某金矿全尾砂膏体充填优化配比及性能研究

为解决某金矿尾矿库库容不足及环境污染问题,计划采用全尾砂膏体充填采矿法进行地下开采。为提供经济合理的最优配比方案,以该矿山膏体物料为试验材料,设计对比试验来研究不同配比、不同料浆浓度、不同减水剂掺量对膏体强度和流动性的影响。试验结果表明:水泥、粉煤灰和尾砂的质量比,料浆浓度和减水剂掺量是影响膏体强度与流动性的重要因素;少量的减水剂能明显提高膏体的强度,适当地控制料浆浓度与减水剂掺量可以达到更好的充填效果;粉煤灰的添加有助于减水剂增强膏体的强度;最终综合考虑料浆流动性与试样的强度,推荐充填最优配比为水泥、粉煤灰和尾砂质量比1∶0.5∶8,料浆浓度为66%,可适当添加1%左右的减水剂。该研究也可为矿山未来的全尾砂膏体充填工程提供理论依据。

渗透水压作用下全尾砂胶结充填体的三轴力学特性及演变机制

为了明确渗透水压作用下全尾砂胶结充填体的三轴力学特性及演变机制,对全尾砂胶结充填体开展了不同渗透水压作用下的三轴力学试验和扫描电镜试验,分析了渗透水压对全尾砂胶结充填体的三轴力学特性和微观结构特征的影响规律,并基于损伤理论和有效应力原理建立了渗透水压作用下全尾砂胶结充填体的损伤本构模型。研究结果表明:随着渗透水压的增加,全尾砂胶结充填体峰值应力与弹性模量均呈线性减小趋势,且随着灰砂比的增加,渗透水压对峰值应力的弱化作用逐渐减弱,对弹性模量弱化作用逐渐增大;渗透水压会劣化全尾砂胶结充填体内部结构,加速微孔隙与微裂纹的产生与发展,全尾砂胶结充填体内部结构的分形维数随渗透水压增大而增大;通过试验数据对建立的渗透水压作用下全尾砂胶结充填体的损伤本构模型进行验证,两者的应力-应变曲线较为吻合,表明建立的模型能较好地描述渗透水压作用下全尾砂胶结充填体的三轴力学行为。研究结果可为富水矿山全尾砂胶结充填体三轴力学性能指标设计提供一定理论指导。

露天矿坑封底关键层回填体配比优化研究

露天坑回填治理是实现露天开采矿区生态治理和解决尾矿地表堆存问题的有效途径,本文以鞍钢集团大孤山铁矿为工程背景,通过前期试验探索初步确定了料浆配比的浓度、灰砂比等参数的范围,在此范围的基础上进行全面试验,测定胶结体试件的单轴抗压强度、抗剪强度参数。基于全面试验的试验结果分析得出了灰砂比、料浆浓度、养护龄期等因素对胶结体单轴抗压强度和抗剪强度参数的影响规律,为后续路天坑回填治理提供了可靠的参考依据。

镜铁山矿全尾砂胶结充填体强度与灰砂比和料浆浓度关系的研究

以镜铁山铜矿全尾砂、水泥、水混合制备而成的胶结充填体为研究对象,利用NYL-300型压力试验机,通过单轴抗压强度压缩试验方式进行全尾砂胶结充填体强度试验,得到在不同灰砂比和料浆浓度下全尾砂胶结充填体强度对比之间存在的关系。试验数据表明:全尾砂胶结充填体强度在其它影响因素完全相同的情况下,充填体强度随着灰砂比升高或料浆浓度的增大而增高,且灰砂比对充填体强度的影响明显比料浆浓度对充填体强度的影响显著。

含水层下固体充填保水开采方法与应用

为解决含水层下煤层开采所导致的溃水灾害问题,提出了基于固体充填采煤的保水开采方法,阐述了该方法的基本原理,分析了固体充填开采覆岩导水裂隙演化特征,并基于固体充填开采导水裂隙带高度预计公式,结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,建立了含水层下固体充填开采临界充实率计算模型,分区设计了受含水层影响煤层的充实率,进而对煤层进行了充填工作面设计布置。五沟煤矿CT101充填工作面应用结果表明:实测充采质量比平均值为1.32,大于理论设计值1.28,充填效果较好,且导水裂隙带高度仅为10.0 m左右,该方法有效地降低了覆岩导水裂隙带高度,可实现含水层下保水开采的目标。

固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究

固体充填采煤过程中充填采煤液压支架的夯实离顶距对充实率及充填作业效率的控制具有显著影响,揭示了支架本身结构干涉产生理论夯实离顶距以及现场充填工艺产生实际作业夯实离顶距的机理,分析了基于机构优化和基于不同充实率两种影响因素影响夯实离顶距设计的理论,提出了支架设计优劣的检验标准,即由夯实离顶距严格控制的充填作业累积量不小于充实率要求的需求量(V zjρ1≥V zρ2)。借助机械自动化仿真模拟软件Pro/E 5.0,仿真分析了特定充填采煤液压支架采高-夯实离顶距变化规律,最终通过充填作业累积量-充实率及充实率需求量-充实率曲线对该支架充实率保障区域进行划分,判断了机构优化的优劣程度及整体设计的合理性,最终形成一种以夯实离顶距为检验指标的支架设计合理性判断方法。

矸石膏体充填体控制地表沉陷力学性能试验研究

针对膏体充填体在煤矿采空区特殊环境下(高温、高湿、高应力、高密闭)所表现出的力学特性,运用现场取芯、室内试验等方法开展了矸石膏体充填体力学性能研究,揭示了充填膏体力学特性(抗拉强度、单轴压缩强度、弹性模量、泊松比)随时间的变化规律,并运用最小二乘法建立了各力学参数与时间的回归方程。结果表明,采空区特定的环境条件有助于充填体内部各化学物质的充分反应,使充填体胶凝性增强,且充填膏体在承载时抗变形能力强,能够很好控制地表沉陷。

煤矿充填开采覆岩连续变形移动规律及曲率模型研究

为了进一步探究充填开采覆岩移动变形规律,基于充填开采覆岩移动变形特征,给出了充填开采岩层"连续曲形梁"的定义。在分析覆岩变形与曲率关系的基础上,建立了充填开采岩层曲率模型,提出采用曲率来评价充填开采覆岩的变形特征,导出了岩层曲率K的计算公式,揭示了充实率与岩层曲率之间的关系,并分析得出充实率、采厚及关键层是影响覆岩曲率的关键因素,支架长度对覆岩曲率也有一定的影响,提出采用曲率理论模型评价充填的效果。依据不同层位高度的岩层曲率变化特征,提出以极限曲率作为岩层破断的判别标准,判断不同充实率条件下岩层破断位置,并计算了直接顶、基本顶不破断的临界充实率,结果与钻孔实测结果基本一致。

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。

堤坝下矸石充填采煤充实率设计

为达到节约矸石充填量和确保堤坝安全的双重目的,需对矸石充填采煤充实率进行合理的设计,首先通过理论分析确定矸石充填采煤充实率的影响因子及各因子的影响情况;然后以济宁三号煤矿南阳湖堤下矸石充填采煤为实例,根据南阳湖堤的特点以及采煤规范确定设防标准,通过全部垮落法沉陷预计确定矸石充填量以及充填范围,由此动态确定该湖堤下矸石充填采煤充实率。结果表明:当工作面推进到距湖堤340 m时,采空区充实率需达到15.8%,随着工作面接近湖堤,采空区充实率应逐渐提高,当工作面推进到距湖堤60 m时,采空区充实率需达到91.8%;最后根据等价采高沉陷预计地表变形,该设计充实率不但能保护地表湖堤的安全,同时还节约了矸石充填材料。

石膏-熟料质量比对矿渣充填胶凝材料性能的影响及应用

为研究碱-盐复合激发大掺量矿渣充填胶凝材料的力学特性,设计不同石膏与熟料质量比的充填胶结体强度实验。利用XRD,SEM和TG-DSC等手段,研究净浆试样水化产物种类、微观形貌及质量损失率;基于室内实验研究成果,开展新型充填胶凝材料工业化应用研究。研究结果表明:当复合激发剂掺量为15%、石膏和熟料质量比为1:4,充填体3 d抗压强度最大为1.05 MPa;当复合激发剂掺量为20%、石膏和熟料质量比为3:2,充填体28 d抗压强度最大为8.61 MPa。石膏促使浆体中钙矾石(缩写为AFt)的生成,但掺量过大则影响早期胶凝物质的生成量,后期浆体中水化硅酸钙凝胶(缩写为C-S-H)的钙硅比由1.804降低到1.559,可保证结石体后期钙矾石的持续生成;3 d龄期净浆试样质量损失率从大到小依次为T7,T9和T6,28 d龄期净浆试样质量损失率依次为T9,T7和T6;综合可见,针对大掺量矿渣充填胶凝材料,合理的石膏掺量有助于提高充填体早期强度;但当石膏掺量较大或熟料掺量少时,胶结体早期强度低但有利于后期强度的提高。当熟料质量分数为12%,石膏为3%,矿渣为85%时,充填体3 d抗压强度为2.7 MPa,7 d抗压强度为5.1 MPa,28 d抗压强度达到10.6 MPa,满足金川矿山对充填体强度的要求。

不同充实率下固体充填开采覆岩移动与地表下沉分析研究

在固体充填开采技术中,充实率对覆岩移动与地表下沉具有重要影响。文章以河南平顶山十二矿CT101工作面为例,采用FLAC软件建立固体充填开采数值计算模型,研究不同的充实率条件下覆岩移动与地表下沉的规律,研究表明:随着充实率的增大,覆岩关键层和地表最大下沉量呈现逐步降低趋势;当充实率小于75%时,下沉曲线在工作面边界附近位置处变化幅度最为显著,在下沉曲线中部位置处出现平底形状;当充实率大于75%时,下沉曲线整体呈现连续平缓的对称下沉形态。CT101工作面的现场实测表明,当充实率达到85%时,地表最大下沉量约为180mm,与下沉预计值200mm较为接近,预测结果偏于安全,可以为工程实践提供相关参考。

确保地表建筑物安全矸石充填开采原料配比及充填量的确定

为确定某矿的矸石充填开采过程中最优充填材料配比和最佳的矸石充填量。设计了一种新型的矸石压缩模具,应用该模具和YE-200A液压试验机对十种不同粒径配比的矸石进行压缩试验,得出均匀配比的矸石为最优充填配比。采用最小二乘法拟合的数学模型,确定了均匀配比矸石充填材料与压力的变化规律。最后推出了均匀配比的矸石充填高度与采厚、顶板允许下沉量及顶板压力的函数关系。

特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能

对安庆铜矿特大型采场不同配比的充填体进行无侧限单轴抗压强度试验,分析单轴抗压强度、平均杨氏模量、泊松比力学性质的变化及其规律,为特大型矿柱的开采提供前期的数据准备。结果表明,随水泥含量增多,充填体强度基本呈线性增大;平均抗压强度提高百分率随灰砂比的提高而变小;充填体的平均峰荷应变随水泥含量增加而逐渐增大;在从低配比(1∶10)向高配比(1∶8)转变的过程中,平均杨氏模量有一个较大的波动;充填体的泊松比随灰砂配比的变化不大。

新城金矿尾砂胶结充填体固结性能研究

随着充填工艺的不断完善,充填采矿法在矿山得到了广泛应用,研究充填体的力学性能对防止地表变形具有重要的现实意义。以山东新城金矿充填材料为研究对象,研究了龄期为7d、14d、28d,灰砂比为1∶8、1∶10的充填试块在不同的加载压力等级条件下的压缩变形规律,并对充填试块在不同加载压力下与压缩率之间的关系进行了拟合分析。研究了不同配比的充填试块在固结试验后,不同养护天数条件下的抗压强度变化规律,为矿山充填设计及预防地表变形提供科学依据。

减水剂对全尾砂新型胶凝材料强度的影响

以自主研发的全尾砂新型胶凝材料(不含水泥,由工业废渣组成)为基础,采用设计4因素3水平的正交试验L(934),考察了萘系、糖钙两种减水剂不同复配合比例对充填体28 d单轴抗压强度的影响。结果表明:充填体强度随着减水剂不同复掺含量相差很大,当萘系(NX):糖钙(TG)两种外加剂的复掺含量为0.15%∶0(占胶凝材料的质量分数),充填体强度达到最大值,是相同浓度和胶砂比条件下未掺减水剂充填体强度的1.3倍。

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。

不同骨料类型对充填体强度性能的影响及配比优化

为研究骨料类型对胶结充填体强度的影响规律,在室内开展了以全尾砂、尾砂—河沙及尾砂—废石为骨料的胶结充填体力学性能试验,分析了不同骨料类型下的充填体强度演化特征,并结合矿山对充填体强度指标的设计要求推荐了相应的骨料类型和配比参数。研究结果表明:采用全尾砂作为充填骨料时,砂灰比的增大会降低充填体强度,而料浆浓度的增大能够提高充填体的抗压强度,并且浓度的增加更有利于改善充填体的早期抗压强度;采用尾砂+河沙作为充填骨料时,三因素对充填体抗压强度的影响程度为砂灰比料浆浓度河沙含量,并且砂灰比的增大同样会降低充填体强度,浓度及河沙含量的增大有利于提高其强度;采用尾砂+废石作为充填骨料时,三因素对充填体3、7、28 d抗压强度的影响程度为砂灰比料浆浓度废石含量,砂灰比的增大会降低尾砂废石胶结充填体强度,浓度的增大有利于提高充填体强度。综合充填体强度及坍落度的测试结果,建议采用尾砂+废石作为矿山的充填骨料,配比参数可设计为灰砂比1∶6、料浆浓度76%、废石含量10%~15%。

基于PFC的废石胶结充填体破坏规律研究

为研究不同灰砂比下废石胶结充填体的破坏规律,对其进行了单轴压缩试验。结果表明,废石胶结充填体试样的失稳方式分为张开式和剪切式;在废石胶结充填体试样的峰值前应力—应变关系上,灰砂比对发生张开式失稳的试样影响较大,而对发生剪切式失稳的试样影响较小。运用基于细观颗粒流理论的PFC程序对废石胶结充填体模型进行单轴压缩模拟。结果表明,在应力—应变关系上,模拟结果与试验结果相一致;通过模型内部废石的位移情况可以揭示不同灰砂比下废石胶结充填体的失稳规律;通过粘结力分布情况得到废石胶结充填体不同失稳方式的原因。因此,PFC可以很好地应用于充填材料的选择与优化。

铀尾砂胶结充填体三轴压缩试验及非线性强度准则研究

充填采矿法是矿山开采的重要施工方法,探究尾砂胶结充填体回填采空区后的强度特性具有重要的理论研究和工程实际意义。以铀尾砂胶结充填体为研究对象,研究砂灰比和围压对胶结充填体力学性能的影响。随后基于三种强度理论,以试验数据为基准,对不同砂灰比铀尾砂胶结充填体强度进行预测。结果表明:砂灰比对尾砂胶结充填体的力学特性有较大的影响;砂灰比为4,围压小于4 MPa时,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变软化型,砂灰比大于4,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变硬化型。黏聚力和内摩擦角随着砂灰比的增大而减小,逐渐趋于平稳,并呈指数下降趋势。Rocker准则公式简单,能精准地预测不同砂灰比条件下铀尾砂胶结充填体的强度。提出考虑砂灰比的铀尾砂胶结充填体的Rocker强度准则,并验证其具有良好的预测效果。研究成果为矿山充填开采提供了有益的参考。