權(quán)利要求

1.尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟A1、建立尾砂充填與巖石組合體的數(shù)學(xué)模型；

根據(jù)胡克定律建立組合體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：其中，E為數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量；σy為數(shù)學(xué)模型中組合體所受單軸壓縮應(yīng)力，εy為數(shù)學(xué)模型中組合體的豎向應(yīng)變值，Δh為數(shù)學(xué)模型中組合體的總變形量，h為數(shù)學(xué)模型中組合體的總高度；

步驟A2、通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲得組合體的總變形量計(jì)算公式；

對(duì)進(jìn)行公式變換，得到

步驟A3、計(jì)算組合體的總變形量；

根據(jù)公式Δh＝Δh1+Δh2計(jì)算組合體變形穩(wěn)定后的總變形量Δh，其中，Δh1為組合體中巖石的變形量，Δh2為組合體中尾砂充填體的變形量；

步驟A4、根據(jù)總變形量計(jì)算公式推導(dǎo)組合體中巖石和尾砂充填體的變形量計(jì)算公式；

根據(jù)公式得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量其中，σ1為組合體中巖石所受單軸壓縮應(yīng)力，σ2為組合體中尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力，E1為組合體中巖石的彈性模量，E2為組合體中尾砂充填體的彈性模量，h1為組合體中巖石的高度，h2為組合體中尾砂充填體的高度；

步驟A5、參數(shù)確定；

根據(jù)組合體變形穩(wěn)定后的受力分析，組合體中巖石和尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力相等，得到σy＝σ1＝σ2；組合體中巖石和尾砂充填體高度設(shè)置相同，得到

步驟A6、獲得組合體的彈性模量計(jì)算公式；

將步驟A5中參數(shù)代入步驟A4中公式，得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量再將和代入步驟A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到最后進(jìn)行公式變換，得到數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量計(jì)算公式

2.一種采用如權(quán)利要求1所述彈性模量計(jì)算方法的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟B1、制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件；

步驟B2、將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件；

步驟B3、對(duì)所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B4、實(shí)時(shí)采集所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B5、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和巖石試件的峰值強(qiáng)度；

步驟B6、根據(jù)組合體的彈性模量計(jì)算公式快速計(jì)算出組合試件的彈性模量；

步驟B7、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的彈性模量對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行破壞特性分析。

3.按照權(quán)利要求2所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B7之后還包括：

步驟B8、對(duì)所述組合試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B9、實(shí)時(shí)采集所述組合試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B10、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和泊松比，以及組合試件的峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比；

步驟B11、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的峰值強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B12、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的泊松比對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B13、繪制組合試件橫向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖、豎向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析。

4.按照權(quán)利要求2或3所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B1中所述制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的具體過(guò)程包括：采用鉭鈮礦山分級(jí)尾砂和標(biāo)號(hào)為P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，自來(lái)水拌合，配制料漿濃度為68％、灰砂比分別為1:4、1:8、1:10的膠結(jié)充填體試件；再采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5.按照權(quán)利要求4所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石組合，形成組合試件的具體過(guò)程包括：將灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填體試件分別與巖石試件組合，形成灰砂比1:4充填體與巖石的組合試件、灰砂比1:8充填體與巖石的組合試件和灰砂比1:10充填體與巖石的組合試件。

6.按照權(quán)利要求2或3所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合中的巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件外形尺寸相同。

7.按照權(quán)利要求3所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于：步驟B3和步驟B8中所述單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-150C型液壓伺服控制系統(tǒng)。

8.按照權(quán)利要求7所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于：步驟B4和步驟B9中所述壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)包括：采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載和試件的應(yīng)變，以及采用YJZ-16型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的試件的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變。

9.按照權(quán)利要求3所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B10中所述峰值強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟C1、根據(jù)公式計(jì)算試件承受的單軸壓應(yīng)力σt，其中，F(xiàn)為試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載，A為試件承壓面積；

步驟C2、根據(jù)公式σmax＝max{σt}計(jì)算試件的峰值強(qiáng)度σmax。

10.按照權(quán)利要求3所述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，其特征在于，步驟B10中所述彈性模量和泊松比的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟D1、繪制試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

步驟D2、在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，應(yīng)力峰值之前有一段近似直線的線彈性變形階段，對(duì)近似直線部分進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率即為試件的彈性模量；

步驟D3、根據(jù)公式計(jì)算試件的彈性模量Eav，其中，σb為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段始點(diǎn)的應(yīng)力值，σa為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段終點(diǎn)的應(yīng)力值，εlb為應(yīng)力為σb時(shí)的豎向應(yīng)變值，εla為應(yīng)力為σa時(shí)的豎向應(yīng)變值；

步驟D4、根據(jù)公式計(jì)算試件的泊松比μav，其中，εdb為應(yīng)力為σb時(shí)的橫向應(yīng)變值，εda為應(yīng)力為σa時(shí)的橫向應(yīng)變值。

說(shuō)明書(shū)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于礦山充填開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算及協(xié)調(diào)變形研究方法。

背景技術(shù)

鉭鈮礦石在選礦后留下大量的尾砂，需建立尾礦庫(kù)進(jìn)行存放。這會(huì)占用大量土地、破壞植被、給周邊環(huán)境造成危害且由于礦山地下開(kāi)采打破了原有應(yīng)力平衡，將引起采空區(qū)圍巖變形和破壞，造成覆巖頂板垮塌、圍巖片幫，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此將礦山選礦后的固廢尾砂制成膠結(jié)材料充填于井下，一方面可以控制圍巖和采空區(qū)頂板發(fā)生變形及阻止巖爆和巖體的冒落；另一方面還可以防止采空區(qū)覆巖移動(dòng)、下沉導(dǎo)致地表地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)還可以將這些固廢尾礦砂高效循環(huán)利用，變廢為寶。所以把固廢尾砂制作為水泥漿材料回填(CPB)進(jìn)行循環(huán)利用，能夠更清潔地開(kāi)采礦產(chǎn)資源，最終可以解決固廢尾砂堆砌、占用地表土地、環(huán)境污染等棘手問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦山綠色、可持續(xù)發(fā)展。固廢尾砂充填技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方法之一，對(duì)提高鉭鈮礦的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)環(huán)保具有積極作用。

雖然一些學(xué)者對(duì)充填體-覆巖之間的耦合作用及協(xié)同變形機(jī)理進(jìn)行了研究，但是針對(duì)二者協(xié)同變形機(jī)理的認(rèn)知還未達(dá)成廣泛的共識(shí)，因此，仍亟需進(jìn)一步深入研究?，F(xiàn)有的研究成果還未有涉及不同灰砂比鉭鈮礦尾砂充填體與巖石組合的彈性模量快速計(jì)算及協(xié)調(diào)變形研究方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算及協(xié)調(diào)變形研究方法，其彈性模量計(jì)算方法步驟簡(jiǎn)單，快速方便，結(jié)合協(xié)調(diào)變形研究方法，得到尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形機(jī)理，能夠?yàn)榈V山安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的充填工藝參數(shù)，為充填采礦設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考，效果顯著，便于推廣。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：

步驟A1、建立尾砂充填與巖石組合體的數(shù)學(xué)模型；

根據(jù)胡克定律建立組合體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：其中，E為數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量；σy為數(shù)學(xué)模型中組合體所受單軸壓縮應(yīng)力，εy為數(shù)學(xué)模型中組合體的豎向應(yīng)變值，Δh為數(shù)學(xué)模型中組合體的總變形量，h為數(shù)學(xué)模型中組合體的總高度；

步驟A2、通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲得組合體的總變形量計(jì)算公式；

對(duì)進(jìn)行公式變換，得到

步驟A3、計(jì)算組合體的總變形量；

根據(jù)公式Δh＝Δh1+Δh2計(jì)算組合體變形穩(wěn)定后的總變形量Δh，其中，Δh1為組合體中巖石的變形量，Δh2為組合體中尾砂充填體的變形量；

步驟A4、根據(jù)總變形量計(jì)算公式推導(dǎo)組合體中巖石和尾砂充填體的變形量計(jì)算公式；

根據(jù)公式得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量其中，σ1為組合體中巖石所受單軸壓縮應(yīng)力，σ2為組合體中尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力，E1為組合體中巖石的彈性模量，E2為組合體中尾砂充填體的彈性模量，h1為組合體中巖石的高度，h2為組合體中尾砂充填體的高度；

步驟A5、參數(shù)確定；

根據(jù)組合體變形穩(wěn)定后的受力分析，組合體中巖石和尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力相等，得到σy＝σ1＝σ2；組合體中巖石和尾砂充填體高度設(shè)置相同，得到

步驟A6、獲得組合體的彈性模量計(jì)算公式；

將步驟A5中參數(shù)代入步驟A4中公式，得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量再將和代入步驟A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到最后進(jìn)行公式變換，得到數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量計(jì)算公式

本發(fā)明還公開(kāi)了一種尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，該方法包括以下步驟：

步驟B1、制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件；

步驟B2、將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件；

步驟B3、對(duì)所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B4、實(shí)時(shí)采集所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B5、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和巖石試件的峰值強(qiáng)度；

步驟B6、根據(jù)組合體的彈性模量計(jì)算公式快速計(jì)算出組合試件的彈性模量；

步驟B7、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的彈性模量對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行破壞特性分析。

步驟B8、對(duì)所述組合試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B9、實(shí)時(shí)采集所述組合試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B10、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和泊松比，以及組合試件的峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比；

步驟B11、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的峰值強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B12、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的泊松比對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B13、繪制組合試件橫向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖、豎向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B1中所述制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的具體過(guò)程包括：采用鉭鈮礦山分級(jí)尾砂和標(biāo)號(hào)為P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，自來(lái)水拌合，配制料漿濃度為68％、灰砂比分別為1:4、1:8、1:10的膠結(jié)充填體試件；再采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石組合，形成組合試件的具體過(guò)程包括：將灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填體試件分別與巖石試件組合，形成灰砂比1:4充填體與巖石的組合試件、灰砂比1:8充填體與巖石的組合試件和灰砂比1:10充填體與巖石的組合試件。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合中的巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件外形尺寸相同。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B3和步驟B8中所述單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-150C型液壓伺服控制系統(tǒng)。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B4和步驟B9中所述壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)包括：采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載和試件的應(yīng)變，以及采用YJZ-16型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的試件的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B10中所述峰值強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟C1、根據(jù)公式計(jì)算試件承受的單軸壓應(yīng)力σt，其中，F(xiàn)為試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載，A為試件承壓面積；

步驟C2、根據(jù)公式σmax＝max{σt}計(jì)算試件的峰值強(qiáng)度σmax。

上述的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，步驟B10中所述彈性模量和泊松比的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟D1、繪制試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

步驟D2、在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，應(yīng)力峰值之前有一段近似直線的線彈性變形階段，對(duì)近似直線部分進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率即為試件的彈性模量；

步驟D3、根據(jù)公式計(jì)算試件的彈性模量Eav，其中，σb為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段始點(diǎn)的應(yīng)力值，σa為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段終點(diǎn)的應(yīng)力值，εlb為應(yīng)力為σb時(shí)的豎向應(yīng)變值，εla為應(yīng)力為σa時(shí)的豎向應(yīng)變值；

步驟D4、根據(jù)公式計(jì)算試件的泊松比μav，其中，εdb為應(yīng)力為σb時(shí)的橫向應(yīng)變值，εda為應(yīng)力為σa時(shí)的橫向應(yīng)變值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明彈性模量計(jì)算方法步驟簡(jiǎn)單，快速方便。

2、本發(fā)明通過(guò)協(xié)調(diào)變形研究方法中得到鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件的彈性模量試驗(yàn)值，以及組合試件的彈性模量試驗(yàn)值，將鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件的彈性模量試驗(yàn)值代入數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量計(jì)算公式中，計(jì)算得到組合試件彈性模量的計(jì)算值，組合試件彈性模量的計(jì)算值與組合試件的彈性模量試驗(yàn)值對(duì)比，相差小，印證了尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算方法的可靠性，為快速計(jì)算尾砂充填與巖石組合的彈性模量奠定理論基礎(chǔ)。

3、本發(fā)明通過(guò)繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的峰值強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系圖、彈性模量對(duì)比關(guān)系圖和泊松比對(duì)比關(guān)系圖，以及組合試件的橫向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖、豎向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖，分別進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析，能夠直觀地表現(xiàn)出不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石組合的協(xié)調(diào)變形機(jī)理。

4、本發(fā)明能夠?yàn)榈V山安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的充填工藝參數(shù)，為充填采礦設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考，效果顯著，便于推廣。

綜上所述，本發(fā)明彈性模量計(jì)算方法步驟簡(jiǎn)單，快速方便，結(jié)合協(xié)調(diào)變形研究方法，得到尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形機(jī)理，能夠?yàn)榈V山安全生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的充填工藝參數(shù)，為充填采礦設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考，效果顯著，便于推廣。

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1彈性模量計(jì)算方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2協(xié)調(diào)變形研究方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的彈性模量對(duì)比關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3協(xié)調(diào)變形研究方法的流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的峰值強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的泊松比對(duì)比關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例3組合試件橫向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例3組合試件豎向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明的尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟A1、建立尾砂充填與巖石組合體的數(shù)學(xué)模型；

根據(jù)胡克定律建立組合體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：其中，E為數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量；σy為數(shù)學(xué)模型中組合體所受單軸壓縮應(yīng)力，εy為數(shù)學(xué)模型中組合體的豎向應(yīng)變值，Δh為數(shù)學(xué)模型中組合體的總變形量，h為數(shù)學(xué)模型中組合體的總高度；

步驟A2、通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲得組合體的總變形量計(jì)算公式；

對(duì)進(jìn)行公式變換，得到

步驟A3、計(jì)算組合體的總變形量；

根據(jù)公式Δh＝Δh1+Δh2計(jì)算組合體變形穩(wěn)定后的總變形量Δh，其中，Δh1為組合體中巖石的變形量，Δh2為組合體中尾砂充填體的變形量；

步驟A4、根據(jù)總變形量計(jì)算公式推導(dǎo)組合體中巖石和尾砂充填體的變形量計(jì)算公式；

根據(jù)公式得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量其中，σ1為組合體中巖石所受單軸壓縮應(yīng)力，σ2為組合體中尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力，E1為組合體中巖石的彈性模量，E2為組合體中尾砂充填體的彈性模量，h1為組合體中巖石的高度，h2為組合體中尾砂充填體的高度；

步驟A5、參數(shù)確定；

根據(jù)組合體變形穩(wěn)定后的受力分析，組合體中巖石和尾砂充填體所受單軸壓縮應(yīng)力相等，得到σy＝σ1＝σ2；組合體中巖石和尾砂充填體高度設(shè)置相同，得到

步驟A6、獲得組合體的彈性模量計(jì)算公式；

將步驟A5中參數(shù)代入步驟A4中公式，得到組合體中巖石的變形量組合體中尾砂充填體的變形量再將和代入步驟A3公式Δh＝Δh1+Δh2中，得到最后進(jìn)行公式變換，得到數(shù)學(xué)模型中組合體的彈性模量計(jì)算公式

實(shí)施例2

如圖2所示，本發(fā)明的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，包括以下步驟：

步驟B1、制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件；

步驟B2、將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件；

步驟B3、對(duì)所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B4、實(shí)時(shí)采集所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B5、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和巖石試件的峰值強(qiáng)度；

步驟B6、根據(jù)組合體的彈性模量計(jì)算公式快速計(jì)算出組合試件的彈性模量；

步驟B7、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的彈性模量對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行破壞特性分析。

本實(shí)施例中，步驟B1中所述制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的具體過(guò)程包括：采用鉭鈮礦山分級(jí)尾砂和標(biāo)號(hào)為P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，自來(lái)水拌合，配制料漿濃度為68％、灰砂比分別為1:4、1:8、1:10的膠結(jié)充填體試件；再采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

具體實(shí)施時(shí)，鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(長(zhǎng)×寬×高)的模具制作而成，脫模后，鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度控制在(20±2)℃，相對(duì)濕度控制在(90％±2％)，養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)為28天。

本實(shí)施例中，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件的具體過(guò)程包括：將灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填體試件分別與巖石試件組合，形成灰砂比1:4充填體與巖石的組合試件、灰砂比1:8充填體與巖石的組合試件和灰砂比1:10充填體與巖石的組合試件。

具體實(shí)施時(shí)，巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件上下疊放且無(wú)膠結(jié)水平接觸。

本實(shí)施例中，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合中的巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件外形尺寸相同。

具體實(shí)施時(shí)，巖石試件外形尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm(長(zhǎng)×寬×高)。

本實(shí)施例中，步驟B3中所述單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-150C型液壓伺服控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施時(shí)，RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)加載方式采用位移控制，試件加載速率為0.01mm/s，位移極限5mm。

本實(shí)施例中，步驟B4中所述壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)包括：采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載和試件的應(yīng)變，以及采用YJZ-16型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的試件的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變。

如圖3所示，充填體試件與巖石組合試件的彈性模量明顯增加，組合試件的強(qiáng)度比越小，增幅越大。在巖石試件強(qiáng)度一定時(shí)，充填體的灰砂比越小，即兩試件強(qiáng)度比越大，充填體試件與巖石組合試件的彈性模量越小，這與單一充填體試件彈性模量的變化規(guī)律相符合。

實(shí)施例3

如圖4所示，本發(fā)明的尾砂充填與巖石組合的協(xié)調(diào)變形研究方法，包括以下步驟：

步驟B1、制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件；

步驟B2、將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件；

步驟B3、對(duì)所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B4、實(shí)時(shí)采集所述鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和巖石試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B5、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和巖石試件的峰值強(qiáng)度；

步驟B6、根據(jù)組合體的彈性模量計(jì)算公式快速計(jì)算出組合試件的彈性模量；

步驟B7、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的彈性模量對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行破壞特性分析；

步驟B8、對(duì)所述組合試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)；

步驟B9、實(shí)時(shí)采集所述組合試件在受壓全程中的壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

步驟B10、根據(jù)壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的峰值強(qiáng)度和泊松比，以及組合試件的峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比；

步驟B11、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的峰值強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B12、繪制不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件和組合試件的泊松比對(duì)比關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析；

步驟B13、繪制組合試件橫向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖、豎向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖，進(jìn)行協(xié)調(diào)變形分析。

本實(shí)施例中，步驟B1中所述制作不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件的具體過(guò)程包括：采用鉭鈮礦山分級(jí)尾砂和標(biāo)號(hào)為P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，自來(lái)水拌合，配制料漿濃度為68％、灰砂比分別為1:4、1:8、1:10的膠結(jié)充填體試件；再采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

具體實(shí)施時(shí)，鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件尺寸均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm(長(zhǎng)×寬×高)的模具制作而成，脫模后，鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件采用恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度控制在(20±2)℃，相對(duì)濕度控制在(90％±2％)，養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)為28天。

本實(shí)施例中，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合，形成組合試件的具體過(guò)程包括：將灰砂比1:4、灰砂比1:8、灰砂比1:10的充填體試件分別與巖石試件組合，形成灰砂比1:4充填體與巖石的組合試件、灰砂比1:8充填體與巖石的組合試件和灰砂比1:10充填體與巖石的組合試件。

具體實(shí)施時(shí)，巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件上下疊放且無(wú)膠結(jié)水平接觸。

本實(shí)施例中，步驟B2中所述將不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件與巖石試件組合中的巖石試件與鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件外形尺寸相同。

具體實(shí)施時(shí)，巖石試件外形尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm(長(zhǎng)×寬×高)。

本實(shí)施例中，步驟B3和步驟B8中所述單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-150C型液壓伺服控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施時(shí)，RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)加載方式采用位移控制，試件加載速率為0.01mm/s，位移極限5mm。

本實(shí)施例中，步驟B4和步驟B9中所述壓力應(yīng)變數(shù)據(jù)包括：采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載和試件的應(yīng)變，以及采用YJZ-16型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的試件的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變。

本實(shí)施例中，步驟B10中所述峰值強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟C1、根據(jù)公式計(jì)算試件承受的單軸壓應(yīng)力σt，其中，F(xiàn)為試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載，A為試件承壓面積；

步驟C2、根據(jù)公式σmax＝max{σt}計(jì)算試件的峰值強(qiáng)度σmax。

具體實(shí)施時(shí)，試件在結(jié)構(gòu)破壞前所能承受的最大荷載水平稱為峰值強(qiáng)度，是試件堅(jiān)硬程度的重要表征，試件實(shí)時(shí)承受的單軸垂直荷載F通過(guò)RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)獲得。

本實(shí)施例中，步驟B10中所述彈性模量和泊松比的計(jì)算過(guò)程包括：

步驟D1、繪制試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

步驟D2、在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，應(yīng)力峰值之前有一段近似直線的線彈性變形階段，對(duì)近似直線部分進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率即為試件的彈性模量；

步驟D3、根據(jù)公式計(jì)算試件的彈性模量Eav，其中，σb為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段始點(diǎn)的應(yīng)力值，σa為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段終點(diǎn)的應(yīng)力值，εlb為應(yīng)力為σb時(shí)的豎向應(yīng)變值，εla為應(yīng)力為σa時(shí)的豎向應(yīng)變值；

具體實(shí)施時(shí)，彈性模量能夠衡量試件抵抗彈性變形能力大??；

步驟D4、根據(jù)公式計(jì)算試件的泊松比μav，其中，εdb為應(yīng)力為σb時(shí)的橫向應(yīng)變值，εda為應(yīng)力為σa時(shí)的橫向應(yīng)變值。

具體實(shí)施時(shí)，泊松比能夠反映試件的變形特性。

不同灰砂比的鉭鈮礦尾砂膠結(jié)充填體試件、巖石試件和組合試件的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

如圖5所示，充填體試件與巖石組合試件的抗壓強(qiáng)度與單一充填體試件的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致，隨著充填體試件灰砂比的減小而降低；相同灰砂比單一充填體試件的抗壓強(qiáng)度曲線與充填體試件與巖石組合試件的抗壓強(qiáng)度曲線均是趨于平行于X軸的直線，強(qiáng)度數(shù)值近似于單一充填體試件的單軸抗壓強(qiáng)度。單一灰砂比1:4充填體試件的強(qiáng)度為2.240MPa，灰砂比1:4充填體試件與巖石組合試件的強(qiáng)度為2.235MPa，差值僅為0.005MPa?？梢?jiàn)，充填體試件與巖石組合試件的破壞是以充填體試件發(fā)生破壞為基準(zhǔn)。

如圖6所示，在組合試件中充填體試件的泊松比與單一充填體試件相比有所增加，組合試件中灰砂比為1:4的充填體試件增幅為3.6％，組合試件中灰砂比為1:8充填體試件增幅8.1％，組合試件中灰砂比為1:10充填體試件增幅7.4％；組合試件中巖石試件的泊松比與單一巖石試件相比顯著減小，隨著組合試件中充填體試件的灰砂比降低而增加。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于充填體試件與巖石組合試件的破壞是以達(dá)到充填體試件的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，此時(shí)，巖石試件還未進(jìn)入破壞階段，裂紋未產(chǎn)生或產(chǎn)生了部分內(nèi)部微小縫隙，巖石試件的塑性變形不完全，因此其泊松比與變形完全的單一充填體試件相比有所降低。

如圖7～圖8所示，對(duì)于灰砂比1:4充填體與巖石的組合試件，橫向應(yīng)變曲線圖中，前期0～63s(記錄次數(shù)0～21)，灰砂比1:4充填體的橫向應(yīng)變量平緩變化，而后較快速地增長(zhǎng)到最值620×10-5，141～225s時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，之后轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，巖石試件的橫向應(yīng)變量在57s之前增長(zhǎng)較快，之后放緩了增速，在132s時(shí)刻達(dá)到最值57×10-5,132～201s時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，之后為上升趨勢(shì)；豎向應(yīng)變曲線中，0～33s時(shí)段，灰砂比1:4充填體的應(yīng)變曲線下降緩慢，而后快速地降至最值-3042×10-5，在135～153s時(shí)段轉(zhuǎn)為斜率較大的上升曲線，153s后為緩增曲線，巖石試件的豎向應(yīng)變曲線初始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在144s達(dá)到最值-1750×10-5，144～192s時(shí)段曲線呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，而后緩慢上升。

對(duì)于灰砂比1:8充填體與巖石的組合試件，橫向應(yīng)變曲線中，灰砂比1:8充填體的橫向應(yīng)變量先是緩慢下降至-35×10-5，93s后呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，巖石試件的橫向應(yīng)變曲線先是上升趨勢(shì)，在87s時(shí)刻達(dá)到最值72×10-5，而后轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)；豎向應(yīng)變曲線中，灰砂比1:8充填體的豎向應(yīng)變量在81s前緩慢下降，72s時(shí)刻組合試件應(yīng)力為0.5σ(σ為組合試件峰值強(qiáng)度)，灰砂比1:8充填體的豎向應(yīng)變量為-232×10-5，81s后快速下降，巖石試件在114s前快速下降，99s時(shí)刻組合試件的應(yīng)力為0.8σ，巖石試件的豎向應(yīng)變量為-824×10-5。

對(duì)于灰砂比1:10充填體與巖石的組合試件，在橫向應(yīng)變曲線中，灰砂比1:10充填體和巖石試件的應(yīng)變曲線總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在豎向應(yīng)變曲線中，灰砂比1:10充填體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，巖石試件呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

綜合橫向應(yīng)變曲線和豎向應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)不同灰砂比充填體與巖石組合試件的變形協(xié)同性較好，但應(yīng)變變化在時(shí)間上表現(xiàn)出一定的滯后性。

通過(guò)協(xié)調(diào)變形研究方法中步驟B10得到組合試件的彈性模量試驗(yàn)值，與步驟B6根據(jù)組合體的彈性模量計(jì)算公式快速計(jì)算出的組合試件彈性模量的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，相差小，印證了尾砂充填與巖石組合的彈性模量計(jì)算方法的可靠性，為快速計(jì)算尾砂充填與巖石組合的彈性模量奠定理論基礎(chǔ)。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。