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Mechanical properties and failure modes of stratified backfill under triaxial cyclic loading and unloading

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International Journal of Mining Science and Technology 2019年第5期29卷 809-814页

作者： Wang Jie Song Weidong Cao Shuai Tan Yuye School of Civil and Resource Engineering University of Science and Technology BeijingBeijing 100083China State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education Beijing 100083China

Multiple filling of gobs will lead to a layered structure of the backfill.To explore the influence of layering structure on the mechanical properties and failure modes of backfill,different backfill specimens were prepared with a cement/sand ratio of 1:4,a slurry concentration of 75%,and backfilling times of 1,2,3 and 4,separately.Triaxial cyclic loading and unloading experiments were carried out.The results show that with an increase in backfilling time,the peak strength of backfill decreases as a polynomial function and the peak strain increases as an exponential function.The cyclic load enhances the linear characteristic of backfill deformation.The loading and unloading deformation moduli have a linear negative correlation with the backfilling time.The unloading deformation modulus is always slightly higher than the loading deformation modulus.The failure modes of stratified backfill are mainly characterized by conjugate shear failure at the upper layer and tensile failure across the layer plane,and there is usually no damage in the lower layer away from the loading area.

关键词： Stratified backfill Triaxial cyclic loading and unloading Mechanical properties Failure modes Deformation modulus

Damage evolution of rock-encased-backfill structure under stepwise cyclic triaxial loading

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第2期16卷 597-615页

作者： Xin Yu yuye tan Weidong Song John Kemeny Shengwen Qi Bowen Zheng Songfeng Guo Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering Institute of Geology and GeophysicsChinese Academy of SciencesBeijing100089China Innovation Academy for Earth Science Chinese Academy of SciencesBeijing100089China University of Chinese Academy of Sciences Beijing100049China School of Civil and Resources Engineering University of Science and Technology BeijingBeijing100083China Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education of China) University of Science and Technology BeijingBeijing100083China Department of Mining and Geological Engineering University of ArizonaTucsonAZ86721USA

Rock-encased-backfill(RB)structures are common in underground mining,for example in the cut-andfill and stoping methods.To understand the effects of cyclic excavation and blasting activities on the damage of these RB structures,a series of triaxial stepwise-increasing-amplitude cyclic loading experiments was conducted with cylindrical RB specimens(rock on outside,backfill on inside)with different volume fractions of rock(VF=0.48,0.61,0.73,and 0.84),confining pressures(0,6,9,and 12 MPa),and cyclic loading rates(200,300,400,and 500 N/s).The damage evolution and meso-crack formation during the cyclic tests were analyzed with results from stress-strain hysteresis loops,acoustic emission events,and post-failure X-ray 3D fracture morphology.The results showed significant differences between cyclic and monotonic loadings of RB specimens,particularly with regard to the generation of shear microcracks,the development of stress memory and strain hardening,and the contact forces and associated friction that develops along the rock-backfill interface.One important finding is that as a function of the number of cycles,the elastic strain increases linearly and the dissipated energy increases exponentially.Also,compared with monotonic loading,the cyclic strain hardening characteristics are more sensitive to rising confining pressures during the initial compaction stage.Another finding is that compared with monotonic loading,more shear microcracks are generated during every reloading stage,but these microcracks tend to be dispersed and lessen the likelihood of large shear fracture formation.The transition from elastic to plastic behavior varies depending on the parameters of each test(confinement,volume fraction,and cyclic rate),and an interesting finding was that the transformation to plastic behavior is significantly lower under the conditions of 0.73 rock volume fraction,400 N/s cyclic loading rate,and 9 MPa confinement.All the findings have important practical implications on the ability of backfill to support underground ex

关键词： Rock and backfill Triaxial cyclic loading Volume fraction Damage evolution 3D visualization

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充填体包裹岩石组合强度与破坏机理研究

中国矿业大学学报 2023年第1期52卷 30-42页

作者：余昕谭玉叶宋卫东汪杰北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向,对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一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... 详细信息

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向,对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一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,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.结果表明:充填体能够抑制尺寸效应对岩石破裂模式产生的影响;BR试件的三轴全应力-应变曲线呈现出多峰值、阶梯式下降现象,兼具脆性和延性破坏特征;随着围压的增加,BR试件破裂模式以剪切破坏为主,趋于集中在上端部;结构面抑制了BR试件的侧向形变.基于试验结果和连续介质理论,从力学角度分析了BR组合结构的三向受力机理,构建了组合破坏强度模型.研究结论对于补充充填体与岩石相互作用理论研究和优化地下充填采场结构稳定性控制具有重要的科学意义.

关键词：充填体包裹岩石三轴压缩力学特性破裂模式接触面

节理面形貌参数相关性分析及粗糙度量化分级研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2019年第1期46卷 124-132页

作者：付建新宋卫东谭玉叶北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

以岩石自然节理面为研究对象,对节理面形貌进行了测量,建立了节理面三维形貌图,在此基础上计算得到了5个形貌参数,以中心线平均高度均方根为基准,对参数之间的相关性进行了研究.在形貌参数测量的基础上,选取3个形貌参数,采用模糊数学方... 详细信息

以岩石自然节理面为研究对象,对节理面形貌进行了测量,建立了节理面三维形貌图,在此基础上计算得到了5个形貌参数,以中心线平均高度均方根为基准,对参数之间的相关性进行了研究.在形貌参数测量的基础上,选取3个形貌参数,采用模糊数学方法,实现节理面粗糙度的量化,对粗糙度进行了分级,并对形貌参数与粗糙程度指标之间的依存关系进行了研究.研究表明,中心线平均高度与均方根呈线性正比例关系,峰态系数、偏度系数及表面微凸体倾角均方根值与中心线平均高度均方根值的比值与中心线平均高度的均方根值为幂函数关系.粗糙度量化分级研究结果表明,粗糙度量化分级指标与静摩擦因数及静摩擦角有明显正比例线性关系,静摩擦因数、静摩擦角及量化分级指标与中心线平均高度均方根值的比值与中心线平均高度均方根值为幂函数关系.通过各参数相互之间的定量函数关系,可得到相关性系数,进而实现形貌参数对节理面粗糙程度及摩擦力的估算.

关键词：岩石断裂三维形貌均方根值粗糙度量化分级

缓倾斜厚大矿体崩落法开采隐伏空区顶板冒落过程及机理研究

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采矿与安全工程学报 2017年第5期34卷 891-898页

作者：付建新杜建华谭玉叶北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

以程潮铁矿西区开采为工程背景,对无底柱分段崩落法开采过程中,隐伏采空区顶板的冒落过程及破坏形式进行了深入的研究。首先,通过钻孔闭合回路,对顶板冒落过程进行了实时监测,并结合井下开采过程对采空区顶板冒落过程进行了时空分析。然... 详细信息

以程潮铁矿西区开采为工程背景,对无底柱分段崩落法开采过程中,隐伏采空区顶板的冒落过程及破坏形式进行了深入的研究。首先,通过钻孔闭合回路,对顶板冒落过程进行了实时监测,并结合井下开采过程对采空区顶板冒落过程进行了时空分析。然后,基于室内相似材料试验模拟,对隐伏空区顶板变形规律及破坏形式进行了研究,绘制了围岩变形矢量图。研究表明,程潮铁矿隐伏采空区顶板的冒落经历了缓慢冒落(冒落停止)→突然冒落→缓慢冒落(冒落停止)→突然冒落的过程,并与岩石质量及关键层密切相关。冒落带上方岩层往往发生"简支梁"型破坏,顶板发生拉破坏,而拱脚及两侧发生压剪破坏。本文的研究成果,初步揭示了缓倾斜厚大矿体崩落法开采过程中,隐伏采空区顶板的冒落机理,对崩落法开采矿山的安全生产有重要的工程意义。

关键词：缓倾斜厚大矿体崩落法隐伏采空区冒落过程破坏机理

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采空区复杂顶板的三维分形特性及曲面模拟

中南大学学报（自然科学版） 2018年第2期49卷 431-438页

作者：付建新宋卫东谭玉叶北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

以石人沟铁矿采空区探测为工程背景,首先基于分形理论,对采空区复杂顶板的三维分形特性进行定量研究,得到对应的分维值。针对采空区顶板具有自相似性的特点,应用参数方程分形插值迭代函数系统,对采空区顶板进行模拟分析。在现场有限的... 详细信息

以石人沟铁矿采空区探测为工程背景,首先基于分形理论,对采空区复杂顶板的三维分形特性进行定量研究,得到对应的分维值。针对采空区顶板具有自相似性的特点,应用参数方程分形插值迭代函数系统,对采空区顶板进行模拟分析。在现场有限的已知点的基础上,对采空区顶板曲面进行模拟重构。研究结果表明:采空区顶板具有明显的分形特性,顶板的三维分维值综合反映了边界线的复杂程度、暴露面积及垂直方向上起伏的剧烈程度,定量地表征了顶板的非线性程度;最终模拟重构的精度与参数ci密切相关,ci越小模拟精度越大,越接近实际情况。采空区的分形特性从本质上反映了采空区边界的非线性特征。

关键词：采空区复杂顶板分形理论分形插值曲面模拟

双层采空区重叠率对隔离顶柱稳定性影响分析及其力学模型

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采矿与安全工程学报 2018年第1期35卷 58-63页

作者：付建新宋卫东谭玉叶北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

目前房柱法仍是金属矿山主要的开采方法之一,由于采空区处理得不及时,往往形成大量的双层采空区,此时,隔离顶柱的稳定性及重叠率是影响采空区稳定性的主要因素。考虑不同重叠方式的双层采空区应力传递的不同,基于弹塑性理论,建立双层采... 详细信息

目前房柱法仍是金属矿山主要的开采方法之一,由于采空区处理得不及时,往往形成大量的双层采空区,此时,隔离顶柱的稳定性及重叠率是影响采空区稳定性的主要因素。考虑不同重叠方式的双层采空区应力传递的不同,基于弹塑性理论,建立双层采空区重叠隔离顶柱的二维固支梁简化力学模型,并以石人沟铁矿为工程案例,分析重叠率对隔离顶柱稳定性的影响规律。结果表明,双层采空区的不完全重叠造成地下应力传递的变化,使隔离顶柱不同区域的受力明显不同,从而造成内部应力及位移的突变,随着重叠率的增加,突变的程度越大,最终非重叠区域远远大于重叠区域,因此实际工程中要重点关注该区域的稳定性。

关键词：双层采空区重叠率隔离顶柱稳定性力学模型

考虑卸荷应力路径的深部采空区失稳局部能量释放判别准则

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岩石力学与工程学报 2016年第2期35卷 217-224页

作者：付建新宋卫东谭玉叶北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

对采空区形成过程中围岩应力路径特征进行分析,并对卸荷荷载进行求解。基于深部开采应力卸荷机制,以程潮铁矿为工程背景,建立深部采空区卸荷失稳分析模型,引入局部能量释放率指标对采空区卸荷过程中能量演化规律进行分析,并基于尖点突... 详细信息

对采空区形成过程中围岩应力路径特征进行分析,并对卸荷荷载进行求解。基于深部开采应力卸荷机制,以程潮铁矿为工程背景,建立深部采空区卸荷失稳分析模型,引入局部能量释放率指标对采空区卸荷过程中能量演化规律进行分析,并基于尖点突变理论建立了围岩失稳局部能量判别准则。研究表明,随着开采的进行,采空区围岩局部能量释放能呈4次多项式增长,增加速率逐渐增加;局部能量突变判别值计算表明,最终采空区系统处在稳定状态,虽然底部结构中的塑性区体积最大,但其对应的单位体积局部能量释放率相对较小,说明相对稳定性较好。局部能量释放率分布云图表明,水平方向上以能量释放为主,垂直方向上以能量集中为主,符合深部开采特征。综上所述,深部卸荷力学模型能有效体现采空区形成过程中围岩的稳定状态,局部能量释放率反应能量释放、转移及耗散等动态过程,为深部采空区稳定性研究提供了重要的参考。

关键词：采矿工程深部矿山采空区卸荷局部能量释放率尖点突变

崩落法开采塌陷区上覆黄土层降雨入渗机理研究

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中国矿业大学学报 2015年第2期44卷 349-353,366页

作者：付建新谭玉叶宋卫东北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室土木与环境工程学院北京100083

以程潮铁矿东区为工程背景,东部塌陷区上覆黄土层为典型的非饱和土,基于非饱和土中水的基本运动方程建立了降雨一维入渗数学模型,并编制了计算程序;对不同条件下的入渗过程进行了详细分析,并研究了开采强度对降雨入渗时间的影响规律,计... 详细信息

以程潮铁矿东区为工程背景,东部塌陷区上覆黄土层为典型的非饱和土,基于非饱和土中水的基本运动方程建立了降雨一维入渗数学模型,并编制了计算程序;对不同条件下的入渗过程进行了详细分析,并研究了开采强度对降雨入渗时间的影响规律,计算得到了不同条件下雨水渗透通过整个黄土层所需的时间.结果表明:黄土层的雨水入渗与降雨强度和土体初始体积含水率等有密切的关系,其中土体初始体积含水率影响程度较大,初始体积含水率越大,雨水入渗速度越快;入渗时间随开采强度的增加呈指数增长,表明崩落开采对上覆黄土层的雨水入渗有显著的影响.研究成果可为降雨情况下井下水量的变化规律提供理论依据,并为井下泥石流灾害预测预报提供重要参考.

关键词：崩落法塌陷区降雨入渗入渗时间井下泥石流