High strain rate compressive strength behavior of cemented paste backfill using split Hopkinson pressure bar

The stability of cemented paste backfill(CPB)is threatened by dynamic disturbance,but the conventional low strain rate laboratory pressure test has difficulty achieving this research purpose.Therefore,a split Hopkinson pressure bar(SHPB)was utilized to investigate the high strain rate compressive behavior of CPB with dynamic loads of 0.4,0.8,and 1.2 MPa.And the failure modes were determined by macro and micro analysis.CPB with different cement-to-tailings ratios,solid mass concentrations,and curing ages was prepared to conduct the SHPB test.The results showed that increasing the cement content,tailings content,and curing age can improve the dynamic compressive strength and elastic modulus.Under an impact load,a higher strain rate can lead to larger increasing times of the dynamic compressive strength when compared with static loading.And the dynamic compressive strength of CPB has an exponential correlation with the strain rate.The macroscopic failure modes indicated that CPB is more seriously damaged under dynamic loading.The local damage was enhanced,and fine cracks were formed in the interior of the CPB.This is because the CPB cannot dissipate the energy of the high strain rate stress wave in a short loading period.

Numerical simulation on thermal accumulation of cemented tailings backfill

Based on the collaborative exploitation of deep mineral resources and geothermal resources, the thermal accumulation process of cemented tailings backfill(CTB) was studied by numerical simulation. The effects of thermal accumulation time, slurry proportions and temperature conditions on the thermal accumulation of backfill are analyzed, the influence of the heat conduction between backfill and surrounding rock, the heat convection between backfill and airflow on thermal accumulation were compared simultaneously. The results show that the total thermal accumulation capacity increases by approximately 85% within 10-90 d. The influence of surrounding rock temperature and initial temperature on total thermal accumulation capacity is more significant and it is approximately 2 times of the influence of slurry proportions under the conditions of this study. It is clear that the rise of surrounding rock temperature and the decrease of initial temperature can improve the thermal accumulation capacity more effectively. Moreover, the heat conduction accounts for a considerable proportion in the process of thermal accumulation, the average heat conduction capacity is approximately 25 times of the heat convection capacity. This study can provide the theoretical basis and application reference for the optimization of thermal accumulation process of CTB in the exploitation of geothermal resources.

深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制因素及影响规律

深部开采已成为我国煤炭行业面临的关键挑战,尤其是在高地应力、高地温和高渗透的“三高”问题的制约下,寻求有效的开采技术迫在眉睫。充填开采技术,特别是利用煤矸石作为填充材料的高浓度胶结充填技术,逐步被应用于深部开采,成为应对这一挑战的有效手段。本文通过研究已有文献,分析了5种充填开采方式的充填工艺、影响因素和控制效果;总结了影响深部高浓度胶结充填开采地表沉陷控制效果的地质采矿条件、充填技术条件和充填体性质3类因素。为进一步理解深部高浓度胶结充填开采的独特性,构建了高浓度胶结充填体与顶板的力学作用模型,深入分析了深部长壁高浓度胶结充填开采采场的覆岩运动特征,并明确了岩层稳定的判别条件。基于FLAC数值模拟结果,确定了影响地表沉陷控制效果的主要因素及其重要性顺序:工作面设计宽度>充填率>充填体强度>煤层厚度。此外,研究还发现,煤层厚度与工作面宽度对沉陷效果的影响呈负相关,而充填率和充填体强度的影响呈正相关。最后,结合某矿试验采区的实际数据,确定了最优的工作面宽度(100 m)、充填率(90%)和充填体强度(3 MPa),并通过对比分析观测地表沉陷数据(4~15 mm)与数值模拟结果较吻合。本文的研究为深部矿区地表沉陷控制提供了理论基础和技术支持。

三山岛金矿尾砂高浓度充填强度特性试验研究

针对三山岛金矿分级尾砂充填存在的离析、分层、泄水和充填体质量差等技术问题,通过检测尾砂和分析胶凝材料的基本性质,并以养护龄期、灰砂比和料浆浓度为研究因素,充填料浆的扩展度和充填体的单轴抗压强度为参考指标进行分析,得到了尾砂高浓度充填强度特性。试验结果表明:料浆浓度是影响充填料浆扩展度的主要因素,灰砂比影响较小;但养护龄期和灰砂比是影响充填体质量的主要因素,料浆浓度次之。根据该矿山不同采矿方法需求,提出了满足充填要求的技术参数。

考虑碱性激发材料配比的高硫尾砂充填体力学性能研究

为探明碱性激发材料对高硫尾砂充填体力学性能的影响,基于正交试验开展了材料配比试验,研究了水泥、生石灰、脱硫石膏和矿渣微粉掺量对不同养护龄期充填体强度的影响机理。设定水泥掺量分别为8%、10%和12%,脱硫石膏掺量分别为5%、7%和9%,生石灰掺量分别为5%、8%和11%,研究结果表明:高硫尾砂充填体抗压强度随水泥掺量的增加先升高后降低,而随生石灰掺量的增加逐渐降低;脱硫石膏部分替代水泥相较于“生石灰+脱硫石膏”替代水泥,充填体力学强度更高;碱性环境有利于抑制高硫尾砂中硫酸根离子的释放。研究成果可为类似高硫尾矿的综合利用提供借鉴。

矿山废石全尾砂充填研究现状与发展趋势

矿产资源开发过程中产生的废石、尾砂和冶炼渣,等占我国工业固体废料排放量的85%左右。大量矿山固体废料堆放地表,易造成严重污染,诱发泥石流、尾矿溃坝事故。固体废料充填工艺是解决矿山废尾排放的最有效途径。本文介绍了低浓度分级尾砂充填、全尾砂高浓度充填、膏体似膏体充填、块石胶结充填工艺的研究与应用现状,并分析了矿山废石全尾砂充填技术的研究与发展方向。

矿用尾砂固结粉在铁矿山全尾砂现场充填试验研究

为了分析和评价新型充填胶凝材料尾砂固结粉(简称矿尾粉)替代水泥用于铁矿全尾砂胶结充填法采矿的可行性与性价比,开展了矿尾粉的现场试验,测试了不同配比和浓度条件下的矿尾粉全尾砂充填体的单轴抗压强度,并与水泥和胶固粉胶凝材料进行了对比分析。结果表明:矿尾粉胶凝材料强度高、成本低、性价比高,替代水泥用于铁矿充填法采矿,不仅能大大降低充填采矿成本,而且还能实现铁矿全尾砂充填,为贫铁矿床的充填法采矿奠定基础。

动载下高浓度全尾砂胶结充填体的力学特性

为了研究动载下高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的力学性能,制备直径×长度为50 mm×25 mm的HTB试件,通过静态单轴压缩试验和分离式霍普金森杆(SHPB)单轴冲击试验,对试件的动静荷载下的力学性质进行比较,研究试件动态抗压强度、动态应变、强度增强因子、比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明:HTB试件对弹性波传播有较强的阻尼作用;HTB试件临界破坏的平均应变率为103 s-1,最大应变率可达265 s-1;随着应变率增大,试件的动态抗压强度、动态强度增长因子、峰值应变随之增大,应变率越高,达到峰值强度历时越短;动载下HTB试件出现1~2次破坏-压实过程;在低应变率下,试件沿轴向呈现脆性劈裂破坏,在高应变率下,破坏形式为压碎破坏;随着入射能量增大,反射能、试块吸收能量及比能量吸收均呈线性增长趋势,由于波阻抗效应,透射能较小,试块具有较强的吸收和反射能特性。

动载下高密度全尾砂胶结充填体稳定性试验研究

为研究动载下高密度全尾砂胶结充填体（HTB）的稳定性,制备直径为50 mm×25 mm的HTB试件,进行静态单轴压缩试验。首次采用分离式霍普金森杆（SHPB）装置研究HTB的动态力学性质,通过观察冲击试验后试件的破坏程度,来评判高应变率下试件的稳定性。结果表明：HTB试件波阻抗较小,对弹性应力波传播有较强的阻尼作用;在冲击载荷下,试件最大应变率可达305 s-1,动态抗压强度随着应变率的增加而增大,最大动态抗压强度为17 MPa;HTB试件的稳定性与应变率密切相关,当应变率低于10 s-1时,试件稳定性较好;当应变率为10~39 s-1时,试件产生一定的损伤裂纹,但尚有一定的残余强度;当应变率大于39 s-1时,试件完全失稳。

高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体力学性能影响

为研究采矿扰动下灰砂比对全尾胶结充填体力学响应,预制了三组不同灰砂比的全尾砂胶结充填体试件,利用ф50 mm SHPB试验系统,对预制试件进行单轴冲击试验,试验结果证明:全尾砂胶结充填体对弹性波传播有较强的反射和阻尼作用;在较高应变率下,试件强度则表现出快速软化;软化试件在18μs左右即达到峰值应力;试件动态抗压强度等参数变比均随应变率的增加而增大.灰砂比越高,试件的极限动态抗压强度等参数越大;在相同应变率下,试件的动态抗压强度等参数的增加反而降低.试件的破坏形式为压碎破坏,在相同应变率作用下,水泥含量越少,试件的破坏程度越高.

煤矿井下高浓度胶结充填开采技术

为有效控制煤层开采引起的地表移动,进一步提高煤炭资源采出率,结合煤矿充填开采现状,提出煤矿高浓度胶结充填开采方法。运用相似模拟方法,从上覆岩层的移动形式、超前支承压力的影响范围、工作面周期来压强度及合理支架工作阻力等多个方面,研究了高浓度胶结充填开采工作面的矿压显现规律。以此矿压显现规律为依据,设计出与之相适应的充填开采液压支架和隔离支架,使之能够在形成较大充填空间的同时,减小工作面充填前顶板下沉量。同时阐述了高浓度胶结充填工作面布置形式及充填基本工艺,实现采煤和充填材料凝固平行作业,有效提高了工作面充填效率。

不同浓度的尾砂胶结充填体破坏过程声发射特性试验研究

制备了3种不同质量浓度的充填体试件,进行了单轴压缩声发射试验,分析了不同浓度的充填体力学特性,重点研究了试件破坏过程中的声发射振铃计数、声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值(r值)、主频及其相对高频信号激增响应系数特征.研究表明:随着浓度的增加,充填体的峰值强度与弹性模量呈增大趋势,充填体中出现的声发射累计振铃计数越多;r值先升高再持续减小到一个较低值,随着外载荷的增加,进入缓慢升高阶段,峰值前均保持在该阶段.充填体破裂前兆信息在声发射信号主频分布中呈现主频段增多现象,表现为由加载初期的1~2个主频段,在临界主破裂时增多到3~5个主频段;且随着浓度的增加,声发射信号主频频段分布越宽,声发射相对高频信号(160~180 kHz)的激增响应系数呈递减趋势.以上特征可为不同浓度的尾砂胶结充填体稳定性监测、预测提供依据.

深部高大采场全尾砂胶结充填理论分析

冬瓜山铜矿深部矿体距地表约1000 m,矿区构造应力复杂,属高地应力分布区域,采用空场嗣后全尾砂胶结充填法开采。在实验室试验结果的基础上,采用Terzaghi法和Thomas法对其高大型采场充填体受力状况进行了理论分析,用有限元法对采场围岩和充填体的应力分布状况进行了研究,确定了开采扰动条件下在采场周围形成的不同程度破坏区域。

金川矿山废石-全尾砂高浓度充填工艺试验研究

废石和尾砂是矿山企业的大宗工业废料且不存在来源不足问题,如何高效利用废石和尾砂进行充填采矿是采矿界的前沿性课题.本文结合金川公司充填工艺介绍了废石-尾砂高浓度管输充填新技术,并阐述了该技术中高浓度充填和膏体充填的特点,且充填成本低.

甲玛铜多金属矿尾砂充填料浆流变性能影响因素分析

在扩散度和坍落度试验基础上,研究尾砂性质、料浆浓度和砂灰比对尾砂充填料浆流变性能的影响。结果表明,充填料浆符合Hershel-Bulkley流体模型,在剪切速率0～220 s-1,料浆浓度小于74%时均会达到层流与紊流的临界剪切速率,其实际值大于理论计算值。全尾砂经分级后,屈服应力、刚性系数整体下降,浆体的扩散效果、流动性变好。充填料浆浓度的增加造成料浆屈服应力、刚性系数整体增大,表现为扩散度、坍落度总体呈下降趋势。砂灰比与流变特性参数不呈线性关系,对尾砂充填料浆的流变性能影响较小。

全尾砂和废石联合胶结充填体最佳配比及应用

针对红岭铅锌矿分级充填骨料来源不足、地表废石堆积污染环境的情况,提出将该矿选厂产生的全尾砂和地表废石作为充填骨料的联合胶结充填方案。分别测试了全尾砂和地表废石的物理化学性质,验证了碎石和全尾砂作为联合充填骨料的可行性。通过充填配比试验,分析了不同配比全尾砂废石充填体强度特性,得出了最佳充填配比。结果表明,充填试块的强度随灰砂比减小而减小,随养护龄期增加呈增大趋势,随充填料浆质量浓度增大而增大,最佳配比为:胶结充填灰砂比1∶8、普通充填灰砂比1∶12,全尾砂∶废石配比4∶6,质量浓度78%。根据研究结果,在红岭铅锌矿进行了全尾砂废石充填技术工业应用,证实该技术可行。

全尾砂旋流分级浓缩制备胶结料浆的工艺研究

为实现某铁矿全尾砂充填露天塌陷区的目的,采用以旋流器为核心的分级浓缩工艺制备胶结料浆,并进行了该工艺的工业试验。试验结果表明,该工艺可实现全尾砂的高效浓缩,能制备出流变性好、浓度60%以上的全尾砂胶结料浆,且具有流程简单、投资少、占地面积小、运行成本低的特点,便于矿山实现工业化生产。

胶结剂性质对全尾砂胶结充填材料抗压强度的影响

针对胶凝材料性质对全尾砂胶结充填材料抗压强度的影响进行了试验研究,采用压汞测孔仪(AutoporeⅣ9500)测定了固化体的总孔隙率和孔径分布。试验结果表明:当料浆固体浓度分别为70%、78%和86%并且胶凝材料掺量10%(以总固体质量计)时,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体抗压强度分别提高了151%、127%和90%;当料浆固体浓度为86%并且胶凝材料掺量5%、养护龄期分别为7、14和28 d时,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体抗压强度分别提高了68%、97%和141%;当料浆固体浓度为86%并且胶凝材料掺量分别为5%、10%、20%、30%和40%时,掺矿渣水泥比掺水泥的28 d固化体抗压强度分别提高了127%、89%、10%、-12%和-21%。结合压汞测孔数据和固化体抗压强度结果,得出结论:在高水胶比材料(即水胶比大于0.65)中,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体中孔径更细(即水化产物更多或更分散),导致固化体中骨料(包括填料)的黏结面积增加而增加固化体抗压强度;在低水胶比材料中,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体中总孔隙率大幅度增加,导致固化体中骨料的黏结强度降低而降低固化体抗压强度。

尾砂胶结充填体侧限高应力固结特性实验研究

充填接顶后,充填体在复杂应力条件下发生变形量的大小直接关系到能否对上覆岩层进行有效控制。为揭示深部开采充填体服役过程中的力学作用机制,必须深刻了解充填体在复杂应力作用下的变形性能。本文结合工程实际,在实验室实验基础上分别对不同龄期充填体侧限约束条件下的固结变形特性进行研究,得到了不同养护龄期充填体的压缩规律;对侧限高应力固结过程中充填体的本构关系进行了探讨,分析了侧限约束条件下充填体由弹性变形到弹塑性变形再过渡到弹性变形的全过程,研究结论能够为深部开采充填设计及安全管理提供科学依据。

含气量对全尾砂膏体胶结充填料浆性能的影响

在掺人由聚羧酸系超塑化剂和引气剂复合而成的泵送剂的情况下，通过改变复合泵送剂中引气剂的用量来调整全尾砂膏体胶结充填料浆中的含气量，研究含气量对全尾砂膏体胶结充填料浆各项性能（坍落度、分层度、泌水率，硬化后的抗压强度等）的影响。结果表明：料浆中含气量的增加可以明显改善料浆的分层度和泌水性，并提高料浆的坍落度；但同时引气含量过高则会导致料浆硬化后的抗压强度的急剧下降。采用文中的原材料和泵送剂，全尾砂膏体胶结充填料浆最佳含气量为7．5％--9．5％。