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不同加载速率下差异性含水率尾砂胶结充填体力学行为及损伤特性研究

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材料导报 2022年第24期36卷 103-112页

作者：宋学朋郝宇鑫王石刘晨晖张辽中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

充填体的力学特性是充填配比设计和维护地下采场稳定性的关键指标,而加载速率变化与充填体所处环境(湿度、温度)不同均会对充填力学行为产生影响。本工作对不同含水率(干燥、饱水、自然)充填体开展了变加载速率(0.1 mm/min、0.25 mm/min... 详细信息

充填体的力学特性是充填配比设计和维护地下采场稳定性的关键指标,而加载速率变化与充填体所处环境(湿度、温度)不同均会对充填力学行为产生影响。本工作对不同含水率(干燥、饱水、自然)充填体开展了变加载速率(0.1 mm/min、0.25 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min、2 mm/min)的单轴抗压强度测试,获得了含水率和加载速率作用下的充填体力学参数和破坏模式,并依据能量守恒定理,研究了不同条件影响下充填体的能量演化规律,建立了基于能量的损伤变量。结果表明:(1)随着加载速率增加,充填体的抗压强度先增加再减小,存在临界加载速率;干燥和饱水对充填体的抗压强度和弹性模量分别具有强化和弱化效应,干燥导致充填体由延性向脆性转变,应力-应变曲线达到峰值应力后快速下降,而饱水虽有利于充填体的延性,但水的弱化作用使其在较小应变下即发生破坏。(2)加载速率由0.1 mm/min增加至2 mm/min,干燥充填体破坏模式由拉剪混合破坏逐渐向以拉伸为主的破坏模式转变,饱水充填体以拉伸破坏为主,而自然充填体整体上表现为拉剪混合破坏。(3)提高加载速率加快了充填体的能量交换,干燥、饱水和自然对充填体能量演化的影响主要体现在应力-应变曲线塑性屈服阶段与破坏阶段,耗散能-应变曲线的斜率由大到小顺序为干燥、饱水、自然。(4)基于能量演化的损伤特征曲线呈现出初始损伤、损伤稳定发展、加速损伤和破坏四个阶段,提高加载速率减小了加速损伤阶段的起始应变,干燥和饱水加剧了充填体损伤发展。该研究可为深入理解开采扰动引起的荷载变化和不同湿度条件下充填体的力学行为和稳定性提供理论依据。

关键词：尾砂胶结充填体加载速率含水率能量演化损伤特征

基于改进CRITIC-G1法组合赋权云模型的高阶段充填体稳定性分析

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重庆大学学报 2022年第2期45卷 68-80页

作者：王石魏美亮宋学朋刘武宋林江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

针对高阶段充填体稳定性风险评估过程中存在模糊性与随机性的特点,引入云模型理论,建立了高阶段充填体稳定性评判模型。以安庆铜矿等国内4座深井矿山为研究对象,选取坍落度、侧向暴露面积、充填料浆坡度、充填接顶效果等16项影响因素作... 详细信息

针对高阶段充填体稳定性风险评估过程中存在模糊性与随机性的特点,引入云模型理论,建立了高阶段充填体稳定性评判模型。以安庆铜矿等国内4座深井矿山为研究对象,选取坍落度、侧向暴露面积、充填料浆坡度、充填接顶效果等16项影响因素作为风险评估指标,借助云理论计算隶属于不同风险等级的各指标云模型参数,同时基于改进CRITIC-G1法,综合考虑指标之间的相关性与专家的理性判断,将主客观权重进行优化组合,最终根据评估指标的云数字特征和组合权重确定4座矿山充填体稳定性等级。研究结果表明,安庆铜矿、李楼铁矿、冬瓜山铜矿、司家营铁矿风险等级分别为Ⅳ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级,司家营铁矿充填体相对更稳定。与其他数学模型相比,该模型在保证结果准确的同时,利用云数字表征模糊性与随机性从而获得不同评估指标耦合作用下的充填体稳定性等级,实现了等级的可视化,具有一定的可靠性,为高阶段充填体稳定性风险评估提供了一种新方法。

关键词：高阶段充填体云模型改进CRITIC法组合赋权风险评估

含APAM的高浓度全尾砂料浆内部结构演化特征

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中国有色金属学报 2022年第11期32卷 3553-3566页

作者：王石魏美亮陶铁军宋学朋刘武喻海根江西理工大学资源与环境工程学院赣州341000 江西理工大学江西省矿业工程重点实验室赣州341000 贵州大学土木工程学院贵阳550025 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

矿山实际用于充填的全尾砂料浆往往低于设计浓度,且其中残留的絮凝剂对其内部结构影响甚大,全尾砂料浆的管道输送特征与之前大相径庭。为此,本文对添加和未添加阴离子聚丙烯酰胺(APAM)的全尾砂料浆开展了粒径测试、核磁共振(NMR)测试和... 详细信息

矿山实际用于充填的全尾砂料浆往往低于设计浓度,且其中残留的絮凝剂对其内部结构影响甚大,全尾砂料浆的管道输送特征与之前大相径庭。为此,本文对添加和未添加阴离子聚丙烯酰胺(APAM)的全尾砂料浆开展了粒径测试、核磁共振(NMR)测试和扫描电镜(SEM)测试,综合采用计算机图像处理技术与分形理论,量化了全尾砂料浆在不同时间的结构演化特征。结果表明:1)APAM的添加增强了颗粒间的凝聚作用,更多游离的细颗粒在絮凝剂高分子长链的作用下参与形成絮团,料浆中颗粒的粒径增大;2)APAM促进了活跃的自由水逐渐转变为稳定形态的吸附水和絮团水,絮团水比自由水更加稳定而不易析出,有利于流体流动向层流发展,料浆稳定性增强;3)APAM高分子通过吸附架桥作用使颗粒排列更加紧密,随着静置时间的延长,料浆内部絮网结构不断发育,尤其未添加与添加APAM料浆的结构系数在0~20 min期间分别从0.947、0.960上升至0.984、0.998;4)APAM增大了料浆的屈服应力和塑性黏度,进而增大了沿程阻力,对于消耗部分多余的重力势能、减轻管道磨损破坏程度具有积极作用。因此,建议根据全尾砂料浆在管道内的输送时间,以添加絮凝剂后料浆屈服应力的稳定值计算沿程阻力损失。

关键词：全尾砂料浆 APAM 絮网结构结构系数管道输送

基于水分迁移的不同质量分数全尾砂浆浑液面沉降规律

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中国矿业大学学报 2023年第1期52卷 63-75页

作者：王石刘武宋学朋魏美亮喻海根王晓军陶铁军江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000 江西理工大学江西省矿业工程重点实验室江西赣州341000 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025

全尾砂浆浓密是充填采矿的重要环节,而给料质量分数波动是影响料浆浓密效果的关键因素之一.此外,尾砂浓密过程中内部水分不断发生迁移变化,并受到给料质量分数和沉降时间的制约.本文基于全尾砂浆内部水分迁移变化探究全尾砂浆浑液面沉... 详细信息

全尾砂浆浓密是充填采矿的重要环节,而给料质量分数波动是影响料浆浓密效果的关键因素之一.此外,尾砂浓密过程中内部水分不断发生迁移变化,并受到给料质量分数和沉降时间的制约.本文基于全尾砂浆内部水分迁移变化探究全尾砂浆浑液面沉降特性.为此,针对不同给料质量分数的全尾砂浆开展了室内静态絮凝沉降、核磁共振(NMR)测试和现场工业试验.研究结果表明:全尾砂浆浑液面沉降效果与给料质量分数呈反比,沉降速度随着给料质量分数的增大而降低;给料质量分数和沉降时间显著影响全尾砂浆内部水分迁移变化,随着沉降时间由0.5 min延长至15 min,浑液面处全尾砂浆内部孔隙率减小,即总水分含量减少,表现为自由水含量减小,吸附水和絮团水含量增加,且随着给料质量分数的增加,吸附水、絮团水和自由水含量受沉降时间影响显著.全尾砂浆内部孔隙率、自由水与絮凝沉降浑液面高度存在较好的三次多项式函数关系,可根据水分迁移变化情况评判絮凝沉降效果.现场工业试验表明溢流水随着给料质量分数的增加而逐渐跑浑,当给料质量分数超过21%后,絮凝沉降效果立即变差,溢流水含固量迅速增加、浊度升至80~100 NTU.从砂浆内部水分迁移研究结果为尾砂絮凝沉降效果评估和絮凝沉降机理揭示提供一种新思路.

关键词：全尾砂浆给料质量分数絮凝沉降水分迁移浑液面

基于CRITIC-G1-TOPSIS法的爆破安全评价研究

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化工矿物与加工 2022年第4期51卷 41-44+50页

作者：石海天邓飞宋学朋江西理工大学资源与环境工程学院

爆破安全评价是一个多属性和多目标相互结合的复杂系统工程，传统评价方法存在计算量大、主观性强、结果不合理等问题。针对工程爆破中潜在的危险因素，基于层次分析原理，从安全4M(人为因素、管理因素、环境因素、技术因素)原则出发，... 详细信息

爆破安全评价是一个多属性和多目标相互结合的复杂系统工程，传统评价方法存在计算量大、主观性强、结果不合理等问题。针对工程爆破中潜在的危险因素，基于层次分析原理，从安全4M(人为因素、管理因素、环境因素、技术因素)原则出发，建立爆破安全评价体系；采用G1法确定主观权重、CRITIC法确定客观权重，结合两种方法的优点，获得各项评价指标的综合权重，利用TOPSIS法计算评价对象与正负理想解之间的距离和贴近度，以此判别安全程度；以新田萤石矿、石雷钨矿、武山铜矿的爆破开采为例，采用CRITIC-G1-TOPSIS法评价各矿山的安全状况，结果表明：新田萤石矿、石雷钨矿、武山铜矿的安全评价结果与正理想解的贴近度分别为0.510 0、0.603 8、0.519 2,即爆破安全评价结果从劣到优的排序为新田萤石矿、武山铜矿、石雷钨矿，评价结果与其他评价方法的结果基本吻合，表明将CRTIC-G1-TOPSIS法用于爆破安全评价是可行的。

关键词：工程爆破安全评价 CRITIC G1 TOPSIS 贴近度指标权重

基于云模型和改进CRITIC的深井垂直充填管道磨损风险评估

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重庆大学学报（自然科学版） 2020年第4期43卷 73-84页

作者：王石宋学朋石海天江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

为准确预测深井垂直充填管道磨损程度,建立了深井垂直充填管道磨损风险评估云模型。以金川龙首矿等国内4家深井矿山为例,选取料浆体积分数等14项因素作为风险评估指标。以指标作为云模型变量,根据云模型理论,选取适当的云模型数字特征;... 详细信息

为准确预测深井垂直充填管道磨损程度,建立了深井垂直充填管道磨损风险评估云模型。以金川龙首矿等国内4家深井矿山为例,选取料浆体积分数等14项因素作为风险评估指标。以指标作为云模型变量,根据云模型理论,选取适当的云模型数字特征;考虑指标之间的相关性以及指标内部变异程度对指标权重的影响,引入改进CRITIC法获取指标权重,计算评估对象隶属于风险等级的综合确定度,得到深井垂直充填管道磨损风险等级。研究结果表明,金川龙首矿、冬瓜山铜矿、孙村煤矿、广西高峰矿业垂直充填管道磨损风险等级分别为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅲ级。与其他评估方法进行对比显示,该计算模型将模糊性与随机性转化为确定度这一定量值,实现了定性到定量的映射,为深井垂直充填管道磨损类似问题的研究提供了新方法。

关键词：深井垂直充填管道云模型改进CRITIC 云发生器

碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体动静力学性能演化机制研究

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碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体动静力学性能演化机制研究

作者：宋学朋江西理工大学

学位级别：硕士

国家十三五重点研发计划“深部岩石力学与开采理论”项目,致力于创新与发展深部岩石力学和开采理论,其中充填采矿法是深部资源开采的首选采矿方法之一。深部开采面临高地应力、高岩爆问题,致使充填体的力学特性研究是矿山充填领域重要... 详细信息

国家十三五重点研发计划“深部岩石力学与开采理论”项目,致力于创新与发展深部岩石力学和开采理论,其中充填采矿法是深部资源开采的首选采矿方法之一。深部开采面临高地应力、高岩爆问题,致使充填体的力学特性研究是矿山充填领域重要内容之一。通常,以水泥为胶凝剂制备的充填体存在脆性高、抗裂性能差的缺点。植物纤维作为一种低成本、来源广的废弃物在水泥基材料方面研究广泛,但在矿山充填领域的研究鲜见报道。因此,本文致力于探索一种掺碱化水稻秸秆(Alkaline rice straw,ARS)的尾砂胶结充填体(Cemented tailings backfill,CTB)的动静力学特性,以期获得完整性较好、强度较高的充填体,同时为农业废弃物水稻秸秆的环境友好型处置提供新思路。本文基于室内试验、理论分析等研究方法,对掺不同长度和含量ARS的充填料浆开展了流动性测试;从准静态与动态两个方面出发,针对掺不同长度和含量ARS的CTB开展了力学特性研究,借助扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)和X射线衍射分析(X ray diffraction,XRD)探明了ARS改善充填力学性能的作用机理。并根据试验结果提出了针对ARS应用于矿山充填的工程建议与改进的充填系统。本文主要研究内容以及成果如下:(1)利用坍落度测试分析了掺不同长度和含量ARS的充填料浆流动性能。结果表明,掺ARS的充填料浆坍落度略微降低,坍落度最大仅减小5.6%。坍落度与ARS含量之间呈线性函数关系;当ARS含量相同,ARS长度与坍落度之间无明显函数关系。(2)从宏观上研究了掺不同长度和含量ARS的CTB抗压强度的演化规律,由此获得了ARS长度和含量与充填体抗压强度之间存在三次多项式函数关系。随着ARS长度由3mm增加至15mm,充填体抗压强度先增加再减小,12mm为最佳长度,在28d养护龄期抗压强度最大提高14.7%;ARS含量由0.1%增加至0.4%,抗压强度逐渐减小。此外,ARS提高了充填体的峰后残余强度以及韧性;当ARS长度为12mm时,充填体破坏后完整性更高。结合SEM和XRD分析,揭示了ARS影响充填体抗压强度的作用机理。(3)探索了ARS长度和含量对CTB抗拉强度的影响规律。ARS长度和含量与充填体抗拉强度之间仍然存在三次多项式函数关系,且12mm长度为最佳长度。随着ARS含量增加,抗拉强度逐渐增加。在7、14与28d养护龄期,掺ARS的充填体抗拉强度最大提高率分别为27.9、21.5、33.9%。ARS提高了充填体峰值应变,有利于延缓充填体发生拉伸破坏的时间。(4)基于抗压强度和抗拉强度测试结果,固定ARS长度为12mm,开展了掺不同含量ARS的CTB动态冲击试验。结果表明,在单轴单次冲击下掺与未掺ARS的充填体均具有显著的应变率强化效应,且掺ARS的充填体动态抗压强度普遍提高。随着ARS含量逐渐由0%增加至0.4%,充填体的动态抗压强度先增加再减小,ARS最佳含量为0.3%。建立了适用于掺ARS的CTB的动态损伤本构模型,分析了ARS影响下充填体动态损伤演化规律。此外,探讨了循环冲击荷载下掺ARS的充填体动态抗压强度、应力-应变曲线、破坏形态随冲击次数和ARS含量的演化规律。(5)依据室内试验研究和理论分析结果,以嗣后充填采矿法、下向分层进路充填采矿法以及房柱法中的矿柱回采为工程背景,提出了针对ARS应用于矿山充填实践的工程建议。同时,建立了针对ARS的改进的充填系统。

关键词：碱化水稻秸秆尾砂胶结充填体 SHPB 动静力学性能微观结构

冲击荷载下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的力学性能及能耗特征

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矿业研究与开发 2022年第3期42卷 46-53页

作者：喻海根王石宋学朋魏美亮刘武陶铁军张帅江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州市341000 江西省矿业工程重点实验室江西赣州市341000 贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025

为了解中等应变速率下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的动载强度、应力-应变、能量演化及破坏形态特征,采用分离式霍普金森压杆系统对不同掺量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的尾砂胶结充填体进行了单轴单次冲击荷载试验。试验结果表... 详细信息

为了解中等应变速率下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的动载强度、应力-应变、能量演化及破坏形态特征,采用分离式霍普金森压杆系统对不同掺量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的尾砂胶结充填体进行了单轴单次冲击荷载试验。试验结果表明:充填体的动态抗压强度与平均应变率呈正相关关系,碱化水稻秸秆的掺入可有效提高充填体的动态抗压强度,且随碱化水稻秸秆掺量的增加,充填体的动态抗压强度先增大后减小,最佳掺量为0.3%,动态抗压强度最大增幅为26.81%;单次冲击荷载下,掺碱化水稻秸秆的充填体相比于未掺碱化水稻秸秆的充填体应变更大,但破坏程度更小;同一应变率下,充填体的单位体积吸收能和单位质量破碎耗能均随平均应变率的增大呈现类似指数增长规律,掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的能量水平、吸能性能,且破碎时需要消耗更多的能量;单次冲击荷载下,充填体的破坏形态主要为宏观上的轴向主裂纹拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率超过临界应变率时,充填体破坏形态多为压碎破坏;碱化水稻秸秆在充填体基体内部起到桥连作用,从而减缓充填体裂纹的扩展与能量的释放,使掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的临界应变率,显著提高充填体的稳定性与完整性,有利于改善井下作业环境的安全性。

关键词：尾砂胶结充填体碱化水稻秸秆冲击荷载力学性能能耗特征 SHPB

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基于多维云模型的充填管道堵塞风险评估

煤炭科学技术 2021年第9期49卷 95-102页

作者：宋学朋柯愈贤魏美亮石海天廖宝泉江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

管道堵塞是充填系统主要失效事故之一,严重阻碍了充填作业的正常进行。为准确预测充填管道堵塞风险,基于充填管道堵塞不确定性与模糊性的特点,引进多维云模型对管道堵塞风险进行评估。选取充填倍线等11项指标因素作为多维云模型变量,根... 详细信息

管道堵塞是充填系统主要失效事故之一,严重阻碍了充填作业的正常进行。为准确预测充填管道堵塞风险,基于充填管道堵塞不确定性与模糊性的特点,引进多维云模型对管道堵塞风险进行评估。选取充填倍线等11项指标因素作为多维云模型变量,根据云理论确定数字特征;考虑到管道堵塞是由多指标共同作用的结果,采用改进CRITIC法对指标值进行处理,与多维云模型耦合得到评估对象隶属于不同风险等级的综合确定度,以此判定充填管道堵塞风险等级。对国内4家采用充填采矿法矿山的充填管道堵塞风险进行评估,结果表明:金川龙首矿、河东金矿、大红山铜矿、新城金矿充填管道堵塞风险等级分别为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅲ级。通过与模糊数学、未确知测度理论、一维云模型和SPA-AHP等评估方法进行对比,本文方法与其他方法获得的大红山铜矿的管道堵塞风险等级分别为Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅲ、Ⅱ级,该计算模型确定的风险等级在满足评估结果准确的前提下,对评估结果更加严格,实践中更能确保安全,也为充填管道堵塞风险预测提供了新方法。

关键词：管道堵塞多维云模型云发生器确定度