固体充填开采中的矸石粒径级配优化试验

针对原生矸石级配较差、在固体充填过程中压缩量大、充实率低等问题,采用理论计算、实验室试验和数值模拟等研究方法,对固体充填开采中矸石粒径级配优化进行了研究.通过分析应变随级配系数的变化规律,得到4种变形最小的级配组合.进一步分析压实破碎前后粒径变化规律和变形模量与应力之间的关系,得出级配组合为D=30 mm,n=0.3时...     

破碎矸石干湿循环长期承载变形及分形特征

为研究采空区矸石充填体干湿循环长期承载特性,运用自主研制的大尺寸破碎岩石变形-渗流试验系统,进行了破碎矸石干湿循环蠕变试验,分析了矸石岩性、轴向应力及粒径级配对破碎矸石干湿循环长期承载变形特性及分形特征的影响。结果表明:在相同轴向应力和粒径级配条件下,随岩石单轴抗压强度的增大,破碎岩石试样的碎胀系数增大,而应变、蠕变阶段的应变和碎胀系数及分形维数减小;在相同粒径级配条件下,随轴向应力的增大,破碎矸石相邻两级荷载的应变差和碎胀系数差逐渐减小,而分形维数逐渐增大;当n(Talbol幂指数)为0.5时,破碎矸石蠕变变形、压实特征值最小,n为0.3次之,而当n为0.7时最大;同时随n的逐渐增大,破碎矸石压缩后分形维数增量增大,更多的矸石颗粒被压碎。     

基于矸石固体最优粒径级配的充填开采等价采高研究

等价采高理论是分析充填开采岩层移动控制效果的重要方法。通过分析矸石固体充填开采等价采高各组成部分数值大小，得出降低矸石充填材料压缩率是减小等价采高的有效手段，而获取矸石最优粒径级配是关键。将粒径100 mm以下矸石分为五级(100～75 mm、75～50 mm、50～25 mm、25～13 mm和13～0 mm),基于连续级配理论-泰波理论，按照级配指数n=0.3～0.7设计了五组不同粒径级配方案，模拟400 m埋深覆岩应力条件下，采用内径380 mm钢制大容器装载高度为240 mm的矸石固体充填材料进行了压缩实验。结果表明：应变随轴向应力增长而增长，应变增加速率随轴向应力增长而减小，级配指数n=0.5方案应变最小。依据其应变-应力拟合关系式得到最小等价采高表达式，为分析矸石固体充填开采岩层移动控制效果提供了定量依据。     

矸石充填材料应力应变特征实验研究

为掌握矸石充填材料应力应变特征,选取云冈煤矿3组粒径80 mm以下原生矸石试样,同时设计6组不同粒径级配的矸石试样,加工大直径加载容器,采用TAW-3000型电液伺服控制材料试验系统进行了压缩实验。结果表明:矸石压缩过程可分为应变快速增长、非线性增长和缓慢增长3个阶段;应变主要由矸石块体的移动、破碎而导致块体之间空隙被填充引起,而并非矸石本身变形所致;相同轴向应力下,应变随试样中的小粒径矸石占比增加而减小,随大粒径矸石占比增加逐渐增大;原生组矸石试样应变处于设计级配组的中间范围。实验得到矸石试样应变与小粒径矸石占比的关系式,可为矸石充填开采设计研究提供参考。     

废石全尾砂混合骨料粒径级配分析与配比决策

针对金川充填采矿需要,开展了废石和全尾砂两种混合骨料的级配研究。首先根据最大干密度理论和粒子干涉理论,确定充填骨料级配评价指标,然后针对矿山废石和全尾砂两种骨料进行粒径级配分析。结果表明,这两种骨料级配不良,不能单独用作金川矿山充填骨料;混合骨料级配结果表明,当废石与全尾砂配比为6∶4与7∶3时粒度分布曲线比较接近Fuller理想级配曲线,对应的堆积密实度达到最大,推荐其作为金川矿山充填骨料的合理配比。     

基于不同级配下的碎矸体压缩变形试验分析

煤矸石在粒度构成上是属于粗粒土范围的散体介质。为了获取碎矸体充填对煤柱的变形影响结果,将碎矸体筛选为单粒径矸石、不连续级配矸石和连续级配矸石3种,对不同级配矸石进行了轴压、侧压试验研究。试验结果表明:轴向压缩中,单粒径小于5 mm,不连续级配M5含量30%和连续级配n=0.4时的矸石压缩性能最好,压缩拟合曲线可用函数y=A_1×exp(x/t_1)+y_0描述;轴压与侧压的关系函数为y=Bx,且不连续级配矸石的侧压普遍较高,能更好地对煤柱产生侧向挤压;在压缩率与应力差分析中,三参数与M5的关系函数为y=B_0+B_1x+B_2x~2+B_3x~3,利用M5含量能确定不同级配矸石的应力应变。通过以上试验研究,为后期充填开采中碎矸体对煤柱的变形分析提供了理论支持。     

不同侧压碎煤充填样品单轴压缩变形特征试验分析

侧压作用碎煤体变形特征复杂,通过对2组14个破碎煤体试件进行相同粒径不同初始侧压与不同粒径相同初始侧压作用下压缩变形试验,分析了侧压作用破碎煤体压缩变形轴向应力-应变曲线特征,确定了初始侧压、碎煤粒径对碎煤轴向变形及变形历时影响,研究了变化侧压与轴向应变关系。结果表明:随着轴向应力增加,碎煤应变呈增加趋势,初始侧压越大,碎煤轴向应力-应变曲线越光滑,碎煤轴向应变与变形历时越小,初始侧压与碎煤轴向应变、变形历时呈负指数关系;而随着碎煤粒径增大,碎煤轴向应力-应变曲线斜率与平滑程度减小,碎煤粒径与碎煤轴向变形、变形历时分别呈线性与指数增加趋势;随着碎煤轴向应变增加,变化侧压表现出增大趋势,初始侧压越大,碎煤变化侧压-轴向应变关系曲线斜率越小,而碎煤粒径越大,碎煤变化侧压-轴向应变曲线斜率越大,曲线加速趋势越明显,合理初始侧压对碎煤变形控制作用显著。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

基于级配分析的充填强度优化研究

骨料级配是组成骨料的不同粒径颗粒的比例关系,良好的级配可以充分发挥骨料的强度效应。针对金川镍矿使用棒磨砂胶结充填时出现的强度低、水泥消耗量大等问题,对棒磨砂开展级配分析发现与Fuller级配差距较大,级配不良;以废石集料和棒磨砂为骨料,开展堆积密实度试验,进行级配分析,并开展充填体强度室内试验,结果表明:当砂石比为5∶5时,密实度达到最大值为0.728,该骨料级配与Fuller级配较接近,级配较好;在保持料浆浓度78%的条件下,采用废石+棒磨砂为骨料且砂石比5∶5,当水泥掺量为260kg/m~3时,充填体即可达到强度要求;金川公司以棒磨砂为骨料,同种条件下需要水泥掺量至少达到310kg/m~3,该配合比相较前者需要多消耗水泥20%以上。研究结果可为同类型胶结充填的金属矿山在优化骨料配比、提高充填体强度并降低水泥消耗、增加充填采矿效益方面提供指导。     

基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究

基于泰波理论,获得充填矸石的最佳级配,并掺入不同质量比的水泥,在不同的养护龄期条件下对矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,研究其压缩过程中的强度和变形特性以及充填体的最终破坏形态。结果表明:泰波系数n=0.4的级配为粒径不大于40 mm矸石的最佳级配;水泥掺量越多,养护龄期越长,试件的抗压强度数值越大;矸石胶结充填体单轴压缩试验应力应变全过程分为4个阶段,即孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段;矸石胶结充填体达到峰值强度后呈现出不同程度的应变软化特性,其最终破坏形态主要有3种,即劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏,劈裂破坏为最主要的破坏形态。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

不同级配矸石压实特性数值模拟研究

为研究矸石散体在夯实机构推压过程中的压实特性,建立了矸石颗粒形状模型,通过测量矸石自然安息角的方式获得了矸石的接触参数,并采用离散元法和实验室模拟试验结合的方法,开展了粒径级配对矸石压实特性影响规律的研究.研究结果表明:泰波系数n取0.4时的连续级配为最优矸石粒径级配,压缩率最低;压实力为3 MPa时矸石散体的密实度明...     

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。     

基于PFC3D的不同级配尾矿颗粒堆积体孔隙率模拟研究

矿山充填骨料级配对充填料浆的流动性和充填体强度有显著影响,若充填骨料级配良好,则可以改善充填料浆的流动性,提高充填体的强度。利用PFC3D研究不同泰波指数下尾矿颗粒级配对颗粒堆积体系孔隙率的影响。结果表明,在泰波指数n=0.6时,颗粒堆积体孔隙率小,密实度高,级配良好。通过PFC3D虚拟颗粒堆积试验和骨料颗粒自然堆积试验相结合,探究了充填骨料中溢流细砂含量对骨料堆积体系孔隙率的影响,随着溢流细砂含量增大,骨料颗粒堆积体的孔隙率变大,级配变差。     

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%。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

胶结充填体抗压强度尺寸效应的试验研究

尺寸变化会影响材料的力学性能参数,充填体作为一种类混凝土材料,其立方体试件的单轴抗压强度具有显著的尺寸效应。保证灰砂比、料浆浓度和养护龄期等条件一致,研究尺寸变化对胶结充填体单轴抗压强度的影响并结合VIC-3D全场应变测量系统对充填体试件的破裂演化过程进行监测。结果表明:胶结充填体的单轴抗压强度随着立方体试件尺寸的增大而逐渐减小,减少近一半,试件的峰值应变随着尺寸的增大而逐渐减小,并稳定在0.9%附近,弹性模量和变形模量随着尺寸的增大而逐渐增大;引入尺寸效应度对试件峰值强度的尺寸效应进行定量分析,尺寸为200 mm的试件的尺寸效应度达到了54%;尺寸较小的试块破坏时表面出现多条裂纹,随着试件尺寸的增大,试件破坏时表面出现显著的宏观破坏带,尺寸较大的试块在达到峰值强度时,局部区域发生严重的损伤断裂,大部分区域并未发生明显的应变变化。     

数字图像测量技术在膏体材料变形试验中的应用

为了改善膏体材料压缩性能试验传统变形测量方法的弊端,基于变形性能试验在预测膏体充填材料密实性和强度控制地基沉陷程度上的重要性,提出了一种研究膏体充填材料单轴抗压强度和变形性能的数字图像测量技术,利用数字图像原理测量膏体试件在压缩过程中的变形参数,主要包括图像的采集、灰度化、二值化、边缘识别及轮廓提取等,目的在于不扰动试件和变形,保证实验精度的前提下,实现对膏体试件横、纵向变形的同步直接测量,同时研究了该项技术中存在的问题及误差修正方法,并对测量精度进行了分析,最后通过实例证明了该技术的可行性与正确性。     

某低活性酸性矿渣微粉的机械力化学效应研究

为减少冶炼矿渣堆存对环境的污染,提高矿渣微粉的综合利用率,实现固体废弃物的循环利用,通过微观分析、强度试验等手段对一种低活性酸性矿渣微粉展开机械力化学效应研究,探究矿渣微粉经机械粉磨后的充填体性能。试验结果表明：矿渣微粉机械粉磨30 min、60 min、90 min后,特征粒径从22.49 μm分别降至18.55 μm、13.80 μm、10.61 μm,颗粒形态由不规则多边形大颗粒转变为表面棱角不分明的卵石状小颗粒,但并未引起相态的变化;在其他条件相同的情况下,矿渣微粉粉磨时间延长,胶砂试块的抗压强度增长,粉磨60 min后对应试块的抗压强度满足矿山充填要求。可见,矿渣微粉粒度变细可显著提升矿渣微粉的活性,进而提高充填体试件的抗压强度。     

不同粒径组合对煤矸石基充填材料性能的影响

为解决胶结充填成本高、煤矸石和低品质粉煤灰等固废堆存占用大量土地及污染环境等问题,在充分利用煤矿固体废弃物、满足工程实际需求的前提下,制备了煤矸石基充填材料。根据不同胶凝材料的水化特性,研究了高活性辅助胶凝材料和低活性辅助胶凝材料的颗粒级配。通过组分筛选、配比优化、性能测试分析,获得了材料抗压强度、泌水率和流动度3项性能指标;利用XRD、SEM和压汞研究了不同粒径组合对充填材料性能的影响机理。研究表明:水泥熟料30%、煤矸石40%、粉煤灰20%、脱硫石膏10%为最优配比,此时早期强度发展较快,3 d强度达到0.83 MPa,后期强度最高,28 d强度达到9.92 MPa;煤矸石粒径变化对材料性能起主要作用,粉煤灰和脱硫石膏粒径变化起次要作用,并且存在最优的粒径组合,即煤矸石粒径0.075~0.106 mm、粉煤灰和脱硫石膏粒径0.053~0.075 mm的组合性能最优,材料的3 d抗压强度为0.78 MPa,28 d抗压强度达到12.1 MPa,流动度大于320mm,泌水率低。