充填胶结碎裂结构岩体的成因机制及工程地质特性研究

本文以工程实例为依托,在现场大量调查、测试、试验的基础上,对一种新型碎裂结构岩体—充填胶结碎裂岩体的工程地质特性和成因机制进行了分析。此类岩体表观碎裂,但是由于岩块之间被钙质充填、胶结,使得表观碎裂的岩体在原位状态没有受到大的扰动的情况下具有较高的力学性能,其可以用作坝基岩体,与普通的碎裂岩体有着本质上的差别。该类岩体一旦受到外界大的扰动,其力学性能迅速降低,在施工中应该特别注意。

粉煤灰作为充填胶结剂之探讨

针对粉煤灰具有一定胶凝作用的特点，进行了大量用其替代充填料浆中部分水泥的试验。结果表明，粉煤灰可替代料浆中３０％～６０％的水泥，从而使粉煤灰成为矿山胶结充填可利用的一大资源。

疏松绿松石的无机物充填胶结改性研究

选择无机磷酸盐溶液,以浸泡—加热—保温—冷却为实验基本过程对疏松绿松石样品进行了改性实验。通过研究主要工艺影响因素在不同条件下的改善效果,选择了最佳的工艺条件。对处理前、后样品的宝石学性质(如颜色、透明度、硬度)、稳定性、化学成分、晶体结构、孔隙度以及工艺特性等进行了详细的对比分析研究。结果表明,疏松绿松石样品经处理后其颜色加深,透明度和硬度提高,结构致密,光泽加强,耐久性较好,加工工艺性能良好,可以作为首饰材料应用。处理绿松石样品的宝石学特征如折射率、荧光反应、矿物组分、红外光谱等与天然绿松石的一致,从外观上更像未处理绿松石。此改善方法主要为含磷无机物的充填胶结作用。

工业固体废弃物制备充填胶结剂的研究进展

充填胶结剂是胶结充填技术在矿产资源大规模开发和深度开采中得到广泛应用的关键。水泥作为最常用的胶结剂,存在生产能耗大和充填成本高等问题。使用具有潜在胶凝活性的工业固体废弃物制备胶结剂不仅可以降低成本、提高充填材料的性能且可以增加固体废弃物的综合利用率。按照工业固体废弃物的类别分别介绍了钢渣、高炉矿渣、粉煤灰和有色冶金渣在胶结剂中的应用。工业固体废弃物胶凝活性的激发方法主要为物理激发和化学激发,分别讨论了2种激发方法的激发机理和应用。最后,分析了工业固体废弃物制备胶结剂时对充填材料的强度、稳定性和环境安全性等性能的影响。

阶段空场嗣后充填胶结体强度模型及应用

以两步骤阶段空场嗣后充填胶结体所需强度为研究对象,通过分析胶结充填体在空区所起的力学作用,认为胶结充填体的力学作用主要表现为改善顶板岩体受力状态支撑顶板破碎岩体、为采场围岩提供侧限压力、抵抗采场闭合和限制尾砂流动。基于胶结充填体剪切破坏机制引起的垮塌,充分考虑影响充填体稳定因素,借助楔体滑动理论分析充填体滑移面上具有滑移趋势三维楔体的极限平衡状态,推导出胶结充填体危险力学环境(一侧临空、一侧受尾砂侧压力)下的抗压强度模型。大红山铜矿48-54线盘区51线胶结矿柱垂直应力实测结果以及稳定性结果验证了模型的合理性。研究成果对深化充填采矿理论研究具有重要意义,对相似矿山具有较高的应用和推广价值。

金属矿山阶段嗣后充填胶结充填体矿柱力学模型分析

矿柱宽度和充填体自立高度是阶段嗣后充填顺利实施的重要影响因素。基于弹性力学平面应变基本假设,建立阶段嗣后胶结充填体矿柱力学模型并进行理论求解。以某铁矿为工程分析实例,采用控制变量法(CVM)研究矿柱不同宽度、高度条件下,水平应力和剪应力的变化规律。研究表明:矿房极限宽度和高度分别为19.8 m和103.2 m。胶结充填体矿柱水平应力随矿柱高度的增高而逐渐增大;剪应力在矿柱中心位置达到最大,且高度越大,剪应力值也越大。在胶结充填体矿柱与非胶结充填体接触侧剪应力趋于定值。矿柱宽度分别为15、18、20 m时,其剪应力分别为243.8、292.6、325.1 k Pa。而产生剪应力的主要原因是非胶结充填体受水平应力作用在与胶结充填体矿柱接触面产生滑动摩擦力所致。

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。

岩石张拉裂缝与充填胶结裂隙的相互作用

工程开挖扰动、卸荷和水力破岩产生的工程裂缝与先存裂隙的相互作用在岩石工程中十分普遍,建立适用于工程裂缝遇先存裂隙的扩展准则是解释工程裂缝扩展机制和研究岩体弱面剪切滑移的关键。采用两种不同强度的混凝土充填材料模拟强、弱胶结的先存裂隙,在只考虑准静态张拉应力作用下,依据半圆三点弯法测定了充填胶结型岩石的Ⅰ型静态断裂韧度;通过分析工程裂缝扩展轨迹,获得了临界启裂角与应力逼近角的关系;进一步探讨了工程裂缝与先存裂隙的相互作用扩展模式与判别准则。结果表明:张拉应力作用下工程裂缝与先存裂隙的相互作用受应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度的共同影响;充填胶结砂岩的静态断裂韧度随应力逼近角增大先增大后减小;启裂逼近距离较大时,断裂韧度随应力逼近角变化不大,而启裂逼近距离较小时,断裂韧度随应力逼近角增大呈现先增大后减小的规律;应力逼近角影响充填胶结岩石的断裂韧度,但影响程度不如启裂逼近距离和充填物胶结强度,且存在一个极限影响距离。即使在张拉应力作用下,岩石材料的裂隙前端同样存在剪切局部化,因此,工程裂缝是否穿过先存裂隙取决于应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度共同作用下裂隙面的抗剪强度和先存裂隙面的摩擦学特性。

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。

新型充填胶结料C料在前河金矿的应用

在胶结充填中,胶结材料是决定充填体强度和成本的关键因素。前河金矿葚沟矿区采用下向胶结充填采矿法进行回采,原设计采用水泥作为充填材料,存在成本高、早期强度低等问题,严重影响了矿山的回采效率。通过调研,选用新型胶结料C料为胶结材料,通过室内充填配比试验和现场工业试验,验证了C料+全尾砂充填在前河金矿的可用性。实践应用表明,该方法可降低年充填成本170万元左右,提升了作业效率及安全性,在同类矿山中具有一定的推广价值。

基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

选矿废水拌合尾砂胶结充填体强度演化规律及声发射特征

尾砂胶结充填体是充填采矿中的核心承载单元,其稳定性关乎矿山生产安全。近年来,一些地下矿山为减少环境污染等问题,选择二次利用选矿排放废水进行充填,因此,对于采用选矿废水进行充填的矿山,明确选矿废水对尾砂胶结充填体强度的影响至关重要。为此,以3种pH选矿废水(pH=7、8、9)和普通自来水(pH=7)为拌合水制备4种养护龄期(7、14、21、28 d)的尾砂胶结充填体试件。利用声发射(AE)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等试验手段,分析充填体试件的单轴抗压强度、微观结构及其破坏过程中AE振铃计数率、bi值、能量变化特征。研究表明:(1)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体强度低于普通自来水拌合的充填体强度,选矿废水拌合的充填体强度随pH的增大而减小,且CO_(3)^(2-)与充填体单轴抗压强度指标间的灰色关联性最好,而Ca^(2+)的关联性最差,阴离子的关联性整体好于阳离子;(2)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度及衍射峰强度低于普通自来水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度与衍射峰强度,而选矿废水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度及衍射峰强度高于普通自来水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度和衍射峰强度;随着选矿废水pH的升高,充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度减少、衍射峰强度降低,而钙矾石的质量浓度增多、衍射峰强度升高,从而导致充填体强度下降;(3)充填体破坏过程中AE振铃计数率及b^(i)值整体上分别呈现“升—降—突增—峰值”和“波动上升—剧烈下降—逐步上升”的变化规律;在相同养护龄期下,对于破坏过程中AE b^(i1)、b^(i2)、b^(i3)、峰值应力处每10 s累计振铃计数率及能量数值,选矿废水拌合的充填体均小于普通自来水拌合的充填体,且上述AE特征指标均随着选矿废水pH的增大逐渐减小。

基于RHT模型的胶结充填体动力学特性数值模拟研究

胶结充填体作为人工矿柱,在地下爆破开采中经常受到冲击荷载作用,其稳定性受到严重影响。基于RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)损伤本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同冲击速率(2、3、4、5 m/s)下不同灰砂比(1∶4、1∶6、1∶8)胶结充填体的SHPB动态冲击数值模拟试验研究,探讨胶结充填体动态抗压强度、强度增长因子、吸收能与冲击速率之间的关系,阐明胶结充填体动态破坏模式及破坏过程。研究结果表明:①胶结充填体试件的动态抗压强度、动态强度增长因子均随冲击速率增加而增大,且相同冲击速率下灰砂比越高,胶结充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;②胶结充填体吸收能随着冲击速率增加而逐渐递增,呈线性增长趋势,且灰砂比越高吸收能增长越快;胶结充填体破坏过程表现为试件端部首先出现损伤,轴向、横向裂纹依次出现,裂纹扩展直至贯穿并向内部发展,最终完全破坏,失去承载能力;③以上结论同时验证了RHT模型参数取值的准确性,RHT损伤本构模型的成功应用,为开展胶结充填体动力学特性相关数值研究提供了参考。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

临近胶结充填体矿房爆破参数数值模拟分析

为解决在应用空场嗣后充填采矿法开采矿石过程中爆破对胶结充填体的冲击及损伤问题。以玉溪矿业某一临近胶结充填体的矿房为研究背景,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,分析矿岩在爆破瞬间及后续破碎过程中的应力分布、位移变化和破坏模式等情况。同时结合爆破振动参数,对矿岩破碎效果及周围充填体的损伤程度做出一个量化评估。数值模拟结果验证了爆破参数的合理性。研究结论为优化爆破效果,降低开采过程中爆破对充填体矿柱的损伤,指导后续爆破作业提供了理论依据。

含硫酸盐废水对磷石膏胶结充填体材料性能的影响

鉴于矿山废水处理工艺具有一定的局限性,且磷石膏充填工艺需要消耗大量的水资源,将矿山含硫酸盐废水作为磷石膏充填用水并探讨其可行性。结果表明:废水中的硫酸盐能够促进磷石膏充填体的早期水化反应,进而提升充填体早期强度。当SO_(4)^(2-)浓度从0增加至30 000 mg/L时,充填体7 d强度由0.46 MPa升高至0.63 MPa,提高了37%;14 d强度由0.64 MPa升高至1.03 MPa,提高了61%。这主要跟水化产物钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)的形成有关;但随着养护时间的增长,充填体28,60,90 d强度均在硫酸盐浓度为15 000 mg/L时达到最高。过量的SO_(4)^(2-)会干扰水化硬化过程,充填体后期强度因受到钙矾石的膨胀特性以及Na2SO4重结晶等影响而出现下降。研究结果可为矿山废水治理和磷石膏充填工艺优化提供新思路。

考虑压力和温度养护条件的胶结充填体早期强度特性研究

为在实验室模拟矿山原位充填环境的压力、温度等因素对胶结充填体的固结影响,本文设计了一种考虑压力与温度协同控制的胶结充填体养护方法及试验装置。采用该试验装置开展了养护压力与养护温度对胶结充填体早期固结强度的影响研究。结果表明:养护压力、养护温度对胶结充填体早期强度有明显影响;养护压力对充填体早期强度发展有利;随着养护温度升高,胶结充填体强度呈先升高后降低的趋势,养护温度为55℃时,胶结充填体强度呈下降趋势。在养护压力和养护温度的耦合影响下,高温有利于胶结充填体的早期强度发展。

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC3D数值模拟软件对10~15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:①开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;②矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10~13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;③考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;④隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。

矿山原位环境尾砂胶结充填体力学性能研究进展

尾砂胶结充填体养护过程受采场原位温度、压力、孔隙水压力等因素影响,导致实验室制备的尾砂胶结充填体试样与相同物料配比的采场原位充填体取芯试样的力学性能存在显著差异。精准预测尾砂胶结充填体在采场原位环境下的力学性能是确保矿山充填配比参数设计合理、经济的重要前提。目前,国内外学者针对单一环境因素对尾砂胶结充填体力学性能的影响取得了丰富的研究成果,但有关多环境因素耦合下尾砂胶结充填体力学性能的定量研究并不充分。系统介绍了采场原位环境下尾砂胶结充填体力学性能的研究现状,从养护压力、养护温度、孔隙水压力和充填体养护装置四个方面介绍了国内外研究进展。首先系统梳理了养护压力、养护温度和孔隙水压力三种采场原位环境因素对尾砂胶结充填体强度影响研究。然后分析了现有充填体养护装置的优缺点。矿冶科技集团在此基础上创新发明了一种“矿山充填原位环境物理孪生试验装置”,该装置能够在室内模拟采场原位环境的温度、压力和孔隙水压力的养护条件,实现采场原位环境因素对尾砂胶结充填体力学性能影响的定量化研究。

煤矿连采连充胶结充填体监测技术研究

为了对煤矿连采连充开采胶结充填体状态进行监测,基于连采连充工艺特点和充填体特性,提出了充填体状态监测的5项基本内容,主要包括液位监测、受力监测、强度监测、温度监测和应力监测,研究了各项监测内容的监测技术和监测方案。结果表明,液位监测采用浮标式液位监测技术适应性较好;受力监测采用挡墙压力计进行监测,量程约为150 kPa;强度监测通过实验室测试充填体的强度,并展望了原位强度测试技术;温度监测采用温度传感器来实现;应力监测采用千帕级和兆帕级双通道应力计进行监测。