一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法

1.本发明涉及一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法，属于矿业工程技术领域。


背景技术：

2.近年来，充填采矿法因具有控制地表沉降、维护采场稳定性、实现废弃尾砂二次利用等优势，在金属矿山绿色开采中得到了广泛的应用。充填采矿其关键技术在于充填体的强度，大量的现场勘察表明，充填体破环失稳多是由于其抗剪强度不足导致的剪切破坏。
3.目前充填体抗剪强度的获取多采用传统的直剪实验，即通过电动(手动)直剪仪得到试件破坏时的抗剪强度，利用摩尔-库伦准则绘制抗剪强度τ与法向应力σ的关系曲线，进一步计算得到抗剪强度指标黏聚力c及内摩擦角传统直剪试验因未考虑随着剪切的进行，充填体剪切面积动态变化不断变小的问题，致使所获取的抗剪强度及其指标黏聚力c、内摩擦角与真实值存在一定的误差。


技术实现要素：

4.本发明针对充填体抗剪强度测试时其指标黏聚力c、内摩擦角与真实值存在较大误差的问题，提出了一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法，即通过考虑直剪实验中剪切面积的动态变化，采用积分法计算剪切面积动态变化的充填体抗剪强度及黏聚力c、内摩擦角值。
5.一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法，具体步骤如下：
6.(1)设置应变控制式直剪仪的剪切速率v，确定剪切盒半径r和测力环系数c；根据《jjg144-2007标准测力仪检定规程》对测力环系数进行标定；
7.(2)制备全尾砂充填体试件：
8.1)对全尾砂充填体试件所需材料进行取样，并对尾砂物理性质和化学成分进行分析；
9.2)根据剪切盒尺寸，制备试件，养护3d后分别在100kpa、200kpa、300kpa、400kpa法向应力下进行直剪实验，为降低实验误差，每组进行3个平行试验，最后对剪切应力选取平均值；
10.(3)对全尾砂充填体试件进行直剪试验，记录剪切时间t和测力环读数m，计算出剪切位移l；
11.(4)将动态变化的有效剪切面积se带入抗剪强度τ的表达式中，得出考虑剪切面积动态变化的抗剪强度表达式τe，通过剪切时间t和测力环读数m计算出试件考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe；
12.(5)绘制抗剪强度τ
e-法向应力σ的关系曲线，通过摩尔-库伦准则计算出黏聚力c和内摩擦角值。
13.所述步骤(1)剪切速率v的设置以使全尾砂充填体试件在5～8min内剪断；
14.根据直剪仪型号确定剪切盒半径r；
15.所述步骤(3)剪切位移l为
16.l＝v
·
t
17.式中：v为剪切速率(mm/min)，t为剪切时间(min)。
18.所述步骤(4)抗剪强度τ的表达式为
[0019][0020]
式中：τ为抗剪强度，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积；
[0021]
动态变化的有效剪切面积se通过积分法确定；
[0022]
如图2所示，o1、o2距离为剪切位移l，剪切盒半径为r，以o1为原点建立直角坐标系，通过积分法确定动态变化的有效剪切面积se：
[0023][0024]
化简得：
[0025][0026]
式中：se为动态变化的有效剪切面积，r为剪切盒半径，l为剪切位移；
[0027]
考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe为、
[0028][0029]
式中：v为剪切速率，t为剪切时间，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积。
[0030]
所述摩尔-库伦准则为
[0031][0032]
式中：τe为考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度，σ为法向应力，为内摩擦角，c为黏聚力。
[0033]
本发明的有益效果是：
[0034]
(1)本发明针对传统直剪试验中未考虑剪切面积的动态变化对充填体抗剪强度计算结果的影响，通过考虑直剪实验中剪切面积的动态变化，采用积分法计算剪切面积动态变化的充填体抗剪强度及黏聚力c、内摩擦角值，本发明方法与传统抗剪强度的计算方法得出的充填体抗剪强度误差较大，高达8.2～12.36％；
[0035]
(2)本发明方法具有计算简单，待定参数少，结果可靠等优点，可为全尾砂充填体抗剪强度及其指标c、值的计算提供更准确的结果。
附图说明
[0036]
图1为直剪实验中剪切面积动态变化示意图；
[0037]
图2为积分法计算动态变化的剪切面积示意图；
[0038]
图3为100kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线
图；
[0039]
图4为200kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图；
[0040]
图5为300kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图；
[0041]
图6为400kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图；
[0042]
图7为实施例2与传统方法的抗剪强度-法向应力关系对比曲线图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
[0044]
实施例1：一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法，具体步骤如下：
[0045]
(1)设置应变控制式直剪仪的剪切速率v，确定剪切盒半径r和测力环系数c；剪切速率v的设置以使全尾砂充填体试件在5～8min内剪断；根据直剪仪型号确定剪切盒半径r；根据《jjg144-2007标准测力仪检定规程》对测力环系数进行标定；
[0046]
(2)制备全尾砂充填体试件：
[0047]
1)对全尾砂充填体试件所需材料进行取样，并对尾砂物理性质和化学成分进行分析；
[0048]
2)根据剪切盒尺寸，制备试件，养护3d后分别在100kpa、200kpa、300kpa、400kpa法向应力下进行直剪实验，为降低实验误差，每组进行3个平行试验，对剪切应力选取平均值；
[0049]
(3)对全尾砂充填体试件进行直剪试验，记录剪切时间t和测力环读数m，计算出剪切位移l：
[0050]
l＝v
·
t
[0051]
式中：v为剪切速率(mm/min)，t为剪切时间(min)；
[0052]
(4)将动态变化的有效剪切面积se带入抗剪强度τ的表达式中，得出考虑剪切面积动态变化的抗剪强度表达式τe，通过剪切时间t和测力环读数m计算出试件考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe；
[0053]
其中抗剪强度τ的表达式为
[0054][0055]
式中：τ为抗剪强度，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积；
[0056]
动态变化的有效剪切面积se通过积分法确定；
[0057]
直剪实验中剪切面积动态变化示意图见图1，积分法计算动态变化的剪切面积示意图如图2所示，o1、o2距离为剪切位移l，剪切盒半径为r，以o1为原点建立直角坐标系，通过积分法确定动态变化的有效剪切面积se：
[0058][0059]
化简得：
[0060][0061]
式中：se为动态变化的有效剪切面积，r为剪切盒半径，l为剪切位移；
[0062]
考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe为、
[0063][0064]
式中：v为剪切速率，t为剪切时间，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积；
[0065]
(5)绘制抗剪强度τ
e-法向应力σ的关系曲线，通过摩尔-库伦准则计算出黏聚力c和内摩擦角值；摩尔-库伦准则为
[0066][0067]
式中：τe为考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度，σ为法向应力，为内摩擦角，c为黏聚力。
[0068]
实施例2：一种全尾砂充填体抗剪切强度的计算方法，具体步骤如下：
[0069]
(1)设置应变控制式直剪仪的剪切速率v为0.8mm/min以使全尾砂充填体试件在5～8min内剪断，确定剪切盒半径r为30.9mm，根据《jjg144-2007标准测力仪检定规程》对测力环系数c进行标定，标定结果为c为1.667kpa/0.01mm，经换算取c为0.5001kn/mm，检定结果如表1所示；
[0070]
表1测力环检定结果(室温：22℃
±2°
)
[0071][0072]
(2)制备全尾砂充填体试件：
[0073]
1)对全尾砂充填体试件所需材料进行取样，并对尾砂物理性质和化学成分进行分析；试验尾砂样品取自云南某矿，物理性质及化学成分如表2和表3所示；
[0074]
表2尾砂物理性质参数
[0075][0076]
表3尾砂化学组成成分(％)
[0077][0078]
2)根据剪切盒尺寸，选取73％质量浓度制备4组试件，其中试件直径r为61.8mm，高为45mm，养护3d后分别在100kpa、200kpa、300kpa、400kpa法向应力下进行直剪实验，为降低实验误差，每组进行3个平行试验，最终对剪切应力选取平均值；
[0079]
(3)对全尾砂充填体试件进行直剪试验，记录剪切时间t和测力环读数m，计算出剪切位移l：
[0080]
l＝v
·
t
[0081]
式中：v为剪切速率(mm/min)，t为剪切时间(min)；
[0082]
(4)将动态变化的有效剪切面积se带入抗剪强度τ的表达式中，得出考虑剪切面积动态变化的抗剪强度表达式τe，通过剪切时间t和测力环读数m计算出试件考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe；
[0083]
其中抗剪强度τ的表达式为
[0084][0085]
式中：τ为抗剪强度，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积；
[0086]
动态变化的有效剪切面积se通过积分法确定；
[0087]
直剪实验中剪切面积动态变化示意图见图1，积分法计算动态变化的剪切面积示意图如图2所示，o1、o2距离为剪切位移l，剪切盒半径为r，以o1为原点建立直角坐标系，通过积分法确定动态变化的有效剪切面积se：
[0088][0089]
化简得：
[0090][0091]
式中：se为动态变化的有效剪切面积，r为剪切盒半径，l为剪切位移；
[0092]
考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度τe为、
[0093][0094]
式中：v为剪切速率，t为剪切时间，c为测力环系数，m为测力环读数，se为有效剪切面积；
[0095]
100kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图见图3，200kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图见图4，
300kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图见图5，400kpa法向应力下本方法与传统方法的剪切应力-剪切位移关系对比曲线图见图6，本方法充分考虑直剪实验过程中有效剪切面积动态变化，不断变小的问题，更符合实际情况，由图3～6可知，不同法向应力下，使用本方法对充填体抗剪强度的计算结果均高于传统方法，且随着法向应力的增大，误差也逐步增大，达到8.2～12.6％；
[0096]
(5)绘制抗剪强度τ
e-法向应力σ的关系曲线(见图7)，通过摩尔-库伦准则计算出黏聚力c和内摩擦角值(见表4)；摩尔-库伦准则为
[0097][0098]
式中：τe为考虑剪切面积动态变化的充填体抗剪强度，σ为法向应力，为内摩擦角，c为黏聚力；
[0099]
表4黏聚力c和内摩擦角值
[0100][0101]
从表1可知，本方法充分考虑直剪实验过程中有效剪切面积动态变化，不断变小的问题，更符合实际情况，与传统抗剪强度的计算方法得出的充填体抗剪强度指标误差较大，其中黏聚力c误差达到4.3％，内摩擦角误差达到12.1％。
[0102]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。