CN111855410B - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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，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、推导组合体中第一尾砂充填体和第二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，结合破坏特性分析方法，得到尾砂充填组合体的破坏特性，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

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
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组合体的弹性模量计算及破坏特性分析方法。
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。
矿山企业在采空区尾砂胶结充填时，为了降低经济成本常采用不同灰砂比胶结充填体分层充填，不同灰砂比胶结充填体之间的破坏特性和力学性能直接决定了充填效果，但现有技术中，还缺乏有关于采空区不同灰砂比分层充填的钽铌矿尾砂充填体的弹性模量快速计算及破坏特性研究。
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，提供一种尾砂充填组合体的弹性模量计算及破坏特性分析方法，其弹性模量计算方法步骤简单，快速方便，结合破坏特性分析方法，得到尾砂充填组合体的破坏特性，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：一种尾砂充填组合体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：
Figure BDA0002613392140000021
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
Figure BDA0002613392140000022
进行公式变换，得到
Figure BDA0002613392140000023
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为组合体中第一尾砂充填体的变形量，Δh2为组合体中第二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第一尾砂充填体和第二尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式
Figure BDA0002613392140000024
得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000025
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000026
其中，σ1为组合体中第一尾砂充填体所受单轴压缩应力，σ2为组合体中第二尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中第一尾砂充填体的弹性模量，E2为组合体中第二尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中第一尾砂充填体的高度，h2为组合体中第二尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体高度设置相同，得到
Figure BDA0002613392140000031
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，得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000032
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000033
再将
Figure BDA0002613392140000034
和
Figure BDA0002613392140000035
代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到
Figure BDA0002613392140000036
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
Figure BDA0002613392140000037
本发明还公开了一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，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单一试件；
步骤B2、将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放成组合试件；
步骤B3、对所述单一试件进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述单一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单一试件的弹性模量；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式
Figure BDA0002613392140000038
快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制单一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单一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、绘制单一试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行破坏特性分析；
步骤B12、绘制单一试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行破坏特性分析；
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，进行破坏特性分析。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，步骤B1中所述制作不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填体单一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的充填体单一试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，步骤B2中所述将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放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的充填体单一试件两两组合，形成灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件、灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件和灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验均采用RMT-150C岩石力学试验系统。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，步骤B4和步骤B9中所述压力应变数据均包括：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。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，步骤B10中所述峰值强度的计算过程包括：
步骤C1、根据公式
Figure BDA0002613392140000041
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。
上述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，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
Figure BDA0002613392140000051
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
Figure BDA0002613392140000052
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、本发明通过破坏特性分析方法中得到单一试件的弹性模量试验值和组合试件的弹性模量试验值，将单一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，印证了尾砂充填组合体的弹性模量计算方法的可靠性，为快速计算组合体弹性模量奠定理论基础。
3、本发明通过绘制单一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，分别进行破坏特性分析，能够直观地表现出不同灰砂比的钽铌矿尾砂胶结充填材料组合体的破坏特性。
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，结合破坏特性分析方法，得到尾砂充填组合体的破坏特性，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破坏特性分析方法的流程图；
图3为本发明实施例2单一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破坏特性分析方法的流程图；
图5为本发明实施例3单一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单一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，本发明的尾砂充填组合体的弹性模量计算方法，包括以下步骤：
步骤A1、建立尾砂充填组合体的数学模型；
根据胡克定律建立组合体应力与应变的关系：
Figure BDA0002613392140000061
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
Figure BDA0002613392140000071
进行公式变换，得到
Figure BDA0002613392140000072
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为组合体中第一尾砂充填体的变形量，Δh2为组合体中第二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第一尾砂充填体和第二尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式
Figure BDA0002613392140000073
得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000074
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000075
其中，σ1为组合体中第一尾砂充填体所受单轴压缩应力，σ2为组合体中第二尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中第一尾砂充填体的弹性模量，E2为组合体中第二尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中第一尾砂充填体的高度，h2为组合体中第二尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体高度设置相同，得到
Figure BDA0002613392140000076
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，得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000077
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure BDA0002613392140000078
再将
Figure BDA0002613392140000079
和
Figure BDA00026133921400000710
代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到
Figure BDA00026133921400000711
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
Figure BDA00026133921400000712
实施例2
如图2所示，本发明的尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，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单一试件；
步骤B2、将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放成组合试件；
步骤B3、对所述单一试件进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述单一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单一试件的弹性模量；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式
Figure BDA0002613392140000081
快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制单一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单一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的充填体单一试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
具体实施时，单一试件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)的模具制作而成，脱模后，单一试件采用恒温、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单一试件两两组合，上下叠放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的充填体单一试件两两组合，形成灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件、灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件和灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件。
具体实施时，组合试件中两试件为上下叠放且无胶结水平接触。
本实施例中，步骤B3中所述单轴压缩试验均采用RMT-150C岩石力学试验系统。
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均包括：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，组合试件的弹性模量随着峰值强度比增大而减小，对于灰砂比较大的试件，峰值强度比越大，其弹性模量的降幅越大；对于灰砂比较小的试件而言，峰值强度比越大，其弹性模量增幅越小。
实施例3
如图4所示，本发明的尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，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单一试件；
步骤B2、将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放成组合试件；
步骤B3、对所述单一试件进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述单一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单一试件的弹性模量；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式
Figure BDA0002613392140000091
快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制单一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单一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、绘制单一试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行破坏特性分析；
步骤B12、绘制单一试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行破坏特性分析；
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单一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的充填体单一试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
具体实施时，单一试件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(长×宽×高)的模具制作而成，脱模后，单一试件采用恒温、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单一试件两两组合，上下叠放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的充填体单一试件两两组合，形成灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件、灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件和灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件。
具体实施时，组合试件中两试件为上下叠放且无胶结水平接触。
本实施例中，步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验均采用RMT-150C岩石力学试验系统。
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均包括：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
Figure BDA0002613392140000101
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
Figure BDA0002613392140000111
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
Figure BDA0002613392140000112
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。
不同灰砂比的单一试件和组合试件的单轴压缩试验结果如下表所示：
Figure BDA0002613392140000113
如图5所示，除了灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件外，灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件和灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件的峰值强度数值近似于灰砂比较小试件的峰值强度，灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件的峰值强度为0.460MPa，灰砂比1:10的单一试件的峰值强度为0.402MPa，差值为0.058MPa；对于灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件，载荷通过上部灰砂比较大试件作用在下部灰砂比较小试件上，由于灰砂比1:8的单一试件的峰值强度接近于灰砂比1:4单一试件的比例极限强度(试件弹性阶段与塑性阶段的分界强度，约为试件峰值强度的0.3～0.4)，致使灰砂比1:4单一试件的回弹变形过大，进而加剧了下部灰砂比1:8单一试件的破裂和破坏，在一定程度上降低了下部试件的强度，从而使组合体的整体强度大幅度的下降，由此可知，不同灰砂比组合充填体的破坏是以灰砂比较小的试件发生破坏为基准。
如图6所示，在组合试件中，灰砂比较大试件的泊松比相比单一试件有所减小，灰砂比较小试件的泊松比较单一试件略有增加，灰砂比1:4的单一试件的泊松比较其他两组组合体的增幅为-19.4％(灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件)和-42.8％(灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件)；灰砂比1:8的单一试件的泊松比较其他两组组合体的增幅为1.8％(灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件)和-42.5％(灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件)；灰砂比1:10的单一试件的泊松比较其他两组组合体的增幅为4.0％(灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件)和4.5％(灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件)，组合试件的峰值强度比越大，灰砂比较大试件的泊松比越小，泊松比降低幅度越大；组合试件的峰值强度比越小，灰砂比较小试件的泊松比也越小，泊松比增幅却逐渐增加。
如图7～图8所示，对于灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件，横向应变曲线中，0～33s时间段(记录次数0～10)，灰砂比1:4的试件和灰砂比1:8的试件均是线性膨胀，33s时刻，两试件突增后横向应变量非线性增长，而后在96s时刻两试件的应变量分别陡降了857×10-5和70×10-5，陡降后，两试件的横向应变曲线以一定斜率下降，在此下降时间段内的两个突增点为异常数据；竖向应变曲线中，0～36s时间段，灰砂比1:4的试件和灰砂比1:8的试件缓慢压缩，之后竖向应变量迅速下降至-2716×10-5和-801×10-5，两试件在129s时刻同时改变曲线走势，灰砂比1:8的试件的竖向应变曲线增长斜率远大于灰砂比1:4的试件。
对于灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件，横向应变曲线中，灰砂比1:8试件的横向应变呈现增长趋势，在72s时刻达到最值155×10-5，之后横向应变曲线呈现下降趋势；灰砂比1:10试件的横向应变曲线在0～39s时间段内缓慢变化，随即快速下降，稍后于灰砂比1:8试件达到最值-214×10-5，与此同时组合试件的应力达到峰值强度，84～138s，横向应变曲线呈现上升趋势；竖向应变曲线中，灰砂比1:8试件的竖向应变呈现下降趋势，在69s处达到最值-398×10-5，69s后曲线呈现增长趋势；灰砂比1:10试件的竖向应变曲线在0～39s时间段缓慢增长，而后转变为下降曲线，72s后曲线与灰砂比1:8试件一样呈现上升趋势。
对于灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件，在横向应变曲线和竖向应变曲线中，灰砂比1:4试件和灰砂比1:10试件的应变曲线均为协同性下降趋势。
综合横向应变曲线和竖向应变曲线，发现不同灰砂比组合试件具有较好的协同变形特性。
通过破坏特性分析方法中步骤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
Figure BDA0002613392140000131
快速计算出的组合试件的弹性模量计算值进行对比，相差小，印证了尾砂充填组合体的弹性模量计算方法的可靠性，为快速计算组合体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 (7)

1.一种尾砂充填组合体的弹性模量计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤A1、建立尾砂充填组合体的数学模型；
根据胡克定律建立组合体应力与应变的关系：
Figure FDA0003541685510000011
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
Figure FDA0003541685510000012
进行公式变换，得到
Figure FDA0003541685510000013
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为组合体中第一尾砂充填体的变形量，Δh2为组合体中第二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第一尾砂充填体和第二尾砂充填体的变形量计算公式；
根据公式
Figure FDA0003541685510000014
得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure FDA0003541685510000015
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure FDA0003541685510000016
其中，σ1为组合体中第一尾砂充填体所受单轴压缩应力，σ2为组合体中第二尾砂充填体所受单轴压缩应力，E1为组合体中第一尾砂充填体的弹性模量，E2为组合体中第二尾砂充填体的弹性模量，h1为组合体中第一尾砂充填体的高度，h2为组合体中第二尾砂充填体的高度；
步骤A5、参数确定；
根据组合体变形稳定后的受力分析，组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体所受单轴压缩应力相等，得到σy＝σ1＝σ2；组合体中第一尾砂充填体和第二尾砂充填体高度设置相同，得到
Figure FDA0003541685510000021
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，得到组合体中第一尾砂充填体的变形量
Figure FDA0003541685510000022
组合体中第二尾砂充填体的变形量
Figure FDA0003541685510000023
再将
Figure FDA0003541685510000024
和
Figure FDA0003541685510000025
代入步骤A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到
Figure FDA0003541685510000026
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
Figure FDA0003541685510000027
2.一种采用如权利要求1所述弹性模量计算方法的尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，其特征在于，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单一试件；
步骤B2、将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放成组合试件；
步骤B3、对所述单一试件进行单轴压缩试验；
步骤B4、实时采集所述单一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单一试件的弹性模量；
步骤B6、根据组合体的弹性模量计算公式
Figure FDA0003541685510000028
快速计算出组合试件的弹性模量；
步骤B7、绘制单一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。
3.按照权利要求2所述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，其特征在于，步骤B7之后还包括：
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单一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
Figure FDA0003541685510000031
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
Figure FDA0003541685510000032
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
Figure FDA0003541685510000033
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、绘制单一试件和组合试件的峰值强度对比关系图，进行破坏特性分析；
步骤B12、绘制单一试件和组合试件的泊松比对比关系图，进行破坏特性分析；
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，进行破坏特性分析。
4.按照权利要求2或3所述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，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单一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的充填体单一试件；再采用恒温、恒湿养护箱进行养护。
5.按照权利要求4所述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，其特征在于，步骤B2中所述将不同灰砂比的单一试件两两组合，上下叠放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的充填体单一试件两两组合，形成灰砂比1:4与灰砂比1:8的组合试件、灰砂比1:4与灰砂比1:10的组合试件和灰砂比1:8与灰砂比1:10的组合试件。
6.按照权利要求3所述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，其特征在于：步骤B3和步骤B8中所述单轴压缩试验均采用RMT-150C岩石力学试验系统。
7.按照权利要求6所述的一种尾砂充填组合体的破坏特性分析方法，其特征在于，步骤B4和步骤B9中所述压力应变数据均包括：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。
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