CN111829892B - 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法 - Google Patents

尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111829892B
CN111829892B CN202010762178.5A CN202010762178A CN111829892B CN 111829892 B CN111829892 B CN 111829892B CN 202010762178 A CN202010762178 A CN 202010762178A CN 111829892 B CN111829892 B CN 111829892B
Authority
CN
China
Prior art keywords
test piece
rock
combination
deformation
filling body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010762178.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111829892A (zh
Inventor
赵康
黄明
严雅静
周昀
宋宇峰
何志伟
宁富金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangxi University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangxi University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangxi University of Science and Technology filed Critical Jiangxi University of Science and Technology
Priority to CN202010762178.5A priority Critical patent/CN111829892B/zh
Publication of CN111829892A publication Critical patent/CN111829892A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111829892B publication Critical patent/CN111829892B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12—Pressure testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0042—Pneumatic or hydraulic means
    • G01N2203/0048—Hydraulic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0252—Monoaxial, i.e. the forces being applied along a single axis of the specimen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/026—Specifications of the specimen
    • G01N2203/0298—Manufacturing or preparing specimens

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，弹性模量计算方法包括步骤一、建立尾砂充填组合体的数学模型；二、获得组合体的总变形量计算公式；三、计算组合体的总变形量；四、推导组合体中岩石和尾砂充填体的变形量计算公式；五、参数确定；六、获得组合体的弹性模量计算公式。本发明弹性模量计算方法步骤简单，快速方便，结合协调变形研究方法，得到尾砂充填体与岩石组合的协调变形机理，能够为矿山安全生产提供准确的充填工艺参数，为充填采矿设计提供可靠的理论依据和技术参考，效果显著，便于推广。

Description

尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法
技术领域
本发明属于矿山充填开采技术领域，具体涉及一种尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法。
背景技术
钽铌矿石在选矿后留下大量的尾砂，需建立尾矿库进行存放。这会占用大量土地、破坏植被、给周边环境造成危害且由于矿山地下开采打破了原有应力平衡，将引起采空区围岩变形和破坏，造成覆岩顶板垮塌、围岩片帮，给矿山安全生产带来严重影响。因此将矿山选矿后的固废尾砂制成胶结材料充填于井下，一方面可以控制围岩和采空区顶板发生变形及阻止岩爆和岩体的冒落；另一方面还可以防止采空区覆岩移动、下沉导致地表地质灾害的发生，同时还可以将这些固废尾矿砂高效循环利用，变废为宝。所以把固废尾砂制作为水泥浆材料回填(CPB)进行循环利用，能够更清洁地开采矿产资源，最终可以解决固废尾砂堆砌、占用地表土地、环境污染等棘手问题，实现矿山绿色、可持续发展。固废尾砂充填技术是解决上述问题的有效方法之一，对提高钽铌矿的经济效益和科学环保具有积极作用。
虽然一些学者对充填体-覆岩之间的耦合作用及协同变形机理进行了研究，但是针对二者协同变形机理的认知还未达成广泛的共识，因此，仍亟需进一步深入研究。现有的研究成果还未有涉及不同灰砂比钽铌矿尾砂充填体与岩石组合的弹性模量快速计算及协调变形研究方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种尾砂充填与岩石组合的弹性模量计算及协调变形研究方法，其弹性模量计算方法步骤简单，快速方便，结合协调变形研究方法，得到尾砂充填与岩石组合的协调变形机理，能够为矿山安全生产提供准确的充填工艺参数，为充填采矿设计提供可靠的理论依据和技术参考，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种尾砂充填与岩石组合的弹性模量计算方法，该方法包括以下步骤：
步骤A1、建立尾砂充填与岩石组合体的数学模型；
根据胡克定律建立组合体应力与应变的关系：其中，E为数学模型中组合体的弹性模量；σy为数学模型中组合体所受单轴压缩应力，εy为数学模型中组合体的竖向应变值，Δh为数学模型中组合体的总变形量，h为数学模型中组合体的总高度；
步骤A2、通过数学模型获得组合体的总变形量计算公式；
对进行公式变换，得到/>
步骤A3、计算组合体的总变形量；
根据公式Δh＝Δh1+Δh2计算组合体变形稳定后的总变形量Δh，其中，Δh1为组合体中岩石的变形量，Δh2为组合体中尾砂充填体的变形量；
步骤A4、根据总变形量计算公式推导组合体中岩石和尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式得到组合体中岩石的变形量/>组合体中尾砂充填体的变形量/>其中，σ1为组合体中岩石所受单轴压缩应力，σ2为组合体中尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中岩石的弹性模量，E2为组合体中尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中岩石的高度，h2为组合体中尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中岩石和尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中岩石和尾砂充填体高度设置相同，得到
步骤A6、获得组合体的弹性模量计算公式；
将步骤A5中参数代入步骤A4中公式，得到组合体中岩石的变形量组合体中尾砂充填体的变形量/>再将/> 和/>代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到/>最后进行公式变换，得到数学模型中组合体的弹性模量计算公式/>
本发明还公开了一种尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，该方法包括以下步骤：
步骤B1、制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件；
步骤B2、将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件；
步骤B3、对所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件分别进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B5、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和岩石试件的峰值强度；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的弹性模量对比关系图，进行破坏特性分析。
步骤B8、对所述组合试件进行单轴压缩试验；
步骤B9、实时采集所述组合试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B10、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和泊松比，以及组合试件的峰值强度、弹性模量和泊松比；
步骤B11、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B12、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B13、绘制组合试件横向应变与时间的关系图、竖向应变与时间的关系图，进行协调变形分析。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B1中所述制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件的具体过程包括：采用钽铌矿山分级尾砂和标号为P.O.32.5普通硅酸盐水泥，自来水拌合，配制料浆浓度为68％、灰砂比分别为1:4、1:8、1:10的胶结充填体试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石组合，形成组合试件的具体过程包括：将灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填体试件分别与岩石试件组合，形成灰砂比1:4充填体与岩石的组合试件、灰砂比1:8充填体与岩石的组合试件和灰砂比1:10充填体与岩石的组合试件。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合中的岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件外形尺寸相同。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验采用RMT-150C型液压伺服控制系统。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B4和步骤B9中所述压力应变数据包括：采用RMT-150C岩石力学试验系统采集的试件实时承受的单轴垂直荷载和试件的应变，以及采用YJZ-16型智能数字静态电阻应变仪采集的试件的横向应变和竖向应变。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B10中所述峰值强度的计算过程包括：
步骤C1、根据公式计算试件承受的单轴压应力σt，其中，F为试件实时承受的单轴垂直荷载，A为试件承压面积；
步骤C2、根据公式σmax＝max{σt}计算试件的峰值强度σmax。
上述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，步骤B10中所述弹性模量和泊松比的计算过程包括：
步骤D1、绘制试件的应力-应变曲线；
步骤D2、在应力-应变曲线上，应力峰值之前有一段近似直线的线弹性变形阶段，对近似直线部分进行线性拟合，拟合直线的斜率即为试件的弹性模量；
步骤D3、根据公式计算试件的弹性模量Eav，其中，σb为应力-应变曲线上直线段始点的应力值，σa为应力-应变曲线上直线段终点的应力值，εlb为应力为σb时的竖向应变值，εla为应力为σa时的竖向应变值；
步骤D4、根据公式计算试件的泊松比μav，其中，εdb为应力为σb时的横向应变值，εda为应力为σa时的横向应变值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明弹性模量计算方法步骤简单，快速方便。
2、本发明通过协调变形研究方法中得到钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件的弹性模量试验值，以及组合试件的弹性模量试验值，将钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件的弹性模量试验值代入数学模型中组合体的弹性模量计算公式中，计算得到组合试件弹性模量的计算值，组合试件弹性模量的计算值与组合试件的弹性模量试验值对比，相差小，印证了尾砂充填与岩石组合的弹性模量计算方法的可靠性，为快速计算尾砂充填与岩石组合的弹性模量奠定理论基础。
3、本发明通过绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的峰值强度对比关系图、弹性模量对比关系图和泊松比对比关系图，以及组合试件的横向应变与时间的关系图、竖向应变与时间的关系图，分别进行协调变形分析，能够直观地表现出不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石组合的协调变形机理。
4、本发明能够为矿山安全生产提供准确的充填工艺参数，为充填采矿设计提供可靠的理论依据和技术参考，效果显著，便于推广。
综上所述，本发明弹性模量计算方法步骤简单，快速方便，结合协调变形研究方法，得到尾砂充填与岩石组合的协调变形机理，能够为矿山安全生产提供准确的充填工艺参数，为充填采矿设计提供可靠的理论依据和技术参考，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1弹性模量计算方法的流程图；
图2为本发明实施例2协调变形研究方法的流程图；
图3为本发明实施例2不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的弹性模量对比关系图；
图4为本发明实施例3协调变形研究方法的流程图；
图5为本发明实施例3不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的峰值强度对比关系图；
图6为本发明实施例3不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的泊松比对比关系图；
图7为本发明实施例3组合试件横向应变与时间的关系图；
图8为本发明实施例3组合试件竖向应变与时间的关系图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的尾砂充填与岩石组合的弹性模量计算方法，包括以下步骤：
步骤A1、建立尾砂充填与岩石组合体的数学模型；
根据胡克定律建立组合体应力与应变的关系：其中，E为数学模型中组合体的弹性模量；σy为数学模型中组合体所受单轴压缩应力，εy为数学模型中组合体的竖向应变值，Δh为数学模型中组合体的总变形量，h为数学模型中组合体的总高度；
步骤A2、通过数学模型获得组合体的总变形量计算公式；
对进行公式变换，得到/>
步骤A3、计算组合体的总变形量；
根据公式Δh＝Δh1+Δh2计算组合体变形稳定后的总变形量Δh，其中，Δh1为组合体中岩石的变形量，Δh2为组合体中尾砂充填体的变形量；
步骤A4、根据总变形量计算公式推导组合体中岩石和尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式得到组合体中岩石的变形量/>组合体中尾砂充填体的变形量/>其中，σ1为组合体中岩石所受单轴压缩应力，σ2为组合体中尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中岩石的弹性模量，E2为组合体中尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中岩石的高度，h2为组合体中尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中岩石和尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中岩石和尾砂充填体高度设置相同，得到
步骤A6、获得组合体的弹性模量计算公式；
将步骤A5中参数代入步骤A4中公式，得到组合体中岩石的变形量组合体中尾砂充填体的变形量/>再将/> 和/>代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到/>最后进行公式变换，得到数学模型中组合体的弹性模量计算公式/>
实施例2
如图2所示，本发明的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，包括以下步骤：
步骤B1、制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件；
步骤B2、将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件；
步骤B3、对所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件分别进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B5、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和岩石试件的峰值强度；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的弹性模量对比关系图，进行破坏特性分析。
本实施例中，步骤B1中所述制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件的具体过程包括：采用钽铌矿山分级尾砂和标号为P.O.32.5普通硅酸盐水泥，自来水拌合，配制料浆浓度为68％、灰砂比分别为1:4、1:8、1:10的胶结充填体试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
具体实施时，钽铌矿尾砂胶结充填体试件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)的模具制作而成，脱模后，钽铌矿尾砂胶结充填体试件采用恒温、恒湿养护箱进行养护，温度控制在(20±2)℃，相对湿度控制在(90％±2％)，养护时长为28天。
本实施例中，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件的具体过程包括：将灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填体试件分别与岩石试件组合，形成灰砂比1:4充填体与岩石的组合试件、灰砂比1:8充填体与岩石的组合试件和灰砂比1:10充填体与岩石的组合试件。
具体实施时，岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件上下叠放且无胶结水平接触。
本实施例中，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合中的岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件外形尺寸相同。
具体实施时，岩石试件外形尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)。
本实施例中，步骤B3中所述单轴压缩试验采用RMT-150C型液压伺服控制系统。
具体实施时，RMT-150C岩石力学试验系统加载方式采用位移控制，试件加载速率为0.01mm/s，位移极限5mm。
本实施例中，步骤B4中所述压力应变数据包括：采用RMT-150C岩石力学试验系统采集的试件实时承受的单轴垂直荷载和试件的应变，以及采用YJZ-16型智能数字静态电阻应变仪采集的试件的横向应变和竖向应变。
如图3所示，充填体试件与岩石组合试件的弹性模量明显增加，组合试件的强度比越小，增幅越大。在岩石试件强度一定时，充填体的灰砂比越小，即两试件强度比越大，充填体试件与岩石组合试件的弹性模量越小，这与单一充填体试件弹性模量的变化规律相符合。
实施例3
如图4所示，本发明的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，包括以下步骤：
步骤B1、制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件；
步骤B2、将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件；
步骤B3、对所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件分别进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B5、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和岩石试件的峰值强度；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的弹性模量对比关系图，进行破坏特性分析；
步骤B8、对所述组合试件进行单轴压缩试验；
步骤B9、实时采集所述组合试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B10、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和泊松比，以及组合试件的峰值强度、弹性模量和泊松比；
步骤B11、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B12、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B13、绘制组合试件横向应变与时间的关系图、竖向应变与时间的关系图，进行协调变形分析。
本实施例中，步骤B1中所述制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件的具体过程包括：采用钽铌矿山分级尾砂和标号为P.O.32.5普通硅酸盐水泥，自来水拌合，配制料浆浓度为68％、灰砂比分别为1:4、1:8、1:10的胶结充填体试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
具体实施时，钽铌矿尾砂胶结充填体试件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)的模具制作而成，脱模后，钽铌矿尾砂胶结充填体试件采用恒温、恒湿养护箱进行养护，温度控制在(20±2)℃，相对湿度控制在(90％±2％)，养护时长为28天。
本实施例中，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件的具体过程包括：将灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填体试件分别与岩石试件组合，形成灰砂比1:4充填体与岩石的组合试件、灰砂比1:8充填体与岩石的组合试件和灰砂比1:10充填体与岩石的组合试件。
具体实施时，岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件上下叠放且无胶结水平接触。
本实施例中，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合中的岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件外形尺寸相同。
具体实施时，岩石试件外形尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)。
本实施例中，步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验采用RMT-150C型液压伺服控制系统。
具体实施时，RMT-150C岩石力学试验系统加载方式采用位移控制，试件加载速率为0.01mm/s，位移极限5mm。
本实施例中，步骤B4和步骤B9中所述压力应变数据包括：采用RMT-150C岩石力学试验系统采集的试件实时承受的单轴垂直荷载和试件的应变，以及采用YJZ-16型智能数字静态电阻应变仪采集的试件的横向应变和竖向应变。
本实施例中，步骤B10中所述峰值强度的计算过程包括：
步骤C1、根据公式计算试件承受的单轴压应力σt，其中，F为试件实时承受的单轴垂直荷载，A为试件承压面积；
步骤C2、根据公式σmax＝max{σt}计算试件的峰值强度σmax。
具体实施时，试件在结构破坏前所能承受的最大荷载水平称为峰值强度，是试件坚硬程度的重要表征，试件实时承受的单轴垂直荷载F通过RMT-150C岩石力学试验系统获得。
本实施例中，步骤B10中所述弹性模量和泊松比的计算过程包括：
步骤D1、绘制试件的应力-应变曲线；
步骤D2、在应力-应变曲线上，应力峰值之前有一段近似直线的线弹性变形阶段，对近似直线部分进行线性拟合，拟合直线的斜率即为试件的弹性模量；
步骤D3、根据公式计算试件的弹性模量Eav，其中，σb为应力-应变曲线上直线段始点的应力值，σa为应力-应变曲线上直线段终点的应力值，εlb为应力为σb时的竖向应变值，εla为应力为σa时的竖向应变值；
具体实施时，弹性模量能够衡量试件抵抗弹性变形能力大小；
步骤D4、根据公式计算试件的泊松比μav，其中，εdb为应力为σb时的横向应变值，εda为应力为σa时的横向应变值。
具体实施时，泊松比能够反映试件的变形特性。
不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件、岩石试件和组合试件的单轴压缩试验结果如下表所示：
如图5所示，充填体试件与岩石组合试件的抗压强度与单一充填体试件的抗压强度的变化规律基本一致，随着充填体试件灰砂比的减小而降低；相同灰砂比单一充填体试件的抗压强度曲线与充填体试件与岩石组合试件的抗压强度曲线均是趋于平行于X轴的直线，强度数值近似于单一充填体试件的单轴抗压强度。单一灰砂比1:4充填体试件的强度为2.240MPa，灰砂比1:4充填体试件与岩石组合试件的强度为2.235MPa，差值仅为0.005MPa。可见，充填体试件与岩石组合试件的破坏是以充填体试件发生破坏为基准。
如图6所示，在组合试件中充填体试件的泊松比与单一充填体试件相比有所增加，组合试件中灰砂比为1:4的充填体试件增幅为3.6％，组合试件中灰砂比为1:8充填体试件增幅8.1％，组合试件中灰砂比为1:10充填体试件增幅7.4％；组合试件中岩石试件的泊松比与单一岩石试件相比显著减小，随着组合试件中充填体试件的灰砂比降低而增加。出现此现象的原因在于充填体试件与岩石组合试件的破坏是以达到充填体试件的抗压强度为基准，此时，岩石试件还未进入破坏阶段，裂纹未产生或产生了部分内部微小缝隙，岩石试件的塑性变形不完全，因此其泊松比与变形完全的单一充填体试件相比有所降低。
如图7～图8所示，对于灰砂比1:4充填体与岩石的组合试件，横向应变曲线图中，前期0～63s(记录次数0～21)，灰砂比1:4充填体的横向应变量平缓变化，而后较快速地增长到最值620×10-5，141～225s时间段内呈现下降趋势，之后转为上升趋势，岩石试件的横向应变量在57s之前增长较快，之后放缓了增速，在132s时刻达到最值57×10-5,132～201s时间段内呈现下降趋势，之后为上升趋势；竖向应变曲线中，0～33s时段，灰砂比1:4充填体的应变曲线下降缓慢，而后快速地降至最值-3042×10-5，在135～153s时段转为斜率较大的上升曲线，153s后为缓增曲线，岩石试件的竖向应变曲线初始呈现下降趋势，在144s达到最值-1750×10-5，144～192s时段曲线呈现快速上升趋势，而后缓慢上升。
对于灰砂比1:8充填体与岩石的组合试件，横向应变曲线中，灰砂比1:8充填体的横向应变量先是缓慢下降至-35×10-5，93s后呈现上升态势，岩石试件的横向应变曲线先是上升趋势，在87s时刻达到最值72×10-5，而后转为下降趋势；竖向应变曲线中，灰砂比1:8充填体的竖向应变量在81s前缓慢下降，72s时刻组合试件应力为0.5σ(σ为组合试件峰值强度)，灰砂比1:8充填体的竖向应变量为-232×10-5，81s后快速下降，岩石试件在114s前快速下降，99s时刻组合试件的应力为0.8σ，岩石试件的竖向应变量为-824×10-5。
对于灰砂比1:10充填体与岩石的组合试件，在横向应变曲线中，灰砂比1:10充填体和岩石试件的应变曲线总体上呈现下降趋势，在竖向应变曲线中，灰砂比1:10充填体呈现上升趋势，岩石试件呈现下降趋势。
综合横向应变曲线和竖向应变曲线，发现不同灰砂比充填体与岩石组合试件的变形协同性较好，但应变变化在时间上表现出一定的滞后性。
通过协调变形研究方法中步骤B10得到组合试件的弹性模量试验值，与步骤B6根据组合体的弹性模量计算公式快速计算出的组合试件弹性模量的计算值进行对比，相差小，印证了尾砂充填与岩石组合的弹性模量计算方法的可靠性，为快速计算尾砂充填与岩石组合的弹性模量奠定理论基础。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，基于弹性模量计算方法，所述弹性模量计算方法包括以下步骤：
步骤A1、建立尾砂充填与岩石组合体的数学模型；
根据胡克定律建立组合体应力与应变的关系：其中，E为数学模型中组合体的弹性模量；σy为数学模型中组合体所受单轴压缩应力，εy为数学模型中组合体的竖向应变值，Δh为数学模型中组合体的总变形量，h为数学模型中组合体的总高度；
步骤A2、通过数学模型获得组合体的总变形量计算公式；
对进行公式变换，得到/>
步骤A3、计算组合体的总变形量；
根据公式Δh＝Δh1+Δh2计算组合体变形稳定后的总变形量Δh，其中，Δh1为组合体中岩石的变形量，Δh2为组合体中尾砂充填体的变形量；
步骤A4、根据总变形量计算公式推导组合体中岩石和尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式得到组合体中岩石的变形量/>组合体中尾砂充填体的变形量/>其中，σ1为组合体中岩石所受单轴压缩应力，σ2为组合体中尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中岩石的弹性模量，E2为组合体中尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中岩石的高度，h2为组合体中尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中岩石和尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中岩石和尾砂充填体高度设置相同，得到
步骤A6、获得组合体的弹性模量计算公式；
将步骤A5中参数代入步骤A4中公式，得到组合体中岩石的变形量组合体中尾砂充填体的变形量/>再将/> 和/>代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到/>最后进行公式变换，得到数学模型中组合体的弹性模量计算公式/>
其特征在于，所述协调变形研究方法包括以下步骤：
步骤B1、制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件；
步骤B2、将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合，形成组合试件；
步骤B3、对所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件分别进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述钽铌矿尾砂胶结充填体试件和岩石试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B5、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和岩石试件的峰值强度；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的弹性模量对比关系图，进行破坏特性分析；
步骤B8、对所述组合试件进行单轴压缩试验；
步骤B9、实时采集所述组合试件在受压全程中的压力应变数据；
步骤B10、根据压力应变数据计算钽铌矿尾砂胶结充填体试件的峰值强度和泊松比，以及组合试件的峰值强度、弹性模量和泊松比；
所述峰值强度的计算过程包括：
步骤C1、根据公式计算试件承受的单轴压应力σt，其中，F为试件实时承受的单轴垂直荷载，A为试件承压面积；
步骤C2、根据公式σmax＝max{σt}计算试件的峰值强度σmax；
所述弹性模量和泊松比的计算过程包括：
步骤D1、绘制试件的应力-应变曲线；
步骤D2、在应力-应变曲线上，应力峰值之前有一段近似直线的线弹性变形阶段，对近似直线部分进行线性拟合，拟合直线的斜率即为试件的弹性模量；
步骤D3、根据公式计算试件的弹性模量Eav，其中，σb为应力-应变曲线上直线段始点的应力值，σa为应力-应变曲线上直线段终点的应力值，εlb为应力为σb时的竖向应变值，εla为应力为σa时的竖向应变值；
步骤D4、根据公式计算试件的泊松比μav，其中，εdb为应力为σb时的横向应变值，εda为应力为σa时的横向应变值；
步骤B11、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B12、绘制不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行协调变形分析；
步骤B13、绘制组合试件横向应变与时间的关系图、竖向应变与时间的关系图，进行协调变形分析。
2.按照权利要求1所述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，其特征在于，步骤B1中所述制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件的具体过程包括：采用钽铌矿山分级尾砂和标号为P.O.32.5普通硅酸盐水泥，自来水拌合，配制料浆浓度为68％、灰砂比分别为1:4、1:8、1:10的胶结充填体试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
3.按照权利要求1所述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，其特征在于，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石组合，形成组合试件的具体过程包括：将灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填体试件分别与岩石试件组合，形成灰砂比1:4充填体与岩石的组合试件、灰砂比1:8充填体与岩石的组合试件和灰砂比1:10充填体与岩石的组合试件。
4.按照权利要求1所述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，其特征在于，步骤B2中所述将不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体试件与岩石试件组合中的岩石试件与钽铌矿尾砂胶结充填体试件外形尺寸相同。
5.按照权利要求1所述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，其特征在于：步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验采用RMT-150C型液压伺服控制系统。
6.按照权利要求1所述的尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法，其特征在于，步骤B4和步骤B9中所述压力应变数据包括：采用RMT-150C岩石力学试验系统采集的试件实时承受的单轴垂直荷载和试件的应变，以及采用YJZ-16型智能数字静态电阻应变仪采集的试件的横向应变和竖向应变。
CN202010762178.5A 2020-08-01 2020-08-01 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法 Active CN111829892B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010762178.5A CN111829892B (zh) 2020-08-01 2020-08-01 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010762178.5A CN111829892B (zh) 2020-08-01 2020-08-01 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111829892A CN111829892A (zh) 2020-10-27
CN111829892B true CN111829892B (zh) 2023-09-19

Family

ID=72920782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010762178.5A Active CN111829892B (zh) 2020-08-01 2020-08-01 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111829892B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113405891A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 江西理工大学 一种胶结充填体材料初始损伤测试方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2177142C2 (ru) * 1999-11-26 2001-12-20 Институт горного дела - научно-исследовательское учреждение СО РАН Способ определения контактных условий вида "полное сцепление" и "полное проскальзывание" в сопряжении соосных цилиндрических поверхностей совместно деформирующихся элементов составной системы
CN103234826A (zh) * 2013-04-26 2013-08-07 浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司 片岩各向异性弹性模量测定方法
CN105181435A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 中国石油大学(华东) 一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法
CN105547844A (zh) * 2015-12-13 2016-05-04 华北理工大学 一种充填体-岩柱系统力学作用机理试验方法
CN107328643A (zh) * 2017-06-20 2017-11-07 山东科技大学 静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8498853B2 (en) * 2009-07-20 2013-07-30 Exxonmobil Upstream Research Company Petrophysical method for predicting plastic mechanical properties in rock formations

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2177142C2 (ru) * 1999-11-26 2001-12-20 Институт горного дела - научно-исследовательское учреждение СО РАН Способ определения контактных условий вида "полное сцепление" и "полное проскальзывание" в сопряжении соосных цилиндрических поверхностей совместно деформирующихся элементов составной системы
CN103234826A (zh) * 2013-04-26 2013-08-07 浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司 片岩各向异性弹性模量测定方法
CN105181435A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 中国石油大学(华东) 一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法
CN105547844A (zh) * 2015-12-13 2016-05-04 华北理工大学 一种充填体-岩柱系统力学作用机理试验方法
CN107328643A (zh) * 2017-06-20 2017-11-07 山东科技大学 静载荷下煤岩组合体试件中煤的力学特性试验方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘晓云 等.单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究.《岩土力学》.2017,第38卷(第增刊2期),第183-190页. *
单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究;刘晓云 等;《岩土力学》;20171130;第38卷(第增刊2期);第184-185页第2-3节 *
条带充填坚硬顶板与充填体组合系统力学特性试验研究;陈绍杰 等;《采矿与安全工程学报》;20200131;第37卷(第1期);第111-115页第1-4节 *
组合胶结充填体力学特性试验与应用研究;曹帅 等;《采矿与安全工程学报》;20190531;第36卷(第3期);第602-604页第1-2节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111829892A (zh) 2020-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107918712B (zh) 两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法
CN108868770A (zh) 一种充填开采岩层位态精准控制设计方法
CN109209379B (zh) 一种矿山采选充+x开采方法
CN108763725A (zh) 基于采空区压实效应的工作面开采全过程数值模拟方法
CN111829892B (zh) 尾砂充填与岩石组合的协调变形研究方法
Linero et al. Geotechnical characterisation of waste material in very high dumps with large scale triaxial testing
CN111965032A (zh) 不同配比钽铌矿废弃尾砂胶结材料的力学损伤分析方法
Li et al. Mass ratio design based on compaction properties of backfill materials
CN106815445A (zh) 一种浅埋煤层区段煤柱载荷计算模型及其计算方法
CN104484713B (zh) 一种充填开采导水断裂带高度预测方法
CN111207970B (zh) 一种利用水稻秸秆提高全尾砂胶结充填体抗拉强度的方法
CN101912866B (zh) 一种铁尾矿固化方法
Dong et al. Experimental study on the compaction and deformation of filling gangue by reducing waste gangue for filling mining
CN111855410B (zh) 一种尾砂充填组合体的弹性模量计算及破坏特性分析方法
CN110454218A (zh) 一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法
CN104196569B (zh) 充填采煤工作面上隔水层是否稳定的预测方法
CN107944148A (zh) 一种充填开采临界充实率设计方法
CN116956597A (zh) 一种露天煤矿端帮充填开采支撑煤柱参数设计方法
Carneiro Characterization and behaviour of iron ore tailings: the effect of compaction and stresses
Wang et al. Research on deformation and fracture characteristics of the fractured rock mass under coupling of heavy rainfall infiltration and mining unloading
Guo et al. Study of “3-step mining” subsidence control in coal mining under buildings
CN113790961A (zh) 基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法
Xing et al. Research on application of strip backfilling mining technology–a case study
Sivakugan Drainage issues and stress developments within hydraulic fill mine stopes
Hinde et al. The role of hydrocyclone technology in backfilling operations

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant