【摘 要】
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我国许多大型露天煤矿都位于新疆等西部高寒地区,边坡含水损伤岩体在低温冻结作用下,其内部细观结构和宏观力学特性均会发生明显的改变,露天开采过程中还承受爆破冲击等动态载荷的作用,导致滑坡等地质灾害。因此,开展不同含水率下损伤砂岩的低温动态力学特性研究,对于保障高寒地区露天煤矿边坡稳定和安全高效开采具有重要的现实意义。本文利用实时低温分离式霍普金森压杆(LTSHPB)试验系统,对不同含水率损伤冻结砂岩开
【基金项目】
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循环载荷及爆破冲击下露天端帮采硐顶板和煤柱的失稳机理与防控,国家自然基金,编号:51994295;
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我国许多大型露天煤矿都位于新疆等西部高寒地区,边坡含水损伤岩体在低温冻结作用下,其内部细观结构和宏观力学特性均会发生明显的改变,露天开采过程中还承受爆破冲击等动态载荷的作用,导致滑坡等地质灾害。因此,开展不同含水率下损伤砂岩的低温动态力学特性研究,对于保障高寒地区露天煤矿边坡稳定和安全高效开采具有重要的现实意义。本文利用实时低温分离式霍普金森压杆(LTSHPB)试验系统,对不同含水率损伤冻结砂岩开展了动态压缩试验,并结合电镜扫描(SEM)技术和能量耗散理论,对其动态力学特性、动态破坏特征和能量耗散规律开展了系统的的研究,最后基于试验结果数据建立了初始损伤-动静载条件下砂岩的统计损伤本构模型,并对其合理性进行了验证,取得的主要研究成果如下。(1)开展不同损伤值砂岩的单轴压缩试验,发现随损伤值的增大,砂岩的峰值应力和弹性模量均显著降低,峰值应变增大,破坏形式由拉伸破坏向剪切破坏转变,破碎碎块的数量逐渐增加。(2)开展不同含水率及损伤值砂岩的实时低温动态压缩试验:发现冻结砂岩在不同含水率下,随损伤值的增大,其动态峰值应力和弹性模量显著降低,动态峰值应变显著提高,破坏后的岩样块度明显减小,平均粒径减小;而随冲击速度的增大,其动态峰值应力、弹性模量和峰值应变均逐渐增大,并且破坏后的破碎形态由块状像粉末状颗粒转变,平均粒径减小。(3)基于能量耗散理论,研究发现随损伤值的增大,冻结砂岩的入射能和反射能大小基本不变,透射能减小,耗散能增大,反射能比基本不变,透射能比减小,耗散能比增大;随冲击速度的增大,其入射能、反射能、透射能和耗散能均增大,反射能比和耗散能比增大,透射能比减小。(4)通过电镜扫描观测了砂岩的细观破坏特征,发现冻结砂岩的破坏形式主要为脆性破坏,但随损伤值的增大,其内部会出现韧性断裂的特征。(5)建立了初始损伤-动静载条件下砂岩的统计损伤本构模型,应力-应变曲线的理论计算结果与试验结果具有较好地一致性,验证了所建立的本构模型的正确性。本文的研究成果可为寒区露天煤矿开采过程中边坡岩体失稳防治提供理论基础,对寒区岩石工程的施工也具有指导意义。本文有图60幅,表11个,参考文献101篇。
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