文摘

重复开采扰动的影响下,gob-side条目保留的充填采矿的身体可能减少承载力经验甚至失败,复杂的控制围岩稳定煤矿。本研究采用电动液压三轴伺服试验机,超声波检测系统研究损伤演化和混凝土充填采矿的前体反应不稳定行为的保留gob-side条目。具体来说,我们进行了加载实验混凝土充填采矿的标本。通过分析特征应力混凝土标本和超声波时频响应特性,我们探索损伤演化和承载力退化过程。结果表明,在举行了加载条件下,混凝土标本进行了微分变化过程从均匀变形不均匀,局部变形,最后失败。超声波的速度加载的混凝土标本先增加,然后随压力增加而降低,和宏观变形特征符合损伤发展和演化,显示清晰stage-specific特征。超声波加载过程的时频响应特性特征损伤积累在混凝土标本,加载状态变化和详细承载能力的恶化。在上演了加载过程中,承载力衰减系数是呈正相关,和变异系数(CV)的优势频率是裂纹发展的程度成反比。与超声波速度相比,时频响应更敏感的损伤演化特征。总之,我们的研究提供实验依据长期稳定监测和评价gob-side条目保留充填采矿体的煤矿。

1。介绍

gob-side条目保留技术指的是人工墙(即建设。,back-filling bodies) at the edges of a mined-out area after the advancement of the working face in the upper section. It serves to retain the mining roadway of the working face in the lower section and to use it as the mining roadway in that section. It is a pillar-free mining technology. As the gob-side entry retaining technique has the advantages of avoiding gas accumulation, alleviating the tension of mining replacement, and yielding better coal recovery rates, it has been widely used in the mining of thin, medium, and thick coal seams in recent years. This technique is a key development direction for mining roadway protection in China [1- - - - - -5]。充填采矿体不断重复干扰影响采空区的顶板沉降在当前部分和进步的工作面较低的部分。是常见的充填采矿机构承载能力降低,甚至失败,给控制带来巨大挑战的岩石周围gob-side条目保留。(6]因此,稳定的充填采矿的身体是成功的关键gob-side条目保留巷道保护技术。

承诺在研究结果取得了充填采矿体的应力和变形特征为gob-side条目保留下开采的影响。例如,黄等。7]研究矿山压力gob-side条目的部分保留,分析了充填采矿体的变形和应力特征。Jia-guang et al。8)建立了一个多层不同顶板条件下连续板模型,提出了一个公式对充填采矿的支架阻力的身体。Guorui et al。9)报道,充填采矿体的应力和变形gob-side条目保留在厚煤层直接关系到屋顶失败的工作面,随着工作面先进,增加压力,首先,然后变得稳定。陈等人。10]表明,充填采矿体加载不仅是占主导地位的屋顶和眼前的屋顶也被顶位移的断裂主要屋顶。它导致一代、开发和渗透裂缝两边的身体,大大影响充填采矿体的完整性和承载力。汉et al。11)发现,屋顶运动在骨折后采空区gob-side条目保留是一个关键的影响因素。这些作者的特点提出了采空区上覆岩层的崩溃及其扰动gob-side条目保留。然后,他们提出了一个计算方法充填采矿墙的荷载和加固措施。此外,Shengpeng [12]研究巷道埋深的影响,屋顶厚度,屋顶主要断裂的位置在充填采矿体的稳定性。这些作者进一步提出了稳定加固技术充填采矿体(13,14]。总之,现有的研究主要集中在应力分布、变形,加固充填采矿的身体。累积损伤、渐进破坏过程和混凝土充填采矿体的不稳定性预测gob-side条目保留的影响下矿业应进一步研究。

充填采矿的失败机构gob-side条目保留是指一个过程涉及内部裂纹闭合,起始和发展到宏观混凝土充填采矿的失败。这个过程与屋顶断裂密切相关,开采状态,充填采矿混凝土的损伤演化。本研究探讨了充填采矿混凝土的损伤演化特征的影响下挖掘。分析了充填采矿混凝土的应力-应变状态基于超声特征参数。本研究具有十分重要的意义和工程实践价值实现稳定状态的智能监测和评价充填采矿体的保留gob-side条目。

2。充填采矿混凝土损伤演化为Gob-Side条目保留了加载条件下

2.1。标本

充填采矿的混凝土材料是由硅酸盐水泥、河沙(0∼5毫米),砾石(5∼15毫米)、外加剂(防水剂)。根据充填采矿gob-side条目保留在现场工程实例的具体公式,水泥,沙子(0∼5毫米),砾石(5∼15毫米),掺合料,和水的质量比混合1:0.82:1:0.38然后倒入一个模子(表1)混合后,振动、合并、养护等过程,以及充填采矿混凝土圆柱形样本准备通过干钻,切割,研磨根据国家标准推荐的方法。圆柱样品的直径50毫米,高度是100毫米(图1),误差在0.3毫米直径,表面平滑度控制在0.02毫米。样本大小和精度达到国际岩石力学测试标准。标本治愈在阴凉,干燥,通风的地方28天。样本的平均初始波速度是3209米/秒,密度是2290公斤/米³。

2.2。测试设备

进行了单轴压缩试验使用Flex MTS815测试GT系统(数字2和3)的轴向负荷能力2300 kN, 290 Hz的伺服阀的敏感性,数据采集5 kHz的频率和应变速率范围的10⁻⁶∼10⁻¹。标本在轴向位移加载或加载控制方式,并在加载过程中载荷和位移数据收集。轴向变形测量使用线性位移传感器,通过延伸和横向变形测量的环形链夹在中间的标本。测试精度为0.001毫米。

超声检测系统(图4)包含一个波形信号发生器(关键的景象),高频、高压放大器(奥林巴斯)示波器(关键的景象),和两个传感器。传感器的直径60毫米,最大压力是50 MPa,共振频率是55 kHz。超声波发射和接收传感器的阻尼混凝土机械测试的要求。

信号发生器是用来产生超声波信号不同的频率和振幅,以及示波器实现超声波到达校正的功能,频谱分析和显示。

2.3。实验方案

2.3.1。确定加载路径

gob-side条目保留的地质条件X工作面煤矿的背景下,一个三维数值计算模型,gob-side条目保留的影响下矿业成立。的FLAC^{3 d}使用生成命令生成模型。大小是X(长度)×Y(宽度)×Z(高度)= 315×300×48.3。莫尔-库仑屈服准则是用于计算模型。重力屋顶7.76 MPa的压力被应用到模型的上边界。在模型中,模型的底部垂直位移约束,前面,后面,模型约束水平位移。煤层是简化为水平布置。煤层的厚度是3.35∼6.76米,平均为6.09 m。屋顶和地板主要由泥岩和粉砂岩。沿采空区gob-side条目保留安排中间的模型在地面上。巷道的高度和宽度是3200毫米和5800毫米,和充填采矿的身体在巷道的宽度是1400毫米在图5。

充填采矿体的应力分布在不同位置的影响下采矿如图6。

与工作面推进,在不同位置的垂直压力充填采矿的身体显然是不同的。最大压力是中间的充填采矿的身体,其次是采空区的一边,最低压力是在道路的一边。的影响下采矿、充填采矿体垂直应力的增加单调的早期和后期逐渐稳定。数值模拟结果与现场测量结果基本上是一致的文献[7,9]。因此,真正的压力环境的演化过程的充填采矿体简化为加载。

2.3.2。加载方案

标本被加载了加载条件下5 kN / s的速度利用MTS815岩石力学系统。在每个阶段加载后,最大负载保持不变是20年代,期间进行了超声波测试。加载循环重复直到标本的失败。超声波测试,传感器被放置在上部和下部的标本;作为励磁机和另一个接收器。超声波投诉被应用于表面确保良好的标本和传感器之间的联系。高压脉冲信号发出的波形发生器,超声波的激发频率是140千赫。脉冲信号的振幅是10 V_页,输出电压是200 V_页经过放大器。振动传播的标本,并由传感器另一端接收。的数据采集频率波由示波器记录是5 MHz。

3所示。结果

3.1。压缩变形和应力特征

混凝土充填采矿是一个砂石混合与不可避免的微孔隙,裂缝,关节,和其他microdefects泥浆压实的过程中,样品制备和养护。在上演了加载过程中随着压力的增加,关闭,扩张,连接,和内部微裂隙的渗透,最终形成宏观裂缝和标本骨折。标本的压缩变形可以分为四个阶段:裂纹压实阶段(我),(2)弹性阶段,塑料阶段(3),(IV) postfailure阶段。充填采矿混凝土标本的应力-应变曲线如图7。

根据特征压力的确定方法提出了文献[15- - - - - -17),裂纹萌生的压力σ_ci、破坏应力σ_cd,峰值应力σ_c充填采矿混凝土在单轴压缩下。结果如表所示2。裂纹萌生的压力σ_ci相对应的轴向应力初始偏移点的水平段的体积应变曲线,和损失的压力吗σ_cd是相对应的轴向应力体积应变曲线的拐点。

由于空间的限制,只有标本# 3这里描述为例。在初始阶段,混凝土试件的原始孔隙和裂缝慢慢关闭,应力-应变曲线是凹的。弹性模量增加增加荷载,横向应变无关紧要的增加。当载荷达到5.96 MPa时,轴向应变的增长率是0.10%,弹性模量降低,和最小体积应变。在这一点上,裂缝压实阶段完成。关闭压力σ_cc峰值应力的15.6%σ_c。随着负载的不断增加,变形进入弹性变形阶段,弹性模量基本上保持不变,应力-应变曲线成为线性的。裂缝体积应变开始增加。当载荷达到16.78 MPa时,轴向应变是0.24%,和内部裂纹开始生长。在这一点上,裂纹萌生的压力σ_ci峰值应力的43.9%σ_c。随着负载的进一步增加,横向应变继续增加,试样变形进入裂纹扩张阶段。当载荷达到27.48 MPa时,轴向应变0.36%,应力-应变曲线开始偏离直线。裂缝体积应变的增长速度放缓,内部裂纹扩展使不稳定。体积应变增量逐渐下降到0,试样达到破坏压力σ_cd或72.0%的峰值应力σ_c。在塑性变形阶段,内部裂缝的进一步发展。当负载增加到38.16 MPa时,轴向应变体现的是0.54%,横向应变大量增加和体积膨胀。标本显示局部变形和裂纹的宏观渗透,剪切滑移,tensile-shear合成失败。试样的承载能力恶化而部分完好无损。

3.2。超声波反应充填采矿混凝土的损伤演化过程的特征

3.2.1之上。超声波波速的变化

超声波是一种声波。它是由混凝土充填采矿振动和传播。当遇到不连续或异构的接口,如裂缝或裂缝,超声波反射和折射,导致波形和波速的变化18]。损伤变量引入该研究是基于损伤力学的现象学方法,超声波波速之间的关系,建立了损伤变量的样本,这样的程度损伤混凝土标本是间接测量的超声波速度。混凝土损伤因素基于超声波速度如下(19]: 在哪里D是损害因素,初始波速度,速度在损坏的标本。

超声波速度和压力之间的关系在不同荷载水平图所示8。注意,纵波速度密切相关的孔隙和裂缝的发展程度的标本。在加载的初始阶段,内部孔隙和裂缝的标本被关闭因为压实,和超声波波速线性增加到最大值。在这一点上,关闭压力为5.96 MPa,这符合关闭压力σ_cc以上。以标本3为例,随着压力的增加,试样进入弹性变形阶段。由于小数量的试样内部裂纹,波速度只在小范围波动,表明低程度的损害。第一部分的弹性变形阶段,沉降显然注意到和可能引起的不规则的位错和均匀变形的内部粒子的标本。在这一阶段的后期,波速相对稳定,表现出下降的趋势。内部裂缝开始发展和扩大,伤害值增加。在这一点上,应力值达到27.48 MPa,试样达到破坏压力σ_cd,峰值应力的应力值为72.0%σ_c。在塑性变形阶段,超声波速度继续减少经历一段时间的波动之后,伤害值大大增加,沉降的大小显著增加。此外,进一步扩大,形成一个贯通裂缝,裂缝和损伤值急剧增加。在这一点上,应力值达到37.84 MPa或99.2%的峰值应力σ_c。标本显示剪切破坏,试件的承载能力恶化。

在上演了加载过程中,超声波速度先增加,然后随压力增加而降低。超声波速度在不同压力水平的差异主要反映在变化趋势和幅度。超声波波速线性增加到最大值在加载的初始阶段。当裂缝封闭和标本进入弹性变形阶段,波速开始显著减少。在到达峰值应力时,波速波动一段时间然后继续以更快的速度下降,和伤害值大幅增加。裂纹扩展的宏观表现是通过裂纹形成。损伤因子由波速与应力-应变曲线的特征是相一致的。因此,超声参数反映了裂纹扩展及损伤演化过程的加载下的充填采矿的身体。此外,超声波速度更敏感的应力状态和应变特征标本。波速下降趋势和振幅可以作为阶段划分的标准和故障预测。

3.2.2。超声时频响应参数和变异

(1)衰减系数。当超声波在混凝土介质传播,超声波信号携带大量信息反映混凝土介质的特点。当充填采矿混凝土的组成发生变化时,声阻抗变化,以及内部裂缝的发展在不同压力水平。传播时混凝土标本,超声波衍射或反射,导致能量衰减和光谱信号的失真。在每个加载水平,短期内的压力保持不变的传感器发送和接收脉冲信号。基于frequency-based指数模型、能量的超声波传播时的衰减d₀来d表示如下: 在哪里p₀声压在吗d₀,p声压在吗d。 衰减系数在吗d当频率f,d₀参考位置。

在测试中,压力和耦合程度保持不变,和超声波声压振幅成正比。接收到的脉冲信号的振幅之比上演了加载前后被代替了声压比,和对数的比值作为衰减系数。因此,衰减系数的计算公式α如下: 在哪里一个₀和一个的振幅是第一个超声波加载前后,分别和d传播距离。

充填采矿混凝土标本无性生殖的各向异性,内部的发展程度的关节和微裂隙在不同应力状态下,不同导致衍射或反射的超声波就非常明显,因此,造成显著的能量衰减和超声波频谱失真。图9显示接收到的超声波振幅之间的关系,衰减系数和应力水平。在上演了加载过程中,超声波振幅和能量衰减系数增加,然后下降,并都与压力水平呈正相关。此外,超声波振幅和能量衰减系数负相关。在样品的初始加载阶段3,压实和关闭原始裂缝降低了反射或散射衰减在超声波信号的传播。接收到的振幅,首先,然后保持在一个稳定的水平增加。同时,发射端和接收端之间的距离减少,导致能量衰减系数线性上升从0到0.026的最高价值。在这一点上,应力值为8.90 MPa,或者23.3%的峰值应力σ_c与裂缝闭合压力,6.7%的不同σ_cc由应力-应变曲线。随着负载的增加,微裂隙的标本进入了弹性变形阶段以稳定的方式发展。接收到的波的振幅逐渐增加而增加压力。内部微裂隙的发展导致衍射的增加衰减。能量衰减系数最大值下降缓慢。压力曲线的拐点为27.48 MPa,或72.0%的峰值应力σ_c。它是一致的破坏压力σ_cd由应力-应变曲线。随着负载的进一步增加,试样的内部裂隙继续积累,和二次裂纹的数量逐渐增加。超声波信号振幅开始减少。能量衰减加剧,衰减系数急剧下降为0。应力值达到37.84 MPa,或99.2%的峰值应力σ_c。最终,宏观渗透裂纹出现,试件的承载力降低。

(2)优势频率的简历。快速傅里叶变换(FFT)光谱分析是一种广泛用于波形信号分析算法研究的全球光谱特征信号(20.- - - - - -26]。FFT是用来提取接收信号的振幅和频率特性参数在不同加载水平。因为微裂隙的发展在混凝土标本,主要和次要的能量分布频率在超声波传播,和中等频率的最大振幅之间的比例和占主导地位的频率被定义为优势频率的简历。 在哪里是优势频率的变异系数,是占主导地位的最大振幅在加载过程中接收到的波的频率谱,然后呢是二次接收到的波的频率的最大振幅谱在加载过程中。

图10显示接收到的波的二维频谱特征在不同压力水平。超声信号具有相同的主频率很兴奋在这些不同的压力水平。在传播接收到的优势频率波动频率在140 kHz,在110∼170千赫范围内。标本内随着负载的增加,直接关闭,发展,和扩展,接收到的波的主要频率变化信号显示相应的阶段性特征。接收到的信号的频率分布特征与内部裂缝的发展密切相关。

图11显示了简历接收到的信号的主要频率曲线在不同压力水平。在初始加载阶段,按内不规则的微裂缝和关闭,占主导地位的频率主要是分布在135∼147 kHz低振幅。主导频率显示一个小的变异系数增加。

在弹性变形阶段,因为裂纹的萌生和扩展的标本,有明显的multipeak频谱分布特征。占主导地位的频率变化范围内的120∼170 kHz,和振幅逐渐增加。在这个阶段,大型和小型混凝土标本稳步发展,裂缝和优势频率的变异系数明显波动。后期的弹性变形阶段,应力值为24.84∼27.84 MPa,接收到的信号的主要频率不同的140至150 kHz,振幅达到最大值。简历的优势频率达到最高为0.99,和标本进入稳定裂纹扩张阶段。当应力值达到35.52 MPa或93.1%的峰值应力σ_c,高频信号衰减很大,只有一个单一的主导频率约为140 kHz。的简历达到最小值0.29,透过裂缝形成,和整体标本被毁。

4所示。结论

摘要超声波的传播在混凝土充填采矿gob-side条目保留了加载条件下进行了研究。级的时频响应特性和主要从接收到的超声波频率得到充填采矿混凝土与不同的加载和破坏阶段。进行实验室检测,获得的结论如下:(1)波速,首先,增加然后随载荷增加而降低。损伤因子由超声波速度能够反映裂纹扩张和混凝土的损伤累积过程标本。宏观变形特征和内部裂纹发展所有显示明显的阶段特征。(2)大小和频率的超声波光谱敏感充填采矿混凝土试件的损伤演化。超声振幅呈正相关,试件的承载力。振幅在加载后期阶段显著降低与宏观裂纹的形成。(3)接收信号的频率显示特征,和简历的优势频率先增加,然后降低。随着荷载的增加,占据主导地位的接收的超声波频率传输140 kHz的频率波动,在110∼170千赫范围内。在弹性变形阶段,后期裂缝发展,超声波的优势频带被multipeak分布特征。宏观裂纹的发展阶段、高频信号明显减弱,简历的优势频率达到最小值。

因此,超声波的强度和频谱P波可以能够well-characterizing混凝土的损伤积累和承载能力恶化标本。然而,这个新发现三轴加载循环加载条件下是有限的。在未来,精确性和普遍性不同加载路径下使用超声纵波应进一步研究。25,26]。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

关键支持的中国国家自然科学基金项目(项目号51634007),陕西自然科学基础研究项目(项目号2021 jlm-10),山东和自然科学基础研究项目(项目号2019 jzzy020326)。