延性破坏.第期杨征等:内部填充型矩形开口矿柱承载特性研究图O P B和O P F B试样加载过程b值曲线F i g b v a l u ec u r v e sd u r i n g l o a d i n go fO P Ba n dO P F Bm o d e l s p e c i m e n s图O P B及O P F B破坏模式图F i g O P Ba n dO P F Bf a i l u r ep a t t e r nd i a g r a m s有 色 金 属 工 程第 卷研究充填前后的矿柱模型试样的破坏演化过程,可为矿柱的回收和临近巷道的现场支护提供理论依据.图描述了无充填时矩形开口的巷道剥离和矿柱剪切滑移破坏,极大地削弱了矿柱的稳定性,这与实际工程情况相符.因此,有必要以矿柱破坏为重点,提高矿柱的整体稳定性.结论)O P B和O P F B试样变形破坏分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段四个阶段,A E事件振铃计数演化特征与应力应变曲线同步响应.)随着开口宽度的增加,O P B和O P F B试样抗压强度及弹性模量均减小,O P B破坏呈现延性向脆性破坏转变,充填后组合体屈服破坏阶段呈现出延性破坏;高强度充填材料并不能大幅提升O P F B组合体强度,主要对破坏后残余强度的提升起到了至关重要的作用.)O P B试样经历了细观裂纹演化(OA)、细观裂纹贯通形成宏观裂纹(A B)、裂纹扩展聚结剪切滑移为 主 的 矿 柱 快 速 失 稳(B C)、剪 切 摩 擦 阶 段(C D);O P F B模 型 试 样 经 历 了 微 裂 纹 缓 慢 增 长(OA)、细观裂纹由矿柱充填体接触面向模型试样上下边界扩展演化(A B)、细观裂纹扩展演化形成宏观裂纹,组合体承载能力下降(B C)、破坏后应力降至 左右组合体进入二次承载阶段(C D).)O P B模型试样b值曲线呈现缓慢下降趋势,O P F B模型试样b值曲线呈现平缓趋势,充填体能有效降低破坏突然发生的概率;O P B试样在单轴加载作用下破坏由劈裂破坏面偏转向剪切破坏面,试样剪切滑移造成突然破坏,而O P F B裂纹扩展稳定,与b值曲线变化相一致.参考文献:王双明,申艳军,宋世杰,等“双碳”目标下煤炭能源地位变化与绿色低碳开发J煤炭学报,():W A N G S h u a n g m i n g,S H E N Y a n j u n,S O N GS h i j i e,e ta l C h a n g eo f c o a l e n e r g ys t a t u sa n dg r e e na n d l o w c a r b o nd e v e l o p m e n tu n d e r t h e“d u a lc a r b o n”g o a lJ J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y,():王双明,刘浪,赵玉娇,等“双碳”目标下赋煤区新能源开发 未来煤矿转型升级新路径J煤炭科学技术,():WANGS h u a n g m i n g,L I U L a n g,Z HAO Y u j i a o,e ta l N e we n e r g yd e v e l o p m e n t i nc o a l f i r e da r e a su n d e rt h eg o a lo f d o u b l ec a r b o n an e w p a t hf o rf u t u r ec o a lm i n et r a n s f o r m a t i o na n du p g r a d i n gJ C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,():陈绍杰,刘兴全,朱彦,等条带煤柱渐进破坏特征与机制试验研究J采矿与安全工程学报,():CHE N S h a o j i e,L I U X i n g q u a n,Z HU Y a n,e t a l E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e p r o g r e s s i v e f a i l u r em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t r i pc o a lp i l l a rJJ o u r n a l o fM i n i n g&S a f e t yE n g i n e e r i n g,():来兴平,方贤威,单鹏飞,等脆性孔洞煤样承载过程破坏模式及能量阶段蓄积释放规律分析J采矿与安全工程学报,():L A IX i n g p i n g,F ANG X i a n w e i,S HAN P e n g f e i,e ta l F a i l u r em o d ea n dp h a s e de n e r g ya c c u m u l a t i o na n dr e l e a s el a wo fb r i t t l eh o l e yc o a ls a m p l e sd u r i n gl o a d i n gJJ o u r n a l o fM i n i n g&S a f e t yE n g i n e e r i n g,():冯国瑞,白锦文,史旭东,等遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望J煤炭学报,():F E N G G u o r u i,B A IJ i n w e n,S H IX u d o n g,e ta l K e yc o l u m nt h e o r yf o rc h a i nd e s t a b i l i z a t i o no fl e g a c yc o a lc o l u m ng r o u pa n di t sa p p l i c a t i o np