尾砂胶结充填体三维空间强度分布相似模拟试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.528

尾砂胶结充填体三维空间强度分布相似模拟试验研究

李文臣¹^,²

1北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628

2国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628

Similarity Simulation Experiment on Strength Distribution in Three-Dimen-sional Spatial of Cemented Tailing Backfill

LI Wenchen¹^,², GUO Lijie¹^,²^,^*, CHEN Xinzheng¹^,², LI Zongnan¹^,², LI Xin¹^,²

1Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy Technology Group，Beijing 102628，China

2National Center for International Joint Research on Green Metal Mining，Beijing 102628，China

通讯作者: 郭利杰（1980-），男，河南南乐人，教授，从事矿山充填技术与矿冶固废资源化利用方面的研究工作。ljguo264@126.com

第一联系人: 李文臣(1988-)，男，山东滕州人，博士，工程师，从事充填胶凝材料和矿冶固废资源化利用方面的研究工作。liwenchen-bgrimm@foxmail.com

收稿日期: 2018-03-31 修回日期: 2018-05-18

Received: 2018-03-31 Revised: 2018-05-18

摘要

为探究尾砂胶结充填体强度分布规律，根据某铜矿阶段空场嗣后充填采场尺寸进行了相似模拟试验设计。按照弗劳德相似准则开展模拟井下充填流速和充填流量的充填试验，对胶结充填体三维方向进行了取样及单轴抗压强度试验，系统分析了充填体强度在纵向、横向和竖向3个方向上的分布规律。结果表明：阶段空场嗣后充填采场在一次连续充填段，尾砂胶结充填体单轴抗压强度存在显著的不均匀性；在采场纵向，即料浆流动方向，充填体强度总体上先降低后升高；在横向上具有中间高两边低的趋势；在竖向上表现为由下向上逐渐降低的分布规律。根据以往研究和本次试验可知，尾砂胶结充填体在三维空间上分布不均匀主要是由尾砂级配、水泥含量、固结时料浆实际浓度和流动沉降特性等因素共同作用导致的。

关键词： 胶结充填体 ; 相似模拟 ; 三维空间 ; 强度分布 ; 尾砂 ; 流动沉降

Abstract

To discover the distribution law of cemented tailing backfill，a similarity simulation experiment was designed according to the size of sublevel filling open stope in a copper mine.According to Froude similarity criterion，filling experiments were carried out to simulate filling velocity and filling amount.Samples were drilled from three dimensional space and uniaxial compressive strength （UCS） experiments were performed on all samples.UCS distribution laws of cemented backfill samples in three dimensional were analyzed.The results show that：UCS of cemented tailing backfill①Shows marked nonuniform in sublevel open stope；②Step down and then rise in the longitudinal；③On the transverse，the middle is higher than the fringes；④On the vertical，the strength on bottom is commonly higher than the top.According to previous studies and this experiment，the nonuniform distribution of cemented tailing backfill is mainly caused by factors such as tailing gradation， cement content and slurry concentration during consolidation and flow settlement characteristics

Keywords： cemented backfill ; simulation experiment ; three-dimensional space ; strength distribution ; tailings ; flow deposition

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本文引用格式

李文臣. 尾砂胶结充填体三维空间强度分布相似模拟试验研究. 黄金科学技术[J], 2018, 26(4): 528-534 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.528

LI Wenchen, GUO Lijie, CHEN Xinzheng, LI Zongnan, LI Xin. Similarity Simulation Experiment on Strength Distribution in Three-Dimen-sional Spatial of Cemented Tailing Backfill. Gold Science and Technology[J], 2018, 26(4): 528-534 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.528

充填采矿法是一种安全、环保的采矿方法^[1,2,3,4]，可以有效消纳矿山固体废弃物和填充地下采空区。其中利用全尾砂进行膏体充填和高浓度胶结充填是近年来研究的热点^[5,6,7,8,9]。胶结充填体是由胶凝材料、充填骨料和水经过搅拌后通过充填管道输送到采空区硬化而形成。不同功能充填体对强度的要求存在一定的差异，为尽可能降低成本，充填采矿中使用尾砂作为骨料，并根据充填体的强度要求设计相应的充填配比^[10,11,12]。在尾砂胶结充填过程中，由于充填料浆黏性的存在和边界条件的多样性，流动现象极为复杂，特别是充填料浆离析现象的发生会导致充填体强度在空间分布上不均匀，进而造成充填体质量无法达到设计要求^[11,12]。

诸多学者对充填体强度分布不均匀性进行了研究，有的研究是基于矿山充填体原位取样，还有的研究是基于相似模拟试验。例如：许文远等^[13]基于相似模拟试验，研究了不同灰砂比的充填体强度和水泥含量分布的不均匀性；甘德清等^[14]研究了充填体在不同高度上的分布规律。以往研究主要集中在探索充填体强度在一维或二维方向上的分布规律，通常由于样本数量的限制，不足以得出充填体强度在三维空间上的分布规律。本文通过较大尺寸的相似模拟试验，在充填体三维方向上进行取样，通过对试样单轴抗压强度的分析得出了胶结充填体强度在三维空间上的分布规律。

1 试验材料

充填材料包括充填骨料、胶凝材料和充填用水。充填骨料选择某铜矿分级尾砂，密度为3.04 g/cm³，分级尾砂粒度分布如图1所示；胶凝材料为该地生产的P.C32.5级复合硅酸盐水泥，密度为3.02 g/cm³；充填用水为该矿选厂回水。

图1

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图1 分级尾砂粒度分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curve of classified tailings

2 试验方案

2.1 相似性模拟设计

（1）试验装置。该矿山充填料浆以自流输送为主，因此试验平台中料浆利用重力自流输送，适用弗劳德相似准则，即流体的惯性力与重力的比值相等。该矿采场结构尺寸为50 m×15 m×60 m（长×宽×高），设定模型与实际尺寸比尺为1∶15，选取采场下端一段充填过程进行模拟，制作长3 300 mm、宽1 000 mm和高800 mm的相似模拟实验平台（图2）。为避免由于有机玻璃表面光滑造成的料浆整体沿箱底水平滑动，在箱底铺一层36目砂纸，以模拟充填采场底部粗糙度。实验装置如图3所示。

图2

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图2 采场充填料浆流动相似模拟试验平台示意图

Fig.2 Schematic diagram of similarity simulation test platform for filling slurry flow in stope

图3

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图3 采场充填料浆流动相似模拟试验平台

Fig.3 Similarity simulation test platform for filling slurry flow in stope

（2）充填量。设计充填量为料浆平均高度h=0.55 m时的总物料量，总体积为V_总=0.55×1×3.3=1.815 m³。

（3）充填流量。弗劳德数的物理意义在于它反映了流动中惯性力与重力之比。根据该矿充填生产时流量稳定在140～200 m³/h之间，常用充填料浆浓度为72%，流量为200 m³/h计算相似模拟试验流量，可以得出矿山采场物理试验相应的动力参数。

根据弗劳德相似准则可知：

流速比尺： $λ_{v} = \frac{v_{p}}{v_{m}} = \sqrt[]{\frac{L_{p}}{L_{m}}} = {λ_{l}}^{0.5} = 15^{0.5} = 3.87$

流量比尺： $λ_{Q} = \frac{Q_{p}}{Q_{m}} = \frac{A_{p} v_{p}}{A_{m} v_{m}} = λ_{A} λ_{V} = {λ_{l}}^{2} {λ_{l}}^{0.5} = {λ_{l}}^{2.5} = 15^{2.5} = 871.4$

时间比尺： $λ_{t} = \frac{λ_{l}}{λ_{v}} = \frac{{λ_{l}}^{3}}{λ_{l} 2.5} {λ_{l}}^{0.5} = 15^{0.5} = 3.87$

实验流量： $Q = \frac{2 \times 10^{5} L / m i n}{871 \times 60} = 3.82 L / m i n$

（4）充填浓度。选取该铜矿充填生产时常用充填料浆浓度72%作为该试验设计浓度，试验过程中料浆浓度控制在72%±0.5%范围内。

（5）灰砂比。根据矿山采场底部充填设计，灰砂比选取1∶4。

（6）搅拌与下料。将制备好的充填材料加入搅拌桶，搅拌后放入下料口，下料位置位于实验装置一段中间位置，如图2所示。本试验为一次性连续下料充填。

3 试验过程

3.1 充填与养护

将满足如上技术参数设计与要求的料浆稳定地充入箱体（图4），将料浆浓度控制在72%±0.5%范围内，在试验过程中每30 min用浓度壶接取充填料浆，进行浓度测试。对照试验：相同条件下浇筑7.07 cm×7.07 cm三联试模2副，作为忽略离析现象的标准试块。充填完毕后，将充填料浆沉缩面以上的泌水排出，最后在箱顶覆塑料布密封养护。

图4

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图4 充填料浆在试验装置形成的胶结充填体

Fig.4 Cemented filling body formed by filling slurry in the test device

3.2 充填体取样

待充填体养护至28 d时，使用钻头Φ63 mm的水钻对充填体进行取样，取样点如图5所示，以中间下料口端开始，在纵向上每隔0.4 m取样，共9排；在横向上每隔0.2 m进行取样，共分A、B、C、D、E 5列；在竖向上分为上、中、下3层（图6）。取出的圆柱试样直径为56 mm，将圆柱试样加工成高径比为2∶1的标准试样。

图5

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图5 充填体三维方向取样示意图

Fig.5 Schematic diagram of sampling in three-dimensional directional of filling body

图6

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图6 相似模拟试验充填体取样图

Fig.6 Sampling chart of filling body in similarity simulation test

3.3 强度试验

采用JES-2000A型压力试验机进行充填体试样的单轴抗压强度试验，压力机加载速率设定为1.0 kN/s。

3.4 充填料浆粒度分布

在充填结束后，立即对C列取样点充填料浆进行取样，用无水酒精对样品进行分散，采用MASTERSIZER2000激光粒度分析仪对样品进行粒度分布测试。

4 结果与分析

所有试样强度试验结果如图7所示，从图中可以看出，本研究中胶结充填体强度在三维空间上存在显著的不均匀性，为更清晰找到强度在3个方向上的分布规律，先分析不同竖向高度平面上纵向和横向2个方向充填试块的强度分布规律，然后再分析不同竖向高度平面之间充填试块的强度分布规律。

图7

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图7 充填体单轴抗压强度试验结果

Fig.7 Test results of uniaxial compressive strength

4.1 充填体强度在纵向上的分布

将图7中距下料口端面相同距离横截面上的所有试样强度取平均值，可以得到胶结充填体在纵向上的强度分布规律，如图8所示。从图中可以看出，随着距下料口端面距离的增加，充填体强度出现显著的波动，即充填体强度在0~1.2 m范围内表现出逐渐降低的规律，在1.2~2.4 m范围内逐渐升高，在2.4~3.3 m范围内也表现出升高趋势，但上升速率有所降低。

图8

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图8 充填体单轴抗压强度在纵向上的分布

Fig.8 Uniaxial compressive strength distribution of filling body in the longitudinal

为了更清晰得到不同高度充填体在纵向上的分布规律，将距下料口端面相同距离且在同一高度上的A~E 5个试样强度取平均值，得出不同高度充填体在纵向上的分布规律，如图9,10,11所示。从图9中可以看出：在0~2.0 m范围内，充填体强度变化不大，普遍低于标准试块强度，而在2.0~3.3 m范围内则有显著升高，逐渐高于标准试块强度。图10显示：中层充填体单轴抗压强度在0~1.2 m范围内逐渐降低，在1.2~2.4 m范围内总体上则逐渐升高，而在2.4~3.3 m范围内则表现出明显下降。图11中展示的上层充填体强度在0~1.6 m范围内均表现为持续下降，绝大多数试块强度低于标准试块。

图9

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图9 下层充填体单轴抗压强度在纵向上的分布

Fig.9 Uniaxial compressive strength distribution of lower-level filling body in the longitudinal

图10

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图10 中层充填体单轴抗压强度在纵向上的分布

Fig.10 Uniaxial compressive strength distribution of middle-level filling body in the longitudinal

图11

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图11 上层充填体单轴抗压强度在纵向上的分布

Fig.11 Uniaxial compressive strength distribution of upper-level filling body in the longitudinal

由此可见，充填体强度在纵向上，即充填料浆的流动方向上，呈现先降低后升高的规律，即呈“卧C”型分布；在充填体中部，也呈现出先降低后升高再降低的规律，即呈“卧S”型分布。

4.2 充填体强度在横向上的分布

将图7中所有结果按照A~E分列，对每一列的所有试块强度取平均值，可以得到胶结充填体在横向上的强度分布规律，如图12所示。从图中可以看出，C组试块的平均强度最大，从中间向两边总体上显示出逐渐降低的规律。

图12

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图12 充填体单轴抗压强度在横向上的分布

Fig.12 Uniaxial compressive strength distribution of filling body on the transverse

4.3 充填体强度在竖向上的分布

将本研究中所有强度试验结果根据其所在高度，按照上、中、下划分为3层，对每一层的所有试块强度取平均值，可以得到胶结充填体在竖向上的强度分布规律，如图13所示。从图中可以看出，充填体下层试块的平均强度最大，总体呈现自下而上逐渐降低的规律。

图13

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图13 充填体单轴抗压强度竖直方向上的分布

Fig.13 Uniaxial compressive strength distribution of filling body on the vertical

4.4 分析与讨论

根据以往研究成果和观察试验可知，充填体强度存在空间分布上的不均匀性^[13,14]，一般是由多种原因共同作用导致的，如骨料粒度分布、水泥含量分布和胶浆固结时的实际浓度分布等^[15,16,17]。基于这些方面可以对本研究得到的充填体强度分布的形成过程进行分析。

首先，在料浆流动方向上，由于料浆浓度在72%时为两相流，随流动会发生料浆中固体颗粒的沉降，粗颗粒物料先沉积下来，细颗粒物料后沉积。图14是充填料浆在流动方向上的中值粒径分布，该图结果可以证明充填料浆在下料口后粗颗粒先沉积、细颗粒后沉积的现象，这将导致水泥含量沿流动距离逐渐降低^[13]，尾砂的细颗粒比例逐渐升高。根据已有研究，水泥含量升高将使得充填体强度升高，而细尾砂比例升高将导致充填体强度降低^[13,17]。这两方面的影响叠加会导致充填体在同一水平面上的强度变化，又根据各自影响程度的不同，最终叠加出不同的强度分布规律。

图14

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图14 充填料浆在纵向上的中值粒径D50分布

Fig.14 D50 distribution of medium diameter of filling slurry in the longitudinal

由图14中充填料浆沉积坡形线可知，充填体在不同位置的高度有差别，这将导致不同的竖向压力和料浆浓度，最终导致充填强度的不同。一般而言，相同配比条件下，充填料浆浓度越低则充填体强度越低，因此呈现充填体自下而上逐渐降低的分布规律。

5 结论

（1）在阶段空场嗣后充填采场中，尾砂胶结充填体的单轴抗压强度在三维空间的分布具有显著不均匀性。

（2）尾砂胶结充填体单轴抗压强度在纵向上，即充填料浆的流动方向，总体上呈现出先降低后升高的分布规律，并且根据竖向高度不同，表现出一定差别。其中，最下层强度逐渐升高；中层强度在0~1.2 m范围内逐渐降低，在1.2~2.4 m范围内总体上则逐渐升高，而在2.4~3.3 m范围内则表现出明显下降；最上层强度则在0~1.6 m范围内均表现为持续下降，绝大多数试块强度低于标准试块。

（3）尾砂胶结充填体单轴抗压强度在横向上，即垂直于料浆流动方向，呈现出中间高两侧低的分布规律；在竖向上表现为由下向上逐渐降低的分布规律。

（4）尾砂胶结充填体强度在三维空间的分布不均匀性是尾砂级配、水泥含量分布、胶浆固结时的实际浓度分布和流动沉积等因素共同作用的结果。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

于润沧.

我国胶结充填工艺发展的技术创新

[J].中国矿山工程，2010，39（5）：1-3.