废石胶结充填工艺研究及充填体细观层次力学性质数值模拟

摘要

充填采矿方法很早就被人们发现和利用，以其资源回收率高、贫化率低，能有效控制地压活动，特别是在矿体赋存条件复杂，地表不允许塌陷破坏和有自燃倾向的矿床开采中，具有无可替代的作用，被越来越多的矿山企业所重视。人们也在逐渐的探索寻找高效率，高充填体强度，低成本的充填工艺。
　　此次研究的内容之一就是建立一套新型的充填工艺-泵送废石混凝土充填工艺。此工艺废石不用运到地面，节约运输成本;块度可以自由控制，制作混凝土方便合理;搅拌均匀，保证其稳定性和强度;无需拌合砂，破碎过程产生的细料可代替砂，大大节约了成本、减少工程量，效率高;采用混凝土泵送技术，高效先进;系统建设简单而且具有普遍性，不止一座矿山可用，而且完全可以大量推广。
　　此次研究的内容之二就是此种充填工艺中生产的泵送混凝土力学性质在细观层次上的数值模拟。
　　矿山充填所利用的废石胶结充填体即废石混凝土是一种非均质的复合材料，其力学性能的研究在宏观层次上已经取得了很大的成就。其研究主要采用试验的方式，但由于试验周期长，需要耗费大量的人力和物力，并且得出的结论与所选取的材料，操作的精确性，试验条件关系很大，具有一定的随机性和不确定性。在细观层次上，混凝土可看做由粗骨料、水泥砂浆、骨粗料与水泥砂浆的过渡区三相材料组成的混合材料。本文采用大型有限元软件ANSYS，将废石混凝土分为三种材料模型，对其形状、大小、力学性能参数进行了分析，并成功建模及网格化。利用分离式有限元模型，通过模拟混凝土受压过程中内部裂缝的发展，来对混凝土进行细观层次力学性能的有限元分析。通过对模型加单向荷载并达到破坏，计算出理论的废石混凝土单轴抗压强度。并做现场单轴抗压试验，和模拟值进行了分析对比。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 废石胶结充填研究现状

1．3 混凝土受力试验数值模拟研究现状

1．3．1 混凝土尺度研究基本概念

1．3．2 混凝土细观层次受力试验数值模拟现状

1．4 课题研究的意义

1．4．1 废石胶结充填研究的意义

1．4．2 混凝土受力试验数值模拟研究的意义

1．5 主要研究内容

2 废石胶结充填新工艺

2．1 废石胶结充填工艺整体思路

2．2 废石骨料的制备

2．3 水泥浆的制备

2．4 物料混合及泵送

2．5 本章小结

3 废石混凝土配合比设计

3．1 混凝土配合比设计要求

3．2 破碎废石级配分析

3．2．1 废石混凝土全骨料级配分析

3．2．2 废石混凝土粗骨料级配分析

3．2．3 废石混凝土细骨料级配分析

3．3 废石混凝土和易性研究

3．4 本章小结

4 废石混凝土细观模型的建立

4．1 ANSYS有限元分析流程

4．2 废石混凝土结构模型类型的选择

4．2．1 废石混凝土细观结构分析

4．2．2 分离式模型

4．2．3 组合式模型

4．2．4 整体式模型

4．3 定义单元类型

4．4 定义材料属性

4．4．1 水泥砂浆参数

4．4．2 界面过渡区参数

4．4．3 粗骨料参数

4．5 创建有限元模型

4．5．1 粗骨料模型的研究

4．5．2 界面过渡区模型的研究

4．5．3 砂浆模型的研究

4．6 随机骨料结构的网格划分

4．6．1 网格划分的原则

4．6．2 网格划分的步骤

4．7 本章小结

5 废石混凝土试件单轴受压试验数值模拟

5．1 边界和加载条件

5．2 本构模型及破坏准则

5．2．1 本构模型的选取

5．2．2 破坏准则的确定

5．3 有限元分析程序的设计及流程图

5．3．1 混凝土细观结构损伤的有限元分析程序设计

5．3．2 混凝土试件损伤过程的程序流程图

5．4 后处理和结果分析

5．4．1 试件变形情况的模拟

5．4．2 试件破坏过程及裂缝模拟

5．5 废石混凝土单轴抗压强度现场试验

5．6 现场试验与数值模拟结果对比分析

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果