尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法技术

尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法，包括制作不同质量含量的玻璃纤维尾砂胶结充填体试件、对每个试件分别进行单轴压缩试验并获得各试件的应力

【技术实现步骤摘要】
尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法


[0001]本专利技术属于金属矿充填开采
，具体涉及一种尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法。

技术介绍

[0002]尾砂胶结充填法用来解决选矿后遗留的大量尾砂酸化、毒化土地和污染水资源等环境问题，因此，研究尾砂胶结充填体的力学性能、损伤规律及能量耗散特性非常关键。目前，研究人员对不同配比普通尾砂胶结充填体的能量耗散分析、建立不同层状尾砂胶结充填体的损伤模型、尾砂胶结充填体在不同养护龄期下的能量演化特征进行了分析，在纤维增强尾砂胶结充填体方面，通过研究聚丙烯纤维尾砂胶结充填体得出充填体延性变形随着纤维的掺入量增加而不断变强，也从微观角度探讨了不同掺量聚丙烯纤维对尾砂胶结充填体力学性能的影响，还研究了纤维对充填体抗裂性的改善效果，发现掺纤维充填体“裂而不碎”，且裂面形貌与纤维性能相关。但对于掺纤维尾砂胶结充填体的能量耗散情形及其与采空区围岩匹配的关系研究报道较少。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种通过尾砂胶结充填体峰值比能计算模型和强度与采空区埋深的设计模型，能快速、准确地确定尾砂胶结充填体强度与地下采空区围岩深度关系，为矿山选择合适玻璃纤维含量的尾砂胶结充填体，节约充填成本提供充分的理论依据，也可为同类型矿山的充填开采提供参考。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、制作试件，所述试件为不同质量含量的玻璃纤维尾砂胶结充填体试件；
[0007]步骤二、对每个试件分别进行单轴压缩试验，并获得各试件的应力
‑
应变曲线；
[0008]步骤三、构建每个试件的损伤本构方程，具体步骤包括：
[0009]对于未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件，视其为各向同性连续介质，建立本构关系：
[0010]σ＝Eε(1
‑
D)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0011]式中：σ为未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件的有效应力，MPa；E为弹性模量，MPa；ε为应变值；D为损伤变量，D＝0时为理想无损状态，D＝1时为完全损伤状态；
[0012]对于未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件峰值应力前的损伤值D的方程表示为：
[0013]D＝Aε
β
ꢀꢀꢀ
(2)
[0014]式中：A、β均为常数；
[0015]联立式(1)和式(2)可得未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件峰值应力前的损伤本构方程：
[0016]σ＝Eε
‑
EAε
β+1
ꢀꢀꢀ
(3)
[0017]峰值应力后，视未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件破坏服从Weibull分布，Weibull密度函数如下：
[0018][0019]式中：m、F0为Weibull分布形态、标度参数；F为分布变量，以应变为变量；
[0020]根据式(4)可得出未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件的损伤值D的方程式：
[0021][0022]再联立式(1)和式(5)，就可得出未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力峰值应力后的本构方程：
[0023][0024]由未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力
‑
应变曲线可知边界条件：
[0025][0026]联立式(7)与式(3)可解得：β＝σ
p
/(Eε
p
‑
σ
p
)；联立式(7)和式(6)可解得：F0＝ε
p
/(1/m)
1/m
；m＝1/ln(Eε
p
/σ
p
)；
[0027]对于掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件，在式(1)中引入损伤修正系数α来建立本构关系：
[0028]σ＝Eε(1
‑
αD)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0029]式中：α为损伤修正系数，且0≤α≤1；
[0030]根据Weibull分布与式(8)可得掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件全过程损伤本构方程：
[0031][0032]式中：参数n、F1同前文参数m、F0；
[0033]掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力
‑
应变曲线的边界条件如下：
[0034][0035]联立式(9)和式(10)，可令常数q＝σ
p
/(Eε
p
)，进而令可得出参
数n和F1：
[0036][0037]将式(11)代回式(9)进行验算，检验符合要求，便可得掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件全过程损伤本构和演化方程：
[0038][0039][0040]步骤四、基于能量关系，定义匹配系数K为尾砂胶结充填体峰值比能与采空区单位岩体释放的能量之比，确定尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度的匹配关系；具体步骤包括：
[0041]设尾砂胶结充填体单元体应力从0增至σ
x
，应变为ε
x
，则尾砂胶结充填体单位体积下变形比能U为：
[0042][0043]当ε＝ε
p
，σ＝σ
p
时，联立式(14)和式(3)得到PCPB应力σ
p
时的变形比能U1：
[0044][0045]联立式(14)和式(12)，得掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力σ
p
时的变形比能U2为：
[0046][0047]基于采空区围岩弹性模量远高于玻璃纤维尾砂胶结充填体，围岩应力用线弹性模型表示：
[0048]σ＝E0ε
ꢀꢀꢀ
(17)
[0049]式中：E0为采空区围岩弹性模量，MPa；ε为采空区围岩应变；
[0050]在一维状态下，矿石被挖后采空区单位围岩释放能为U
R
：
[0051][0052]式中：γ为采空区围岩容重，kN/m3；H为采空区围岩埋深，m；
[0053]通过式(15)、式(16)与式(18)之比，即为匹配系数K：
[0054][0055]式中：U为U1或U2；
[0056]当K≥1，即U≥
‑
U
R
时，尾砂胶结充填体的强度足以支撑采空区，不会发生能量失衡状况，当K<1时，表明尾砂胶结充填体的强度承载能力不足以支撑采空区，需采用强度更高的尾砂胶结充填体充填采空区。
[0057]进一步地，步骤一中所述试件为尺寸是70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm，料浆浓度为68％、灰砂比为1：6，再分别掺0％、0.5％和0.7％的玻璃纤维制成三组尾砂胶结充填体，每组5个试件，并放在自然环境中养护。
[0058]进一步地，步骤二中所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.尾砂胶结充填体强度与采空区围岩深度关系的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、制作试件，所述试件为不同质量含量的玻璃纤维尾砂胶结充填体试件；步骤二、对每个试件分别进行单轴压缩试验，并获得各试件的应力
‑
应变曲线；步骤三、构建每个试件的损伤本构方程，具体步骤包括：对于未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件，视其为各向同性连续介质，建立本构关系：σ＝Eε(1
‑
D)
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(1)式中：σ为未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件的有效应力，MPa；E为弹性模量，MPa；ε为应变值；D为损伤变量，D＝0时为理想无损状态，D＝1时为完全损伤状态；对于未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件峰值应力前的损伤值D的方程表示为：D＝Aε
β
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(2)式中：A、β均为常数；联立式(1)和式(2)可得未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件峰值应力前的损伤本构方程：σ＝Eε
‑
EAε
β+1
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(3)峰值应力后，视未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件破坏服从Weibull分布，Weibull密度函数如下：式中：m、F0为Weibull分布形态、标度参数；F为分布变量，以应变为变量；根据式(4)可得出未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件的损伤值D的方程式：再联立式(1)和式(5)，就可得出未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力峰值应力后的本构方程：由未掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件应力
‑
应变曲线可知边界条件：联立式(7)与式(3)可解得：β＝σ
p
/(Eε
p
‑
σ
p
)；联立式(7)和式(6)可解得：F0＝ε
p
/(1/m)
1/m
；m＝1/ln(Eε
p
/σ
p
)；对于掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件，在式(1)中引入损伤修正系数α来建立本构关系：
σ＝Eε(1
‑
αD)
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(8)式中：α为损伤修正系数，且0≤α≤1；根据Weibull分布与式(8)可得掺玻璃纤维的尾砂胶结充填体试件全过程损伤本构方程：式中：参数n、F1同前文参数m、F0；掺玻璃纤维的尾砂胶结充...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵康，严雅静，赵康奇，杨健，伍俊，聂晶磊，田向勤，胡楠，石一辰，黄艳丽，黄奇正，聂强，
申请(专利权)人：生态环境部固体废物与化学品管理技术中心，
类型：发明
国别省市：