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LA103Z镁锂合金热管组织及性能研究

LA103Z镁锂合金热管组织及性能研究

作者：沈亚肇北京有色金属研究总院

学位级别：硕士

随着轻量化需求的不断增加,轻质高强的高效传热零部件成为各国的研发重点,其中LA103Z镁锂合金热管性能优越,应用前景广阔。本论文对挤压态热管进行固溶、时效和退火工艺研究,提高综合性能。挤压态热管中α-Mg相沿挤压方向呈长条分布,β... 详细信息

随着轻量化需求的不断增加,轻质高强的高效传热零部件成为各国的研发重点,其中LA103Z镁锂合金热管性能优越,应用前景广阔。本论文对挤压态热管进行固溶、时效和退火工艺研究,提高综合性能。挤压态热管中α-Mg相沿挤压方向呈长条分布,β-Li相保持近等轴状。直径约1.6μm的颗粒状第二相为AlLi、LiZn,沿挤压方向形呈带状分布的第二相为Mg2Si。热管的室温抗拉强度170±1 MPa、屈服强度137±1 MPa、延伸率49.5±5%,90℃时抗拉强度90±2 MPa、屈服强度59±1 MPa、延伸率65±17%,强度有待提高。固溶处理时,α-Mg相向β-Li相的转化先于第二相的溶解,基体两相转化时的位向为(0001)α-Mg//(11 0)β-Li,[1120]α-Mg//[111]β-Li。温度从 400℃升高到420℃,α-Mg/β-Li界面趋于半共格。固溶完全后,β-Li相基体内形成亚稳态的Li2MgAl相,与β-Li 相的位向关系为(011)Li2MgAl//(011)β-Li,[100]Li2MgAl//[100]β-Li,二者界面也趋于半共格。400℃/15 min时弥散颗粒相完全溶解,抗拉强度峰值为375.5±2.5MPa,延伸率为4.5±1%,400℃/35 min时得到β-Li单相过饱和固溶体,抗拉强度为332±4 MPa,延伸率为16±2%,塑性明显提升。结果表明,LA103Z镁锂合金热管中固溶强化对强度的提升大于基体共格强化和第二相析出强化。固溶态热管的时效峰值温度为133℃和225℃。时效制度为133℃/4h,亚稳态的Li2MgAl相得保留,α-Mg以针状重新生成,主要的强化效果由固溶原子提供强化转变为第二相提供。时效制度为225℃/4h,亚稳态的Li2MgAl转变为AlLi相,α-Mg相呈球状重新生成,进一步削弱了析出强化的效果。时效温度升高和时间延长,热管强度降低。较优的时效工艺为100℃/4h,此时抗拉强度为245±2 MPa,屈服强度为202±2 MPa,延伸率为16±3%。退火温度升高,长条状α-Mg相变为等轴状,β-Li相晶粒长大,300℃时挤压态特征消失;时间延长,300℃/30 min和90 min空冷后出现大量的晶界析出,降低强度;冷速过慢,第二相的数量明显增多,冷速过快,引起较大的热应力。较优的退火工艺为300℃/60 min空冷,抗拉强度为253±3 MPa,屈服强度为203±2 MPa,延伸率为27±3%,与固溶时效态的最优性能相近,但工序更加简化,热应力更小,随后的高温力学性能验证了该工艺的可行性与优越性。

关键词：镁锂合金热管挤压变形热处理显微组织力学性能

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深部复合地层巷道TBM掘进卡机预防方法

煤炭技术 2023年第3期42卷 44-48页

作者：宋晓林侯涛谢中辉崔国岗丁自伟黄兴贾金兑陕西正通煤业有限责任公司陕西咸阳712000 西安科技大学能源学院西安710054 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

基于陕西正通煤业西区辅运大巷TBM掘进工程背景,采用现场调研、理论分析及现场试验综合研究方法,以敞开式TBM硬岩掘进机为例,研究应用“鲁淄一号”国内矿用最大直径敞开式掘进机工程实践,探索研究深部复合地层掘进卡机机理,结合正通煤... 详细信息

基于陕西正通煤业西区辅运大巷TBM掘进工程背景,采用现场调研、理论分析及现场试验综合研究方法,以敞开式TBM硬岩掘进机为例,研究应用“鲁淄一号”国内矿用最大直径敞开式掘进机工程实践,探索研究深部复合地层掘进卡机机理,结合正通煤业地质条件、地应力、TBM设备参数、支护设计等因素,对掘进过程中卡机风险进行分析,最后从支护设计、掘进机设备参数2方面出发,针对性提出了巷道掘进TBM卡机预防方法。研究通过现场实践解决了TBM掘进卡机预防应用难题,使月进尺达到305 m,相比传统综掘进尺提升了1.5倍。

关键词：高地应力复合地层巷道挤压变形 TBM掘进卡机预防

圆柱型锂离子电池在挤压工况下安全性能测试研究

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圆柱型锂离子电池在挤压工况下安全性能测试研究

作者：王兆俭长安大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车以及动力电池的快速发展,锂离子电池得到快速应用的同时也带来了安全性问题。本论文以21700锂电池为例,通过试验和建模的方式研究了电池在挤压载荷下的安全性能与变形失效行为,主要的研究结果如下:1、对锂电池单体进行径... 详细信息

随着新能源汽车以及动力电池的快速发展,锂离子电池得到快速应用的同时也带来了安全性问题。本论文以21700锂电池为例,通过试验和建模的方式研究了电池在挤压载荷下的安全性能与变形失效行为,主要的研究结果如下:1、对锂电池单体进行径向压缩试验。根据试验结果,21700锂电池在径向挤压时的变形极限在10.3mm左右。电池受载变形后,SOC越高其承载能力越大,SOC并不会影响电池的失效位移。在电池发生短路后,SOC越高导致放热反应越剧烈。充放电循环次数对电池结构刚度的影响较小,但电池失效位移明显提前。高温环境对电池有软化作用,在高温下的循环时间越长,其高温环境对电池的软化现象越明显。2、对锂电池单体进行局部压缩试验。不同压头形状影响了电池短路失效的峰值载荷与失效位移。不同的压缩位置与不同挤压尺寸都是对失效峰值载荷有较大影响,不会影响电池的失效位移。电池壳只会稍微影响电池前期的刚度变化,对电池的失效时可容许的变形量没有产生太大影响。电池单体在同一种挤压工况下所能承受的变形及短路是一致的,当电池受到剪切载荷时电池内芯越容易提前发生失效,所以电池失效主要与电池内芯的力学特性有关。3、对锂电池正负极进行了拉伸与压缩试验。电池正负极的拉伸行为主要表现的是集流体的力学特性,正负极的压缩行为主要表现是活性涂层的力学特性。在不同循环下,随着循环次数的增加正极的拉伸断裂应变逐渐减小,而负极的拉伸最大应力会逐渐降低,正极叠层的力学行为变化很小,负极的压缩曲线逐渐右移,压缩模量减小,最大应力降低。高温环境对负极的拉伸行为没有太大影响,正极拉伸力学行为稍有变化,对正负极的压缩行为没有变化。4、在ABAQUS有限元软件中建立锂电池单体均质化的模型,模型结果具有较好的拟合性。在局部圆弧面压缩时,最大的应力分布在压头接触区域的下面,而在局部矩形面与圆面压缩时,内芯失效主要发生在与尖头压头接触的单元附近。之后基于Mohr-Coulomb失效准则,确定断裂平面表达式σ=0.849σ+0.066,用以预测不同工况挤压变形下电池的失效行为。建立了圆柱型锂电池有内芯叠层的精细化有限元模型,对电池的正极、负极、隔膜的变形过程进行模拟分析。

关键词：锂离子电池安全性能高温循环挤压变形

Zn、Zr、Gd元素对Mg-2Bi合金组织及力学性能影响研究

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Zn、Zr、Gd元素对Mg-2Bi合金组织及力学性能影响研究

作者：王睿仪西安工业大学

学位级别：硕士

镁合金因密度低、比强度高等优势,在轻量化结构材料领域中拥有广阔的应用前景。但其自身的密排六方结构存在对称性低、可同时开动的滑移系少等特性,导致其塑性较差、各向异性,使得镁合金应用范围受到局限。在装备需要日益严苛的背景下,... 详细信息

镁合金因密度低、比强度高等优势,在轻量化结构材料领域中拥有广阔的应用前景。但其自身的密排六方结构存在对称性低、可同时开动的滑移系少等特性,导致其塑性较差、各向异性,使得镁合金应用范围受到局限。在装备需要日益严苛的背景下,研制出同时具备高强度和高塑性的材料是非常有实际意义的。加入合金化元素是提高镁合金综合性能的有效途径之一,而Mg-Bi合金因Bi元素的固溶强化作用,能在一定程度上解决其强度较低的问题,但仍存在塑性较差的缺点。故在Mg-Bi合金基础上添加第三组元元素,在兼顾高强度的同时又具有高塑性,也可为镁合金的成分设计提供支撑。本文借助光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射仪(EBSD)、显微硬度计和电子万能试验机等表征及测试手段,首先研究了Mg-2Bi-x Zn(x=0.51、1.03、2.04wt%)合金铸态、均质态、挤压态的显微组织与在挤压温度200℃、挤压速率1.7mm/s不同挤压比(即22:1、19:1)下力学性能的变化。研究发现随Zn含量增加,铸态平均晶粒尺寸由297.57μm下降到245.36μm。合金在挤压比为22:1条件下,拉伸断裂延伸率随Zn含量的增多而不断上升,Mg-2Bi-2.04Zn达到最大(～19.2%)。而屈服强度却先上升后下降,Mg-2Bi-1.03Zn合金达到屈服强度的峰值,其值为280.2MPa。而挤压比为19:1条件下,随Zn含量增多,屈服强度与延伸率均逐渐上升,Mg-2Bi-2.04Zn合金的抗拉强度(～223.7MPa)和延伸率(～24.1%)达到最大。因此,Zn的加入会提高Mg-2Bi合金的断裂延伸率。然后研究了Mg-2Bi-y Zr(y=0.12、0.51、0.65wt%)合金铸态、均质态、挤压态的显微组织与在挤压温度200℃、挤压速率1.7mm/s不同挤压比(即22:1、19:1)下力学性能的变化。研究发现当添加的Zr含量增加时,铸态平均晶粒尺寸由264.78μm下降到90.87μm。合金在挤压比为22:1条件下,拉伸屈服强度与抗拉强度均逐渐下降,分别从最初的236.5MPa、250.9MPa降低到135.7MPa、211.7MPa。而断裂延伸率逐渐提高,Mg-2Bi-0.65Zr达到最大(～21.6%)。在挤压比为19:1条件下,Zr含量由0.12wt%添加到0.65wt%,拉伸抗拉强度与屈服强度、延伸率均逐渐下降,分别由28.8%、203.3MPa、197.8MPa减少到15.3%、185.1MPa、176.4MPa。因此,Zr的加入会降低Mg-2Bi合金的强度。最后研究了Mg-2Bi-z Gd(z=0.23、0.46、1.13、1.84wt%)合金铸态、均质态、挤压态的显微组织与在挤压温度200℃、挤压速率1.7mm/s不同挤压比(即22:1、19:1)下力学性能的变化。研究发现随Gd含量的增加,铸态晶界逐渐由河流状转变为局部连续状。合金在挤压比为22:1条件下,随Gd含量的增多,抗拉强度与屈服强度均先上升后下降再上升,当Gd元素的质量分数为0.46%时,抗拉强度(～256.7MPa)和屈服强度(～233.3MPa)达到最大。而断裂延伸率先上升后下降,Mg-2Bi-1.13Gd达到最大(～9.7%)。挤压比为19:1条件下,抗拉强度与屈服强度先下降后上升,Mg-2Bi-1.84wt%Gd抗拉强度(～220.2MPa)和屈服强度(～201.5MPa)达到峰值,而延伸率先上升后下降。综上,在温度200℃、挤压速率1.7mm/s挤压比为22:1条件下,Mg-2Bi-2.04wt%Zn合金能同时满足高强度和高塑性的性能需求。其抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率分别为321.0MPa、267.9MPa、19.2%。

关键词： Mg-2Bi三元合金挤压变形微观组织力学性能

Mg-Sm（-Mn）合金微观结构、力学和导热性能研究

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Mg-Sm（-Mn）合金微观结构、力学和导热性能研究

作者：张浩哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

镁合金主要具有密度低、比强度高、对电磁的屏蔽性好、优良的导热性等多方面的优势,目前在航空航天、机械交通、电子通讯等领域有着巨大的应用潜力。近年来,随着科技的飞速发展,电子产品元器件的集成度越来越高,性能不断提升的代价则是... 详细信息

镁合金主要具有密度低、比强度高、对电磁的屏蔽性好、优良的导热性等多方面的优势,目前在航空航天、机械交通、电子通讯等领域有着巨大的应用潜力。近年来,随着科技的飞速发展,电子产品元器件的集成度越来越高,性能不断提升的代价则是主板发热量越来越大,特别是手机、平板等小型便携式电子设备,因此要求这类设备的外壳材料在兼顾一定强度的同时还应当具有良好的导热性能,这样的外壳材料才能在保护内部精密元器件的同时起到类似均热板的散热作用,以保证电子设备的正常运行。因此,对兼顾一定力学性能与导热性能镁合金的研究开发具有重要意义,但如何做到二者性能协同提升或相对平衡仍具有一定的挑战。纯镁虽然导热性能极佳,但力学性能严重不足,不能够直接作为承载结构件来实际应用,因此需要对其进行合金化来提高材料基本的力学性能。在同一合金体系中,力学性能与导热性能往往相互制衡,纯镁中加入任何金属元素都会在一定程度上对电子造成散射,使得材料的热导率发生下降。本研究选用固溶度随着温度降低而急剧下降的稀土Sm元素进行合金化,较低的固溶原子含量有利于减小对导热性能的影响,Sm元素成本低廉,并且其具有配比用量小但强化作用显著的优势,成为镁合金强化过程中重要的合金化元素。实验共设计了两种成分合金,一种为基础的二元Mg-5Sm合金,另一种为三元Mg-5Sm-1Mn合金,加入Mn元素的意义在于其可以细化晶粒,并且Mn元素不与Mg形成任何金属间化合物,几乎不固溶于Mg基体中,在对导热性能尽可能小的影响前提下为合金力学性能起到一定的强化作用,与二元Mg-5Sm合金起到横向对比的作用。本研究主要分为铸态及其热处理状态、挤压变形及其时效态和挤压后预拉伸二次变形并时效态三部分,探究不同工艺条件下合金微观组织的变化对力学及导热性能的影响规律。铸态及其热处理状态下两种合金的力学性能相对较低,固溶时效处理对铸态合金的力学性能起到了一定的强化作用,但固溶处理导致基体中的Sm原子含量增加,使得热导率急剧下降,而在接下来的时效处理之后,由于纳米MgSm相的沉淀析出,导热性能又重新得到改善;合金经过挤压变形之后由于细晶强化作用,材料的强度以及延伸率对比铸态有较大的提升,对挤压态合金进行时效热处理后,虽然时效硬化会导致材料延伸率发生下降,但由于析出了大量的纳米MgSm相使得材料的强度得到了进一步提高,同时由于基体中固溶的Sm原子含量下降,缺陷对电子移动的阻碍作用减小,因此热导率随即也得到了提升;最后对挤压态合金进行预拉伸二次变形并做时效热处理,挤压态合金经过10%形变量的预拉伸处理后,晶粒尺寸并未有较大改变,晶界面积基本没有变化,而在微观层面上引入了大量的位错缺陷,这些缺陷为时效析出相提供了更多的形核位点,对比纯挤压并时效态,时效所析出的纳米MgSm相更为密集。将预拉伸二次变形的处理手段与力学及导热性能研究相结合,虽然更多的位错缺陷在提高材料强度的同时也可能会使热导率发生下降,但得益于更致密的纳米MgSm相的沉淀析出,热导率反而会有所提高,综合这两方面的影响,最终结果是可以在保证两种合金导热性能基本不发生下降的前提下,材料的强度进一步得到提高,Mg-5Sm合金最终的屈服强度为209 MPa,延伸率为17%,热导率为103 W/m·K,Mg-5Sm-1Mn合金最终屈服强度为230 MPa,延伸率为14%,热导率为95 W/m·K。两种合金横向对比来看,加入Mn元素后,不论是铸态还是挤压变形态,三元Mg-5Sm-1Mn合金的晶粒尺寸相较于二元Mg-5Sm合金的更为细小,因此三元合金的强度会相对较高,但由于三元Mg-5Sm-1Mn合金晶界面积相对较大,同时在基体中还存在纳米Mn颗粒,对电子所产生的散射作用较二元合金要强,电子的平均自由程下降,所以热导率对比二元合金有所降低。

关键词：镁合金挤压变形热处理力学性能导热性能

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Al对变形镁合金组织和力学性能的影响

热加工工艺 2006年第21期35卷 24-25,29页

作者：王建军王智民陈淑惠南欢陕西工业职业技术学院材料工程系陕西咸阳712000 西安理工大学材料科学与工程学院陕西西安710048

将熔炼制得的铸态镁合金通过挤压变形的方法加工成棒材，采用扫描电镜分析等手段对试样的显微组织进行观察和分析，并对试样进行力学性能测试，探讨Al元素成分变化对变形镁合金组织和力学性能的影响规律。

关键词：镁合金挤压变形组织和性能

生物医用Mg-2Zn-0.2Mn镁合金的制备和性能研究

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生物医用Mg-2Zn-0.2Mn镁合金的制备和性能研究

作者：王星浩西南交通大学

学位级别：硕士

生物医用植入材料经过多年的发展,已经不再简单的追求机械强度和生物惰性。植入体替代病变组织与器官发挥力学作用的同时,参与生命体正常新陈代谢,诱导组织修复,发挥生物学功能并在组织修复过程中逐渐降解吸收,成为再生医学材料研发的... 详细信息

生物医用植入材料经过多年的发展,已经不再简单的追求机械强度和生物惰性。植入体替代病变组织与器官发挥力学作用的同时,参与生命体正常新陈代谢,诱导组织修复,发挥生物学功能并在组织修复过程中逐渐降解吸收,成为再生医学材料研发的新趋势。限制镁合金应用的主要原因是腐蚀速率过快导致其在服役期内过早失效,较差的强度和塑性不足以满足植入物的机械性能。挤压变形可以有效的改善镁合金微观组织,提高镁合金强度、改善镁合金塑性和耐腐蚀性能,本文使用卧式挤压研究了不同挤压温度和不同挤压比对Mg-2Zn-0.2Mn镁合金微观组织、强度和室温塑性的影响。当挤压比较低时,镁合金组织中同时存在细小的动态再结晶晶粒和粗大的挤压变形为条带状的未再结晶晶粒,这种晶粒组织形态导致合金塑性较差。随着挤压比的增加,镁合金中晶粒再结晶程度增加,晶粒均匀化和再结晶晶粒的随机取向有效提升镁合金塑性。而提高挤压温度,再结晶晶粒出现长大,降低组织均匀性,镁合金的塑性和强度也有所下降。挤压比λ=17.6,挤压温度T=300℃挤出的镁合金棒材拥有最优异的综合性能,平均晶粒尺寸约为6μm,抗拉强度266 MPa,延伸率为32.3%。将挤压比λ=17.6,挤压温度T=300℃挤出的镁合金棒材进行二次挤压,并进行微观组织金相观察、拉伸实验、电化学实验和体外模拟体液浸泡实验,研究了其微观组织、力学性能和腐蚀性能。二次挤压进一步细化了镁合金棒材微观组织,细小均匀的晶粒有效的提高了镁合金强度和耐腐蚀性能。塑性变形在镁合金中产生大量位错和残余应力,造成镁合金晶界腐蚀。挤压比λ=4,挤压温度T=250℃二次挤压Mg-2Zn-0.2Mn合金抗拉强度增加到327 MPa,延伸率为14.8%。模拟体液浸泡168 h平均腐蚀速率为1.72 mm/y。挤压比λ=4,挤压温度T=250℃二次挤压Mg-2Zn-0.2Mn合金经160℃热处理8 h后,有效消除了挤压变形产生的大量位错和残余应力。强度略微下降的同时,进一步提高了镁合金耐腐蚀性能,获得抗拉强度315 MPa、延伸率17%、体外浸泡168 h平均腐蚀速率1.39 mm/y,综合性能较好的Mg-2Zn-0.2Mn镁合金材料。对制备的镁合金材料进行细胞毒性实验,细胞在75%和50%浓度浸提液中培养3 d时表现出极轻度细胞毒性,但随着培养时间的延长,细胞毒性消失,低于75%浓度的浸提液对细胞的生长具有促进作用。

关键词：生物医用镁合金 Mg-2Zn-0.2Mn 挤压变形力学性能模拟体液降解

初始组织对镁合金挤压材双峰分布晶粒及力学性能的影响

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初始组织对镁合金挤压材双峰分布晶粒及力学性能的影响

作者：崔磊湖南科技大学

学位级别：硕士

Mg-Gd系合金因其超高的强度,在航天航空、武器装备等领域有广阔的应用前景。但其室温下的低塑性,限制了其广泛的应用。研究表明,双峰分布晶粒能协同提升合金的强塑性,然而以往的研究多是通过控制变形工艺使晶粒发生部分再结晶获得双峰... 详细信息

Mg-Gd系合金因其超高的强度,在航天航空、武器装备等领域有广阔的应用前景。但其室温下的低塑性,限制了其广泛的应用。研究表明,双峰分布晶粒能协同提升合金的强塑性,然而以往的研究多是通过控制变形工艺使晶粒发生部分再结晶获得双峰分布晶粒,关于初始组织对合金双峰分布晶粒的控制还报道较少。本文以Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金为研究对象,研究了初始组织对Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金挤压材双峰分布晶粒的形成及力学性能的影响,得到以下结论:(1)研究了初始晶粒尺寸对合金挤压材双峰分布晶粒的形成机理及力学性能的影响。双峰分布晶粒中未再结晶晶粒的面积分数可通过初始晶粒尺寸进行调控,初始晶粒尺寸增加,挤压棒材中未再结晶晶粒的面积分数增加。初始晶粒尺寸不同,塑性变形过程中的再结晶机制不同,在初始晶粒尺寸较小时,晶粒大小是影响合金动态再结晶的主要因素;在所有晶粒都比较粗大时,Schmid因子的高低是决定晶粒是否容易发生动态再结晶的关键因素。初始晶粒尺寸最大的样品在挤压后获得了最高的强度,T5态的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为459 MPa、365 MPa和5.9%,强度更高归因于更多的未再结晶晶粒提供的更高的织构强化。(2)研究了通过循环预变形/退火控制初始组织中的晶粒尺寸分布的方法,分析了晶粒分布对合金挤压材双峰分布晶粒及力学性能的影响。循环预变形/退火过程中通过应变诱导的晶界迁移使合金中部分晶粒发生异常长大,在细小晶粒变化不大的情况下,形成了更多的粗大晶粒。挤压后,预变形/退火1次、4次和8次的样品中未再结晶晶粒的面积分数无明显变化,但4次和8次的样品中的未再结晶晶粒厚度降低。预变形/退火4次的样品在挤压后获得了最优的强度塑性平衡,经时效处理后,其抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为470 MPa、406 MPa和6.2%。(3)揭示了双峰分布晶粒对合金力学性能的影响机理。合金优异的强度归因于再结晶晶粒提供的晶界强化,未再结晶晶粒提供的位错强化以及织构强化。较好的塑性归因于再结晶晶粒和未再结晶晶粒之间协同作用。在拉伸试验初期,再结晶晶粒首先发生变形,随应变的增加,未再结晶晶粒启动棱柱面滑移协调变形。此外,降低未再结晶晶粒的厚度,更有利于合金的强度和塑性的提升。

关键词：镁合金挤压变形初始组织双峰分布晶粒力学性能

聚丙烯纤维混凝土力学性能及对破碎软岩巷道支护作用研究

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聚丙烯纤维混凝土力学性能及对破碎软岩巷道支护作用研究

作者：金开玥贵州大学

学位级别：硕士

锦丰金矿矿床矿岩软弱、结构发育,工程地质条件复杂,巷道围岩支护难度大,冒顶、片帮等灾害事故时有发生,近年来随着开采深度增加,挤压大变形造成巷道支护失效的情况频繁出现。锚网喷是该矿最主要的支护方式,但其中的喷射混凝土支护主要... 详细信息

锦丰金矿矿床矿岩软弱、结构发育,工程地质条件复杂,巷道围岩支护难度大,冒顶、片帮等灾害事故时有发生,近年来随着开采深度增加,挤压大变形造成巷道支护失效的情况频繁出现。锚网喷是该矿最主要的支护方式,但其中的喷射混凝土支护主要依据经验方法进行设计,不能适应复杂多变的工程条件。本文综合运用现场调查与测试、物理试验、理论分析、数值模拟等手段,对聚丙烯纤维混凝土的力学性能及其对破碎软岩巷道的支护作用进行了系统的研究。主要研究工作及成果如下:(1)基于锦丰金矿大量地质钻孔数据,以Surpac为平台建立了矿床三维RQD模型,在此基础上,对矿床岩体质量及完整性进行了分级;总结分析了矿山历次工程地质调查资料,对矿区的岩体质量进行了RMR和Q系统分级。(2)通过室内物理试验方法对聚丙烯纤维的物理力学性质,以及聚丙烯纤维混凝土的抗压、抗折、弯曲韧性等性质进行了测试;现场调查了锦丰金矿井下聚丙烯纤维混凝土的破坏情况,总结为三种模式:喷射初期由于强度不够,在围岩松动压力作用下产生破坏;与支护刚度较大的锚杆共同支护时,受围岩形变压力作用产生弯拉破坏;围岩发生挤压大变形,产生结构性受压、受剪、受弯或其复合破坏。(3)基于块体理论并使用Unwedge软件对块状结构岩体产生的松动压力进行了计算;基于普氏地压理论并使用Ansys软件对碎裂结构岩体产生的松动压力进行了计算;并分别计算了两种荷载条件下初喷混凝土的支护强度要求;在矿山现场开展了初喷混凝土早期强度测试,明确了作业面初喷后的安全再入时间。(4)基于两端固支梁应力、位移的弹性力学解,对聚丙烯纤维混凝土与锚杆耦合支护时弹性变形阶段的应力和位移进行了分析;基于增强混凝土屈服线分析理论,计算了聚丙烯纤维混凝土裂纹扩展阶段的承载能力,并与C-1550圆盘测试结果进行了关联;并以锦丰金矿的实际支护方案为例,建立了聚丙烯纤维混凝土全过程支护特性曲线。(5)通过数值模拟方法,对锦丰金矿巷道围岩的挤压性进行了分析;计算并绘制了围岩响应曲线和巷道围岩纵向变形曲线,结合锦丰金矿采掘施工工艺,确定了支护安装时间,在此基础上通过数值模拟方法研究了挤压变形条件下聚丙烯纤维混凝土的受力及破坏机理。(6)使用便携式三维激光扫描仪对井下巷道进行了实测,建立了巷道三维几何模型并对其几何特征进行了分析,在此基础上通过数值模拟方法分析了围岩的不规则表面对喷射混凝土支护特性的影响。

关键词：破碎软岩聚丙烯纤维混凝土支护特性挤压变形不规则围岩表面