采场充填料浆流动与离析规律的试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.520

采场充填料浆流动与离析规律的试验研究

史采星^,¹^,², 郭利杰^,¹^,²^,^*, 陈鑫政¹^,²

1 北京矿冶科技集团有限公司，北京 100260

2 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 100260

Experimental Study on the Law of Flow and Segregation of Filing Slurry in Stope

SHI Caixing^,¹^,², GUO Lijie^,¹^,²^,^*, CHEN Xinzheng¹^,²

1 Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy Technology Group，Beijing 100260，China

2 National Center for International Joint Research on Green Metal Mining NCGMM，Beijing 100260，China

收稿日期: 2018-04-22 修回日期: 2018-06-16

基金资助:

国家自然科学基金面上项目“采场充填体的三维应力解析及其强度设计理论”. 51774040
和国家自然科学基金青年基金项目“大体积松散体水泥—水玻璃浆液可控灌注机理实验研究”. 41602365

Received: 2018-04-22 Revised: 2018-06-16

作者简介 About authors

史采星（1987-），男，河北沧州人，工程师，从事矿山充填理论与技术研究工作csuboy520_shi@163.com , E-mail：csuboy520_shi@163.com

郭利杰（1980-），男，河南南乐人，教授级高级工程师，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guolijie@bgrimm.com , E-mail：guolijie@bgrimm.com

摘要

为研究采场充填料浆流动规律及充填料浆离析分层对充填体强度的影响规律，开展了充填料浆流动相似模拟试验及采场原位充填体力学强度测试试验，研究结果表明：单点下料时充填料浆流动终态坡面趋向于正态分布。流动过程中充填料浆产生离析分层现象，主要表现为充填体物料的粒径沿料浆流动方向呈先增大后减小的趋势，充填体强度沿料浆流动方向呈先减小后增大再减小的倒转“S”形趋势。采场原位充填体强度在下料口附近与标准试块强度接近，在采场中间位置附近的充填体强度最小，在距离下料点采场长度7/10左右的位置充填体强度达到最大值。研究成果能够为充填采场下料管的数量及位置设计提供依据，从而保证充填体的整体质量。

关键词： 充填料浆 ; 水槽 ; 流动规律 ; 离析 ; 粒径 ; 强度分布 ; 矿山充填 ; 原位充填体

Abstract

In order to study the flow law of filling slurry and the influence of filling slurry segregation on the strength of filling body，the simulation test of filling slurry flow and the mechanical strength test of the filling body in situ were carried out，which showed that the terminal slope of the filling slurry flow tends to the normal distribution.Segregation stratification generated in the process of filling slurry flow is mainly manifested as the particle size of the filling material decreases with the flow direction of the slurry，the filling strength decreases with the flow direction of the slurry flow，and in the trends of decreasing-increasing-decreasing as "S" inverted.The strength of the filling body is close to that of the standard test block in the vicinity of the feed opening，while the filling strength is the minimum near the middle of the slope，length at location near 7/10 of slope，the maximum.The research results can provide the basis for the design of the quantity and location of the filling pipe in the filling slope，so as to ensure the whole quality of the filling body.

Keywords： filing slurry ; flume ; flowing law ; segregation ; particle size ; strength distribution characteristics ; mine filling ; in-situ filling body

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本文引用格式

史采星, 郭利杰, 陈鑫政. 采场充填料浆流动与离析规律的试验研究. 黄金科学技术[J], 2018, 26(4): 520-527 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.520

SHI Caixing, GUO Lijie, CHEN Xinzheng. Experimental Study on the Law of Flow and Segregation of Filing Slurry in Stope. Gold Science and Technology[J], 2018, 26(4): 520-527 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.520

充填采矿法具有能够控制地压、资源回收率高、环保安全等优点，在地下矿山中采用充填采矿法回采矿石已成为矿业发展的趋势^[1,2,3,4,5]。充填开采时采场充填体强度是影响后续采场能否安全回采的重要指标。随着矿山开采深度的增加，深部资源高应力、高岩温的恶劣开采条件对深井充填体质量的要求越来越高^[6,7,8]。充填体质量的含义包括充填体强度质量和充填体整体质量2个层面，前者是充填质量控制的基础，其可靠性是影响采充平衡和开采安全的重要因素^[9,10,11]，后者包括充填料浆在采场内流动沉积形成充填体的结构均匀性和强度分布均匀性。深井充填水力高势能冲击及充填料浆流动过程中分层离析的影响，造成充填体内部结构具有很强的不均匀性，使充填体并未呈现出实验室内标准试块的强度，离散性较大，因此深部充填体质量较浅部充填更难以保障^[12]。但采矿技术人员在设计采场充填参数时，多数情况下是以室内标准试块的强度为依据进行采场充填设计，未考虑充填料浆流动过程中分层离析产生的影响，因此非常有必要对采场充填料浆流动沉降规律与原位充填体力学特性进行研究。尹裕等^[13]、甘德清等^[14]通过室内相似模拟试验，从充填体力学强度的角度研究了充填料浆离析导致模型中充填体强度与实验室标准试块强度的差异；卢宏建等^[15,16]通过相似模拟试验及原位充填体取芯研究了采场充填体强度分布规律。本文以某铜矿为依托，基于大尺度相似模拟试验及原位充填体力学强度测试试验，从充填材料粒径组成及充填体力学强度的角度，分析充填料浆的流动和离析规律，探索其因离析分层产生的采场充填体强度变化规律，从而为充填采场下料管的数量及位置设计提供依据。

1 尾砂基本物理参数测试

安徽某铜矿是1986年按新模式组建的一座大型铜铁矿山，设计采选能力为3 500 t/d。矿体厚大，矿石价值中等：含铜1.0%～1.2%，铁30%～35%。矿山采用的主要采矿方法为大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，采场阶段高度为60 m，采场垂直矿体走向布置，采用“隔一采一”的回采顺序，一步骤回采为嗣后尾砂胶结充填，二步骤回采采用嗣后尾砂非胶结充填。充填工艺流程为分级后的分级尾砂经泵送至充填站立式砂仓。立式砂仓中沉降浓缩的尾砂经高压水造浆后自流至搅拌桶与水泥混合搅拌均匀，然后通过充填钻孔自流至井下采场进行充填。

试验测试所用分级尾砂取自该铜矿重介质厂出料口，经自然晾干后开展了密度和容重测试，测试结果见表1。

表1 分级尾砂基本物理参数

Table.1 Basic physical parameters of classifying tailings

材料名称	密度/（g·cm^-3）	容重/（g·cm^-3）	孔隙率/ %
分级尾砂	3.058	1.445	52.76

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将分级尾砂与矿山充填使用的水泥按照重量比4∶1混合均匀（下文称为标准样品），采用马尔文激光粒度测试仪测定混合料的粒级，获取的参数为下文分析充填料浆流动过程中产生分层离析提供数据支撑，粒级组成见图1。用粒度参数d10、d30、d50、d90表征粒径分布，dx的含义是样品的累计质量含量为x%时所对应的粒径，其值越大代表样品在该粒径下的样品量越少，也代表样品粒径相对较粗。粒度参数见表2。

图1

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图1 粒级分布曲线

Fig.1 The particle size distribution curve

表2 混合料粒度参数

Table.2 Particle size parameter of mixture（μm）

材料	d10	d30	d50	d90
标准样品	3.70	22.90	53.79	220.36

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2 充填料浆流动相似模拟试验

为初步掌握充填料浆在采场的流动规律，依据相似理论采用有机玻璃制作充填料浆流动相似试验模型。根据调研获得该矿标准采场尺寸（长×宽×高）为50 m×15 m×60 m，采用1∶15的几何相似比，制作的相似模型尺寸（长×宽×高）为3.3 m×1.0 m×0.8 m。

该矿充填料浆工作流速在2.8~3.5 m/s之间，随着开采深度的增加，充填倍线变小，工作流速维持在较大值，本试验取3.5 m/s进行相似流速计算，根据弗劳德准则^[17]确定充填料浆流动速度为0.9 m/s，流量为1.9 L/min。试验流程见图2。试验开始之前，先在搅拌桶中按照矿山常用充填参数即料浆浓度为72%、灰砂比1∶4配置一定量的充填料浆，经搅拌桶搅拌均匀后，通过测定下料漏斗的量确定试验达到设计流量时的阀门开度。

图2

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图2 试验流程设计图

1-搅拌桶；2-下料漏斗；3-支架；4-工作台阶；5-球阀

Fig.2 Design chart of test flow

开展标准试验时，由于有机玻璃较为光滑，为模拟采场底部的粗糙度，在模型底部铺设一层36目砂纸，以确保工况与实际充填时相符，由于配置的砂浆浓度较高，泌水率为3%~5%，因此不考虑料浆脱水。

2.1 充填料浆流动终态坡面研究

配置一定量的浓度为72%、灰砂比1∶4的充填料浆，通过搅拌桶、下料漏斗将充填料浆输送至水槽模型，待充填料浆在模型中达到一定界面后，停止供料，在充填料浆稳定后，用直尺测量不同位置的高度，以下料点竖直方向为Y轴，流动方向为X轴，绘制沉降轨迹坡面曲线图，见图3。

图3

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图3 充填料浆流动终态坡面图

Fig.3 Filling slurry flow diagram of the final state of slope

对充填料浆流动终态轨迹坡面进行非线性拟合，得出曲线方程如式（1），拟合相关系数为0.99481，拟合程度满足精度要求。

f (x) = 57.41 - \frac{71.18}{\sqrt[]{2 π} \times 1.83} \times e^{- \frac{{(x - 3.27)}^{2}}{2 \times 1 . 83^{2}}}

（1）

设：

g (x) = \frac{57.41 - f (x)}{71.18}

（2）

则：

g (x) = \frac{1}{\sqrt[]{2 π} \times (- 1.83)} \times e^{- \frac{{(x - 3.27)}^{2}}{2 \times {(- 1.83)}^{2}}}

（3）

由式（3）可知，g(x)是服从X~N（3.27，1.83²）的正态分布函数，而g(x)是f(x)的线性函数，因此可判断充填料浆在采场中的流动终态轨迹坡面趋向于正态分布。

2.2 充填料浆粒径分布特性分析

在完成充填料浆坡面高度测量之后，用取样器沿流动方向按一定顺序取样，取样高度为40 cm附近，然后将试样放入无水乙醇中防止水泥水化，取样完成后，统一烘干，利用马尔文激光粒度测试仪测定其粒径，分析粒径分布特性。取样位置见图4,粒径参数见表3。

图4

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图4 取样位置示意图

Fig.4 Schematic of sampling points

表3 不同位置粒度参数

Table.3 Particle size parameters at different

取样位置	d10	d30	d50	d90
1#	5.86	29.81	59.85	243.46
2#	11.09	50.81	94.26	316.27
3#	12.18	55.23	104.35	351.23
4#	11.14	52.25	106.10	395.80
5#	11.89	59.76	129.18	445.32
6#	7.47	39.36	77.60	275.61
7#	7.04	34.41	63.92	197.61
8#	6.97	36.69	67.20	208.70
9#	4.03	18.07	39.83	134.37

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对比表2和表3可知，不同位置的物料粒级发生了较大的变化，证明充填料浆在模型内流动过程中发生了分层离析现象。为了更加直观地对比混合料的粒级分布特性，将表2和表3中的数据绘制成如图5所示的曲线，进行分析。

图5

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图5 不同位置粒度参数（0#代表标准样品）

Fig.5 Particle size parameters at different positions（0# stands for standard samples）

由图5可知，沿充填料浆流动方向充填体物料的不同粒度参数均未呈直线状，而是呈先增大后减小的下凹型曲线状，说明充填料浆在流动过程中发生了分层离析现象，充填体物料的粒径沿料浆流动方向呈先增大后减小的趋势。物料粒径最大并不是位于下料口位置（1#），而是位于模型中央位置，这是由于充填料浆在下料口有冲击作用，并且粗颗粒物料在重力作用下向前推移一段距离后逐渐沉积，而细颗粒物料沉降速度慢，继续向前流动，最终慢慢沉积稳定，因此，在流动方向最远处细颗粒较多。

2.3 充填体强度分布特性分析

将水槽整体放入养护室中，通过空调系统将温度和湿度分别控制在20 ℃和90%，养护28 d后，按照图6所示的取样方案通过直径为63 mm的手钻进行取芯，采样间距为200 mm，取芯直径为56 mm。利用切割机加工成112 mm的圆柱形标准试块，开展单轴抗压强度试验。试验采用微机控制电液伺服压力试验机和压力传感器进行。压力测试机的加载速率控制在2 mm/min；压力读数采用北京航天空气动力技术研究院生产的压力传感器采集和显示，压力传感器量程为20 kN 。取每个钻孔内多个充填体试块的平均强度值作为该钻孔处充填体单轴抗压强度值，结果如图7所示。

图6

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图6 钻孔取样布置示意图

Fig.6 Schematic diagram of borehole sampling points

图7

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图7 不同钻孔充填体平均抗压强度值

Fig.7 Average compressive strength value of filling body in different drilling

图7中标准试块强度值是在充填料浆浓度为72%、灰砂比为1∶4、养护龄期为28 d的条件下测得的。由图7可知，钻孔取样的充填体的平均强度值与标准试块强度值相差不大，但在流动方向上，充填体试块强度随流距的增大呈先减小后增大再减小的趋势。接近下料口位置的充填体强度与标准试块强度接近，接近模型中间位置的充填体强度最小，在模型长度7/10左右的位置充填体强度达到最大值。

充填料浆是由尾砂、水泥和水组成的混合物，结合2.2节充填料浆粒径分布特性分析可知，充填料浆在流动过程中，由于产生离析分层现象，粒径较小的颗粒随料浆流动逐渐被推向模型远端，导致粒径较粗的尾砂在模型前1/2所占比例越来越大，在模型后1/2的细颗粒比例越来越大。而水泥粒度相对尾砂要小很多，因此模型后1/2部分水泥相对较多。细颗粒的尾矿比表面积大，其与水泥发生水化反应时接触面积越大，水化反应越充分，水化反应后产生的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶也越多，充填体更加密实，充填体强度也就越大，从而导致不同区域充填体强度存在差异^[18]。

由于模型尺寸相对采场较小，可能存在尺寸效应，在流动方向末端可能会产生边界效应，导致末端的物料粒径、充填体强度规律与实际充填采场不符。为进一步研究充填料浆流动与离析规律，需对充填采场的原位充填体力学强度特性开展研究工作。

3 充填采场原位充填体强度分布特性

该矿充填工艺如下：在立式砂仓中沉降浓缩的分级尾砂经高压水造浆后自流至搅拌桶中与水泥按一定比例混合搅拌均匀，然后通过充填钻孔自流至井下采场进行充填。采场底部充填参数：充填浓度为72%、灰砂比为1∶4，充填高度一般不低于8 m。

经现场调研，选择-618m2P采场作为验证采场，该采场垂直矿体走向布置，长度为矿体厚度（50 m），宽度为15 m，高度为60 m，矿体倾角约80°。根据充填台账可知，该采场底部充填参数为71%~72%浓度、灰砂比1∶4，充填高度10 m。

3.1 取芯方案简介

取芯设备为XY-2型岩芯钻机，所用钻杆直径为42 mm，岩芯管直径为60 mm，套管直径为91 mm，取芯直径约为56 mm。钻孔方位角215°，为研究充填料浆水平方向流动规律，同时保证钻机工作用水不影响充填体质量，钻孔角度设计为2°，钻孔长度约为55 m。取芯钻孔设计见图8。

图8

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图8 2P采场取芯钻孔参数

Fig.8 Core drilling parameters of 2P stope

由前文可知，深部充填料浆流速一般为3.5 m/s，甚至更高。根据物理学知识，可大致描绘出充填料浆在采场的运动轨迹如图8所示，由图可知充填料浆在充填采场底部时，首先下落在下盘围岩上，再沿着围岩流至采场底部。由此可确定充填料浆在底部的下落点，即为取芯钻孔开口端。取出的原位充填体通过切割机加工成高径比为2的标准试块。

3.2 采场原位充填体力学特性分析

对加工好的标准试块开展单轴抗压强度试验，试验过程与前文保持一致。在距离取芯开口端约12 m处，由于遗留了较多的矿石，取出的充填体芯较为破碎且含矿石，为研究采场单一原位充填体强度变化规律，对前12 m充填体不进行分析。以钻孔进尺为X轴，料浆流动方向为正向，单轴抗压强度值为Y轴，绘制不同位置充填体强度与钻孔进尺的关系如图9所示。

图9

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图9 采场不同位置充填体强度

Fig.9 Strength of filling body in different filling positions

由图可知，钻孔取样的充填体平均强度值与标准试块强度值仅相差约0.4 MPa，较为接近，这与相似模拟试验所得结论一致。在流动方向上充填体变化范围较大，最小值为1.38 MPa，最大值为7.32 MPa，平均值为3.5 MPa。由不同位置充填体强度多项式拟合曲线可知，沿充填料浆流动方向充填体强度同样呈先减小后增大再减小的趋势，为倒转“S”形，拟合结果见式（4)。

y = - 3.5 \times 10^{- 4} x^{3} + 0.0346 x^{2} - 0.972 x + 11.643

（4）

在下料点附近即钻孔进尺12～22 m区间，沉积的尾砂相对较粗，强度稳定并能达到平均值，这与相似模拟试验结论一致。

钻孔进尺24～28 m区间内是一过渡区域，尾砂相对较细，水泥沉积相对较少，因此大多数充填体单轴抗压强度未能达到平均值，此区域约位于采场的1/2位置，同样与相似模拟试验结论一致。

在钻孔进尺28～49 m区间内,充填料浆中水泥含量相对较多，因此呈现出充填体强度大于平均值的现象，其中较大强度值出现在40~45 m区域，约在采场长度的7/10~8/10位置处，考虑到钻孔具有2°的倾角，可知充填体高强度集中区基本在采场流动方向7/10的位置，同样与相似模拟试验结论一致。

在钻孔进尺49～55 m区间内，由于距离下料点较远，尾砂相对较细、水泥相对较少，因此又呈现出充填体强度低于平均值的现象。

综上所述，实际采场中原位充填体强度力学特性规律基本与充填料浆流动相似模拟试验所得结论一致，不但说明充填料浆流动相似模拟试验可靠度高，而且证明充填料浆在流动过程中由于离析分层导致充填体强度不均匀，尤其是在充填料浆下料点与流动方向末端的中间位置充填体强度值最低。

较低的充填体强度不利于矿山下一步的安全回采，因此在充填采场设计时有必要针对充填料浆流动过程产生的离析分层现象开展相应的设计工作。本试验可为充填采场充填设计提供指导依据，对于需要在充填体下采矿、接顶充填等工艺，建议采用多点下料的方式，有条件的矿山可采用上下盘同时下料的方式进行充填作业，以保证充填体的均匀性。

4 结论

通过开展充填料浆流动相似模拟试验及采场原位充填体力学强度测试试验，得出采场充填料浆流动及离析规律如下：

（1）充填料浆流动终态坡面趋向于正态分布，充填料浆流动过程中会产生离析分层现象，主要表现为充填体物料的粒径沿料浆流动方向呈先增大后减小的趋势。下料口位置的物料粒径并不是最大，最大物料粒径位于模型中央位置，这是因为流动过程中粗颗粒物料向前推移一段距离后逐渐沉积，而细颗粒物料沉降速度慢，继续向前流动，最终慢慢沉积稳定。

（2）通过相似模拟试验可知，充填体的平均强度值与标准试块强度值相差不大，但在流动方向上，充填体试块强度随流距的增大呈先减小后增大再减小的趋势。接近下料口位置的充填体与标准试块强度接近，在接近模型中间位置的充填体强度最小，在模型长度7/10左右的位置充填体强度达到最大值。

（3）通过钻孔取芯研究了充填采场水平方向充填体强度分布特性，所得结果与相似模拟试验结论一致，不但说明充填料浆流动相似模拟试验可靠度高，而且证明充填料浆在流动过程中由于离析分层导致充填体强度不均匀。

（4）本试验系统研究结果能为充填采场参数设计及下料管布置提供依据，从而保证采场充填体的整体质量，提高二步回采的安全性。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

贺桂成，刘永，丁德馨，等.

废石胶结充填体强度特性及其应用研究

[J].采矿与安全工程学报，2013，30(1):74-79.