深井矿山充填体强度分布规律研究

针对深井矿山采场充填的实际情况,充填料浆复杂的流动沉积及离析作用,致使充填体表现出极大强度分布的不均匀性。为此,进行了实验室尾砂胶结充填模拟试验,研究原位充填体的强度与实验室标准试块强度的差异,得出了采场尾砂胶结充填体强度分布规律。在此基础上,对采场充填体强度分布划分为强度增强区和强度减弱区,可改进二步骤回采的深井矿山采场充填管路布置方式,以指导矿山生产实践。     

金属矿山充填体强度分布规律实验研究

西藏甲玛铜多金属矿二期工程首采地段采用充填采矿法进行开采。由于在充填过程中充填料浆的离析分层等原因致使形成的原位充填体具有不均匀性,其强度与实验室充填体标准试块的强度也有很大差异。通过建立大比例尺三维立体仿真物理模拟实验系统,研究采场内充填体强度的分布规律。结果表明：在水平方向上充填体强度随料浆流动方向上呈先增大后减小的趋势,高灰砂比的充填体强度波动程度较小,且在下料口位置附近充填体强度与标准充填体试块强度相当;在竖直方向上充填体强度随深度的增大而增大,且高灰砂比的充填体强度增幅较大。通过对充填体样本进行电子扫描显微镜实验观察其微观结构,从本质上解释不同位置充填体强度差异的原因。     

阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度模型研究

利用普氏平衡拱理论、侧帮楔体滑动理论,构建阶段空场嗣后胶结充填体向临空面滑动的失稳模型,在考虑采场长度、高度、宽度、倾角、围岩和充填体自身材料力学特征、充填体与围岩接触面特性和爆破震动等影响因素的基础上,推导出胶结充填体在极限平衡状态下所需单轴抗压强度理论公式。以某地下稀土矿山为工程实例,开展需求强度设计、影响因素分析和充填配比试验研究,研究结果表明:采场宽12.5 m、高50 m、长40 m和倾角68°时,考虑1.5的安全系数后,充填体设计需求强度1.55 MPa;需求强度随采场长度、高度增加而增大,随采场宽度、倾角增加而减小;采场高度、宽度、倾角和长度对需求强度影响依次降低;推荐灰砂比1∶6、质量浓度78%的充填料浆,28 d抗压强度1.52 MPa,塌落度26 cm,流动度210 mm,流动性能较好,泌水率9.4%,不离析满足生产要求。     

充填采场内膏体流动规律及接顶率预测模型

为了探明下料点位置、充填流量和料浆质量分数对充填接顶率的影响规律和采场内膏体流动规律。利用自主研发的采场模型，开展相似模拟试验。依据实验结果建立接顶率预测模型，并与采场实际接顶率相对比验证模型可靠性。研究结果表明：地下采场膏体流动规律分为四个阶段，分别是简单剪切流动阶段、双层剪切流动阶段、下部沉积与上层剪切阶段及上层剪切阶段。料浆质量分数、下料口位置和充填流量是影响采场接顶率的重要因素，就影响程度而言料浆质量分数＞下料口位置＞充填流量。接顶率随料浆质量分数增加而降低，随下料口位置向采场内延伸而升高，随充填流量的变化很小。基于实验结果构建了三因素接顶率预测模型，与实际接顶率对比，预测误差约7.6%。本研究成果可为充填采场接顶率预测提供理论支撑。     

废石尾砂胶结充填材料流动与强度性能的研究

为了解决极细全尾砂作为充填骨料制备充填料浆脱水困难、充填体强度偏低的问题,通过开展废石尾砂胶结充填试验,改善充填骨料粒级组成,研究废石掺量对充填料浆流动性能及充填体强度的影响规律。结果表明:相比较全尾砂胶结充填,掺入废石可以显著改善充填料浆的流动性能,提高充填料浆的输送浓度;在相同灰砂比和浓度情况下,废石尾砂胶结充填体强度高于全尾砂胶结充填体。因此,废石尾砂胶结充填体可以降低灰砂比,减少水泥用量,消纳地表废石。在云南金厂河矿山开展工业试验,确定了充填参数为浓度80%、灰砂比1∶8、废石掺量60%,原位取芯平均抗压强度为3.36MPa,满足采场充填体强度设计要求。     

温度对磷石膏充填料浆流变参数影响分析

采用恒温水浴箱与旋转流变仪测试不同温度以及质量浓度下磷石膏充填料浆的流变参数,研究发现,磷石膏充填料浆流变曲线符合Hershel-Bulkley模型特征,低温条件下,屈服应力随着充填料浆质量浓度的增加而增加,但在低浓度区域(固体质量分数55%～58%)增长缓慢。另外,随着温度的升高,充填料浆屈服应力与实测黏度稳定值也随之增长,说明温度的升高使得浆体内部结构得以增强,同时低浓度浆体屈服应力对质量浓度的敏感性也有所提高。温度的变化不但会影响磷石膏充填料浆的流变参数,而且通过计算层流状态下不同温度充填料浆水平直管流动阻力损失值,发现温度升高也会增长浆体阻力损失值,并且随着浆体平均流速的增加,增长值会逐渐增高,但是相对增长率却逐渐下降。     

采场中充填料浆流动规律的研究

为解决充填接顶问题,对充填料浆进入采场之后的流动规律进行了研究。理论分析结果表明,充填料浆进入采场之后,向周边流淌,堆体表面形状服从正态分布规律,均方差(δ）的大小反映了料浆流动后形成表面的平缓或陡峭,其值主要取决于充填材料及配合比。结合金川二矿区的充填实际,计算和探讨了保证充填接顶条件下的采场尺寸、充填管头的最优布放、多次充填时的管头移动距离和次数等。     

尾砂充填体强度空间分布特征试验分析

针对不同级配尾砂充填体强度空间分布问题,采用自制充填模型对不同级配尾砂充填后沿水平和垂直方向上充填体的强度空间分布进行了试验研究.结果表明:不同级配尾砂胶结充填体强度全尾砂＞分级粗尾砂＞分级细尾砂,并在水平流动方向上呈现类似余弦曲线波动,波动程度分级粗尾砂充填体＞全尾砂充填体＞分级细尾砂充填体;充填体强度在竖直方向上随深度的增大而增大,增幅程度分级粗尾砂充填体＞全尾砂充填体＞分级细尾砂充填体.SEM 和 CT扫描结果表明,充填采场内水平方向,全尾砂充填体早期强度前后相差较大,而分级细尾砂充填体早期强度则前后相差较小;在竖直方向,全尾砂充填体和分级细尾砂充填体均呈现越往下空隙数量越少的趋势,研究结果对设计采场结构和充填点位置具有现场指导意义.     

全尾砂胶结充填系统的膏体充填改造及应用

针对某铁矿阶段空场嗣后充填采矿法采场充填倍线大、二步矿房充填体塌冒严重、矿石损失贫化突出等生产难题,开展了提高充填体强度的现场试验研究。通过添加适量粗骨料优化全尾充填材料配比,将充填料浆输送方式由自流改为泵送,在原有全尾砂胶结充填系统基础上实现了膏体充填系统改造。工程实践结果表明,新系统将充填料浆浓度由50%～55%提高到70%～75%,使充填体强度大幅提高,满足了安全和低分损采矿生产的要求。     

三山岛金矿高质量浓度充填料浆流动特性及管道阻力研究

三山岛金矿西岭矿区由于充填倍线高及料浆质量浓度高,导致料浆输送困难,通过开展流变、L管自流及半工业加压环管试验,对该矿高质量浓度充填料浆流动特性及管道输送阻力进行相关研究.研究结果表明:充填料浆在质量浓度为７４％~７６％,灰砂比为１∶４的条件下达到膏体状态;由 L管自流试验可知,随着料浆质量浓度的增加,料浆屈服应力、塑性黏度及流动阻力明显增加,输送倍线减小,而随着灰砂比的降低,料浆屈服应力降低、塑性黏度增加,但流动阻力降低,导致料浆流速增加,输送倍线增加;充填料浆沿管道的输送阻力与充填料浆屈服应力、塑性黏度、输送流速及输送管道直径有关;通过半工业加压环管试验,管道压力损失与灰砂比、质量浓度和泵送流速均呈正相关,在灰砂比为１∶４、料浆质量浓度为７６％且流速最大(１．５ m/s左右)时管道压力损失最大,直管压力损失为４．３２４Pa/m.     

提高充填体强度降低采场损失与贫化

丰山铜矿采场充填体强度低,导致矿石的损失与贫化。针对这一问题,采取了选用分级尾砂、引进新胶凝材料、选择合理的灰砂比、改造砂仓提高充填料浆浓度等措施,来提高采场充填体表层强度。经采场充填实验证明,采场充填体表层强度4d龄期达到1.58 MPa,满足了采矿要求。     

三山岛金矿采场充填脱水工艺改进措施

采场充填脱水效果对充填体初凝时间及其短期和长期强度产生较大影响,三山岛金矿采用溢流管溢流脱水和充填挡墙的土工布渗透脱水,脱水效率不能满足现场工作要求。为此,在充填脱水理论研究的基础上,分析了影响充填脱水速度的主要因素,提出了多项充填脱水改进措施。增设竖直或倾斜的脱水管,更有效地排出充填采场中的重力水,同时避免充填料浆中细粒级颗粒堵塞脱水管。改进充填挡墙设计和滤水布的选取,避免细粒级颗粒短时间内聚集在滤水布附近,影响渗透脱水效果。设计充填管道滤水器,在充填料浆进入采空区前,过滤充填料浆中的部分自由水,提高了充填采场中料浆的浓度,减小了采场充填脱水工作量。改变矿山简单脱水方式,进一步提高采场充填脱水效率,避免影响下一步开采工作的顺利开展。     

泡沫砂浆充填体的应用价值研究

充填采矿法在地下金属矿床开采中有着举足轻重的地位。为了将国外的先进技术--泡沫混凝土技术成功引入充填采矿工艺中,并且在国内推广使用,首先选取地质条件比较独特的某公司三矿区F17以东采场进行试验。通过对三矿区采一工区9条进路分别在3、7、28 d进行泡沫砂浆充填体强度的检测,可以看出泡沫砂浆充填体的强度已经达到公司充填体强度的指标。同时泡沫砂浆充填体相对普通的砂浆充填体而言具有轻质性、易流动性、均衡性、抗离析性、接顶率高等优点,且所耗费成本低廉,从而可以看出在公司三矿区F17以东采场中采用泡沫砂浆充填技术是经济可行的。     

等量分流技术在矿山充填系统中的应用与研究

针对管道自流输送充填系统中管口出流的不利影响,通过管道自流输送中浆体流动状态的研究,提出了应用于充填出流的等量分流技术,并参照多口出流的水力学研究成果,进行了理论分析和公式推导,完成了充填系统卸流管的设计。工业试验表明,采用该项技术后,充填体的均质性、充填体强度和充填系统输送的稳定性均有较大的改善。     

大冶铁矿嗣后充填采场围岩变形机理研究

以相似材料模拟实验技术为主要研究手段,借助全站仪、应变计和数码相机等仪器监测了模型围岩的变形、应力以及破坏情况,研究了不同结构参数条件下分段空场嗣后充填采场的围岩变形与应力变化特征,以及发生破坏时的规律与特征。主要研究结果为：揭示了大冶铁矿合理的采场结构参数;采场顶板与矿柱所受应力分布为拉剪应力和压应力;顶板是采场稳定的关键因素,应保证充填体与顶板良好的接触关系,提高接顶率;采场内应力分布规律与回采方向相反,偏向于首采矿块。     

高浓度充填料浆流变特性及其管道输送阻力损失研究（增刊）

针对矿山充填系统设计中输送物料的合理配比、管道参数难以确定的问题,采用国际最先进的高精度BROOKFIELD R/S+SST软固体测试仪,通过试验得到不同组别料浆的剪切率-剪切应力流变曲线图,进而求得料浆相应粘度系数 和动态屈服应力 ,再根据浆体沿程阻力损失计算公式分别计算出不同流量料浆在不同的管径输送时的沿程阻力损失。结果表明,灰砂比1:4、浓度70%的料浆以流量90m3/h在管径D3=180mm输送时的单位沿程阻力值最小,其值为471.968Pa/m,可为矿山充填系统的设计提供依据。     

掺石灰石粉的混合骨料充填料浆配比优化研究

针对金川矿山采用的废石-棒磨砂混合粗骨料级配不良,导致充填料浆离析的问题,通过掺石灰石粉来改善骨料级配,进一步改善充填效果。对骨料进行了物化分析,在此基础上开展了混合骨料粒径级配 分析,并进行了掺石灰石粉混合骨料充填体强度试验和料浆管输特性试验;根据试验结果采用BP神经网络建立模型对充填体强度和料浆管输特性进行预测,并进行了混合骨料充填料浆配比优化。研究表明：掺入适量 的石灰石粉,不仅能有效改善粒径级配,提高充填体强度,而且能提高充填料浆流动性,对充填料浆管输特性有益,能明显改善充填效果;充填料浆优化配比为胶凝材料添加量310 kg/m3,石灰石粉掺量12.3%,料浆 质量浓度80%,经过工业充填时取样验证,其塌落度、稠度、泌水率以及3 d、7 d和28 d抗压强度分别为25.41 cm、9.31 cm、6.7%、2.7 MPa、5.1 MPa和10.6 MPa,均满足矿山工业充填的要求,并且单位充填成本较 原来降低了21%。