考虑胶结物含量的充填体蠕变特性研究

胶结充填体处于长期荷载环境,其长期服役性能关系到采空区的安全与稳定。为了探究胶结充填体蠕变变形特征,开展了胶结充填体的单轴分级加载蠕变试验,探讨了胶结物含量对胶结充填体蠕变变形破坏特性的影响,建立了能够表征胶结物含量的胶结充填体蠕变损伤本构模型,推导了相应的蠕变本构方程。研究结果表明:(1)长期荷载作用下,胶结充填体存在减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段,但胶结物含量越高,胶结充填体的瞬时蠕变量和瞬时蠕变速率越小,且进入加速蠕变破坏阶段的时间越晚;(2)蠕变过程中,胶结充填体的弹性模量与蠕变时间、胶结物含量呈非线性关系,但其初始弹性模量与胶结物含量呈正比关系;(3)改进的Burgers蠕变模型与不同胶结物含量下的试验数据吻合度较高,能够较好地表征不同胶结物含量下的胶结充填体蠕变变形规律。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此,制作胶结充填体的标准圆柱体试样,采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:①不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;②不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;③对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;④构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度,较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。     

深部开采尾砂胶结充填体变形的混沌研究

试验得出了不同配比尾砂胶结充填体最大屈服应变,对深部开采高阶段充填体变形进行了监测,用混沌理论研究了充填体稳定性。通过对监测数据重构相空间,提示了不同配比充填体变形的内在规律。根据监测数据,计算了不同配比尾砂胶结充填体变形的混沌吸引子和最大Lyapunov指数,并用最大Lyapunov指数预测了充填体变形,确定了安庆铜矿深部开采高阶段矿柱合理回采周期。研究结果表明:充填体变形具有混沌特性,混沌理论能较好地反映尾砂胶结充填体的变形与破坏特征;充填体配比越低,变形的分形维数越高,最大Lyapunov指数越大。     

深部开采尾砂胶结充填体变形的混沌研究

试验得出了不同配比尾砂胶结充填体最大屈服应变，对深部开采高阶段充填体变形进行了监测，用混沌理论研究了充填体稳定性。通过对监测数据重构相空间，提示了不同配比充填体变形的内在规律。根据监测数据，计算了不同配比尾砂胶结充填体变形的混沌吸引子和最大Lyapunov指数，并用最大Lyapunov指数预测了充填体变形，确定了安庆铜矿深部开采高阶段矿柱合理回采周期。研究结果表明：充填体变形具有混沌特性，混沌理论能较好地反映尾砂胶结充填体的变形与破坏特征；充填体配比越低，变形的分形维数越高，最大Lyapunov指数越大。     

长壁胶结充填覆岩移动变化规律初探

针对长壁工作面胶结充填开采后覆岩移动及矿压显现规律的理论研究亟待提高的现状,首先在实验室内对胶结充填体的力学性能进行了测试,测定了本次实验中充填体弹性地基系数的取值范围为0.015~0.167 GN/m³;在综合分析岩层移动变形和充填体受力特征的基础上,应用弹性地基梁理论,建立了充填开采顶板岩梁移动变形的数学力学模型,求得了该模型的解析解;并通过数值求解的方法,详细分析了充填区覆岩移动变形的各影响因素和充填区支承压力分布变化规律。结果表明：在长壁胶结充填采矿中,应根据不同的采矿地质条件,制备具有一定强度和刚度的胶结充填体;合理的充填体地基系数对于覆岩下沉及其变形的控制起了决定性作用;该研究可对长壁胶结充填实践的工程应用提供理论指导。     

基德克里克矿业公司废石胶结充填及其质量控制

基德克里克矿业公司的废石胶结充填量约为1万t／d。所用废石胶结充填料由不同级配的分级集料和不同配比的胶结剂混制而成。技术特性经严格控制的废石胶结充填料可用于矿柱的后继回采，并可改善岩层的被动-主动支护．在胶结剂用量相同的条件下，废石胶结充填体比标准的水砂胶结充填体的抗压强度、弹性模量、粘聚力和摩擦角要大许多．基德克里克公司设计的废石胶结充填料不仅要承受上部充填体的重力负荷，而且也要在一定程度上承受相邻采场和／或矿柱爆破时的动力负荷。基德克里克矿业公司的充填系统可在以下三个阶段控制所用材料的质量，即：1．充填料地表制备站制备；2充填料输送；3．充填料充放阶段。本文着重论述了基德克里克矿业公司各矿单一采场的充填设计和在矿柱回采中最终可能有4个帮壁都暴露出来的大型空场法采场控制充填质量的措施。     

空场嗣后充填法充填体对围岩移动控制作用时空规律研究

以某铁矿-230~-290 m首采中段工程为研究对象,采用现场多点位移计监测及数值模拟相结合的方法,针对大直径深孔阶段空场嗣后充填法充填体对采场围岩移动控制作用的时空规律进行了研究,建立了上覆岩层移动控制的支承压力三维力学结构模型。研究结果表明,15 m宽度的采场结构只要在延滞期内及时充填,围岩的移动变形能够得到有效控制。矿体下盘成为支承上覆岩层的主要承载结构,胶结充填体支承上覆岩层的能力有限,但能够有效限制上覆岩层的移动变形,矿房和矿柱采场围岩最终变形量无差异性,覆岩最大下沉量39 mm,地压显现不明显。     

充填采矿法胶结充填体力学作用分析

结合某矿山应用胶结充填采矿法的试验 ,测试胶结充填体的力学参数 ,采用数值模拟方法研究胶结充填体的受力情况和变形特征。结果表明 :尾砂胶结充填体 ,具有独特的支护特性和力学特征、良好的可塑性和较高的残余强度 ;尾砂胶结充填体受动态载荷作用的动态强度、动态弹性模量均高于受静态载荷的静态值 ;胶结充填体的支护作用是对围岩的限制和与围岩的共同承载。     

长壁逐巷胶结充填工作面关键参数设计

针对河南某矿老城区下压煤回采困难等问题,提出了应用长壁逐巷胶结充填采煤法回采老城区下煤炭资源。分析了充填工作面处于前、中、后3个充填时期的煤层-充填体相互作用状态,提出了胶结充填采煤工艺的3个关键参数;采用理论分析和数值模拟方法研究了充填工作面的应力分布及围岩变形特征;在数值模拟的基础上,建立了煤层-充填体控顶力学模型,得到了顶板下沉挠度曲线。研究表明:长壁逐巷胶结充填采煤的充填巷道宽度为5 m,间距为3倍掘巷宽度,充实率为90%时,能有效地避开上一条巷道开挖的应力增高区,顶板最终下沉位移为0.281 m,对顶板变形起到了良好的控制作用。     

建筑物下压煤胶结充填条带开采模式

为了解决条带开采回采率相对较低和煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制建筑物下采煤围岩变形和地表沉陷,提出了采空区胶结充填条带开采模式,并阐述了该模式的技术思路;以胶结充填体和覆岩结构联合控制开采沉陷为原则,深入研究胶结充填条带开采模式下不充填区工作面采宽和充填区工作面采宽及两者间的协调关系,并求得了两者间的关系式;该模式对建筑物下开采设计是十分有效的,能够有效地控制地表移动和变形,提高采区回采率,以实现建筑物下安全采煤并最大程度地减少充填开采成本。     

大红山铁矿细粒级尾砂胶结充填材料充填强度试验研究

为探索大红山铁矿细粒级尾砂胶结充填材料充填强度,结合大红山铁矿实际需求,对细粒级尾砂胶结充填材料应用及充填体强度进行试验研究。试验结果表明,采用新型胶结材料代替传统硅酸盐水泥,分级尾砂胶结充填时,灰砂比1∶10时即能满足充填采矿工艺要求;全尾砂胶结充填时,新材料胶结灰砂比1∶8的28 d抗压强度与分级尾砂水泥胶结灰砂比1∶4的28 d抗压强度相当,能有效降低充填成本,具有良好的经济效益和环保效益。     

金城金矿东季矿充填系统改造

对比金城金矿东季矿充填系统改造前后的状况 ,介绍主要改造措施和效果。采用高压风流态化造浆技术替代水造浆 ,新的充填系统可对尾砂的粒级进行控制 ,提高了充填料浆的浓度和流量 ,因而胶结体强度高、脱水少、跑浆少、水泥浪费少、井下排水费用低、采充循环周期短 ,提高了生产效率 ,经济效益较好。     

胶结充填在铁山矿的应用

铁山矿是金岭铁矿三个重要铁矿石生产基地之一。在铁矿石回采过程中形成大量空区。铁山矿原采空区采用废石干充。由于掘进废石的减少,采用胶结充填等方式对采空区进行治理。由于采空区形成的时间过长,部分矿柱塌落或回采,空区充填的难度大。为了能实现用尾砂胶结充填的方式对采空区进行治理,想出各种办法解决胶结充填中出现的问题,诸如密闭墙设计和滤排水以及料浆配制充填控制等。实现了高效率的胶结充填,从而消除了采空区所带来的安全隐患。     

金川矿山混合充填材料配比试验

充填料浆配比对充填体强度和砂浆输送特性产生重要影响。针对金川矿山棒磨砂供应严重不足,开展了棒磨砂、棒磨砂+河砂和棒磨砂+河砂+粉煤灰3种充填材料添加相同水泥的充填体强度、砂浆流动度、泌水率和沉降损失率的试验研究。试验结果显示,河砂与棒磨砂配比为2∶8的混合充填料与单一棒磨砂充填体强度相当,砂浆流动度、泌水率和沉缩损失率稍差,但满足金川矿山充填采矿要求。当添加水泥重量的30%粉煤灰后,不仅显著提高充填体强度,而且还可改善砂浆流动度、泌水率和沉降损失率;同时还降低棒磨砂浆充填料浆的分层度,有利于提高充填体质量和充填接顶率。研究成果已经应用于金川矿山充填料浆制备和工业化生产。     

紫金山新型尾砂胶结充填材料的试验研究

为降低紫金山充填成本,利用矿山废渣制备的新型胶凝材料开展尾砂充填试验。结果表明:分级后的尾砂级配更好,有利于尾砂充填。与水泥尾砂充填结果比较,新型胶固料尾砂充填试块抗压强度明显优于水泥充填试块,28 d抗压强度最高可达水泥的2.4倍。在同等条件下,新型胶固料的充填试块沉缩率(1.62%)小于水泥充填试块沉缩率(5.3%),且新型胶固料与水泥充填料浆的坍落度相近。若采用新型胶固料充填,可选用分级尾砂、矿浆质量分数在74%~76%进行自流充填。     

分段碎石水泥浆充填采矿方法的研究与应用

丰山铜矿南缘矿带开采技术条件复杂，原采用的无底柱分段崩落法在生产中存在较大问题。研究应用了分段碎石胶结充填采矿方法较好地解决了这一问题，介绍该采矿方案和碎石水泥浆胶结充填新工艺，以及从崩落法过渡到充填法的生产衔接技术。     

固体充填胶凝材料试验研究与应用

针对目前“三下”采煤充填成本较高和充填效率低下等问题,以矿粉这种低成本水硬性胶材为主,辅以少量石膏和水泥熟料,得到了适用于矿山高效固体充填的早凝、低成本的胶凝材料。通过对矸石粒径级配和胶凝材料固化机理进行了分析,设计正交试验确定出胶凝材料最优配比,即：当石膏5%、水泥熟料25%、矿粉70%时,可实现短时间脱模,表明在该掺量下胶凝材料的水化反应程度最好,其中矿粉中的活性成分能够在早期反应生成水硬性钙矾石(AFt),促进充填体强度的形成。养护后充填体的7d、28d强度可达到3.48MPa、5.11MPa,略低于425#硫铝酸盐双快水泥的7d和28d成型强度,但在成本上具备明显优势。结合工业应用,对实际充填效果、液压支架工作阻力和地表沉陷观测数据进行分析,表明该胶凝材料在提高充填效率、加强顶板管理等方面发挥着积极作用。     

基于响应面法的废石-细尾砂充填性能优化试验

为获得满足矿山采矿强度要求的废石-细尾砂充填最佳配比,首先根据混合骨料的堆积密实度和料浆浓度初探试验,初步获得配比范围;在此基础上利用响应面法建立了以废石-细尾砂充填体的3、7、28 d抗压强度为响应值的回归模型,揭示了骨料配比、浓度和灰砂比三因素对充填体强度的影响规律,并通过回归模型优选出充填最佳配比,进行半工业试验验证。结果表明,当充填体养护至3、7 d时,浓度和灰砂比两因素的交互作用影响显著;当充填体养护至28 d时,骨料配比与浓度的交互作用影响显著。当骨料配比1∶3、浓度82%、灰砂比1∶4时,废石-细尾砂充填性能完全满足矿山的充填需求,为废石-细尾砂混合骨料膏体充填性能优化提供了理论基础。     

基于充填体稳定性判定的等灰砂比充填可行性研究

将压力拱理论与简支梁理论相结合分析了下向进路胶结充填体的稳定性,给出了充填体稳定性的简易判定公式;首次提出了等灰砂比充填的充填方案,并结合金川二矿区工程实例,对新方案的可行性进行了论证,使用的高浓度料浆胶结充填法若采用等灰砂比充填,灰砂比设为1∶6能满足强度要求,且每年能节约成本约140万元。     

矿山胶结充填体的硫酸盐侵蚀预防

将选矿过程中产生的尾矿砂用作胶结充填体的骨料,不仅节约充填成本,而且有利于保护矿区周边环境。分析了尾矿充填体中硫化物氧化引起的硫酸盐侵蚀机理,提出使用具有抗硫酸盐侵蚀作用的火山灰质水泥,减少尾矿砂在空气中的暴露时间,添加粉煤灰等可行的工程防治措施,以改善硫化物氧化产生的硫酸盐对充填体的长期强度所造成的不利影响。