基于无废企业工业废料充填体强度与材料配比优化研究

为了构建无废企业,某煤电一体化企业采用连采连充式充填来循环再利用其生产的工业废弃物。结合充填工艺特点,以矸石和炉渣为骨料,粉煤灰、石膏、水泥和电厂废水配成的浆液为胶结材料,用DPS数据处理系统建立回归模型,通过方差分析与响应曲面分析法分析双因素交互作用下对充填体强度影响。研究结果表明,石膏水泥比与矸石浆液比交互作用影响最大,其次是粉煤灰水泥比与矸石浆液比的交互作用,石膏水泥比与粉煤灰水泥比交互作用影响最小。根据优化结果得到最终配比为石膏水泥比0.1,粉煤灰水泥比0.35,矸石浆液比2.9,以此参数得到充填体试验最终强度为5.21 MPa,其相对误差小于5%。研究结果可为无废企业的废弃物的循环再利用提供借鉴。

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。

大空区低成本充填处理方法研究与实践

针对老空区充填处理一般投资较大、成本较高的技术难题,结合某铁矿大空区充填处理实际,利用原地面大空区观测孔和既有充填系统,设计建设了一套简单、实用、投资较低的地面辅助泵送充填系统,并配套发明设计了一套翻板式活门搅拌机取料装置;研究发现了泵送充填上坡管路的严重震动现象,提出了混凝土墩固定管路的减震方法;通过研究分析大空区的充填特点,提出了薄饼充填结构模型思想,认为大空区充填体强度设计较高既无必要,也起不了多大强度作用,据此提出了降低充填体强度和充填灰砂比的设计建议。

基于超声横波测试的Na基膨润土充填体强度预测模型研究

充填体作为充填采矿法的核心单元,其强度是保障安全开采的重要指标。Na基膨润土的亚甲基蓝吸附量和生坯抗压强度较高,是制备充填体的优质添加剂,然而鲜有其掺量与充填体强度之间关系的研究成果。本文基于超声波测试技术和单轴压缩试验,分析不同Na基膨润土掺量充填体的横波波速、主频幅值、幅值衰减系数、波形分形维数在各龄期的变化规律,结合敏感性分析遴选出对抗压强度变化最敏感的声学参数。建立了不同Na基膨润土掺量下充填体强度的预测模型,并结合显著性检验及对比分析,对强度预测模型进行了验证。研究成果可为开展充填体单轴抗压强度预测的相关理论研究和工程应用提供参考和帮助。

某铜矿全尾砂膏体充填配比优化初步研究

湖北某铜矿为达到高质量膏体充填的目标,针对料浆浓度低、井下排水量大、充填成本高等问题,进行了全尾砂膏体充填配比优化研究。试验结果表明:用胶固粉作为膏体充填胶结材料,满足该矿山生产要求的充填体灰砂比为1∶7,料浆浓度大于68%;用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为膏体充填胶结材料,满足该矿山生产要求的充填体灰砂比为1∶3,料浆浓度大于71%;相较于P.O42.5普通硅酸盐水泥,使用胶固粉可节约充填材料成本1 368.7万元/a,经济效益显著;该研究结果可为后期膏体充填工艺中胶结剂的选择提供理论依据。

基于某矿山固废处置的水泥和胶固粉选择初探

本文以某矿固废处置及露天坑回填综合治理为背景,由于该矿全尾砂为细粒级尾砂且尾砂内含有对充填体强度具有负面作用的硫及黏土类矿物,为了选择更适合该矿全尾砂的胶凝材料,选用水泥和胶固粉两种胶凝材料对充填料浆性能进行试验研究。研究结果表明:虽然泌水沉缩特性方面水泥胶结充填体较胶固粉更优,但在充填体强度及流动性两个关键性指标方面,胶固粉性能较水泥更优且成本更低,说明胶固粉更加适用于该矿固废处置及回填治理;通过敏感性分析可知,胶固粉胶结充填体强度对灰砂比最为敏感,其次为养护龄期,最后为料浆浓度。

夏甸金矿细颗粒尾砂充填技术研究与应用

为解决夏甸金矿充填存在的细颗粒尾砂处理困难、充填浓度低、充填体强度低等技术难题,开展了充填材料物理化学性质研究、细颗粒尾砂沉降特性研究、细颗粒尾砂强度配比试验研究、细颗粒尾砂充填料浆流动性能研究等,提出了夏甸金矿充填系统技术改造方案,并完成了现场技术改造。现场应用结果表明:细颗粒尾砂(-74μm)在灰砂比1∶7~1∶8,充填能力≥60%时,充填体3 d强度≥1 MPa,满足夏甸金矿开采要求,不仅解决了细颗粒尾砂排放问题,减轻尾矿库库容压力,而且还提高了矿山尾砂利用率。

基于响应面法的废石-细尾砂充填性能优化试验

为获得满足矿山采矿强度要求的废石-细尾砂充填最佳配比,首先根据混合骨料的堆积密实度和料浆浓度初探试验,初步获得配比范围;在此基础上利用响应面法建立了以废石-细尾砂充填体的3、7、28 d抗压强度为响应值的回归模型,揭示了骨料配比、浓度和灰砂比三因素对充填体强度的影响规律,并通过回归模型优选出充填最佳配比,进行半工业试验验证。结果表明,当充填体养护至3、7 d时,浓度和灰砂比两因素的交互作用影响显著;当充填体养护至28 d时,骨料配比与浓度的交互作用影响显著。当骨料配比1∶3、浓度82%、灰砂比1∶4时,废石-细尾砂充填性能完全满足矿山的充填需求,为废石-细尾砂混合骨料膏体充填性能优化提供了理论基础。

三鑫金铜矿保安矿柱回收合理充填体强度研究

为安全回收三鑫金铜矿的保安矿柱并保证充填采场的稳定性,对采场的合理充填体强度进行理论计算,并对不同充填体强度(灰砂比)下采场稳定性进行了数值模拟,确定了合理充填体强度。结果表明:采场充填体所需合理强度主要与采场长度和充填体高度有关,对于长度20~60 m、高度40 m的保安矿柱采场,充填体强度需达到3.5 MPa以上,其周边区域岩移量不超过2 mm,在设计规范允许的范围内,能够保障安全。

三安铁矿全尾砂胶结充填体输送和力学性能研究

为了保证三安铁矿充填安全及降低充填成本,采用全面法设计试验,对不同料浆浓度和灰砂比的料浆输送性能及充填体强度性能进行分析。试验结果表明:L型管道自流输送试验时,料浆流速变化在0.096~1.625 m/s,屈服应力在2.206~24.687 Pa,黏性系数在0.314~6.049 Pa·s,料浆浓度在58%~62%时流动性能整体较好。采用M32.5水泥作为胶凝材料,灰砂比为1∶8,料浆浓度为66%,60 d抗压强度为0.61 MPa,基本难以满足采矿要求,而采用胶固粉,灰砂比为1∶15,料浆浓度为66%,60 d强度可达1.9 MPa,可适应很多采矿方法不同区域充填要求。研究结果为相似矿山充填料浆配比设计提供一定的理论依据。

水力旋流器在中关铁矿尾砂充填中的应用

中关铁矿为地下矿山,采矿方法为阶段空场嗣后充填采矿法。原充填工艺采用全尾砂充填,由于尾砂中细粒级物料占比较大,影响充填体强度,为了提高充填体强度只能增加充填材料使用量,造成了充填作业的成本增加。为提高充填体强度,保证“二步采”采矿安全性,降低充填成本,中关铁矿充填车间在原工艺流程的基础上,通过在立式砂仓的进砂口处增加FX250-GX-B×6旋流器组对尾砂进行分级,提高进入充填砂仓物料的粒度,优化了充填工艺。调试结果表明,在旋流器给料压力为0.09 MPa时可以得到产率较高、粒度较粗的底流尾砂,在给料压力为0.09 MPa的情况下,通过改变充填料浆浓度(最佳为58%)、灰砂比(最佳为1∶4)、充填材料配比(最佳为矿渣微粉:激发粉=55∶45)3个工艺指标,可以提高充填体强度。该设备的成功应用提供了一种通过对尾砂分级、提高底流粒度来提高充填体强度、降低充填材料消耗的可行性办法,在矿山生产中具有推广意义。

某矿尾砂胶结充填体强度演化特征及力学效应研究

以某金属矿山充填开采为研究背景,开展了不同配比参数下的充填体抗压、抗拉强度试验,分析了不同配比参数下的充填体强度演化特征。同时,采用FLAC3D数值模拟软件分析了矿体回采及采空区充填过程中的充填体及围岩受力特征,讨论了充填体在采场内的力学效应。研究表明:随着养护时间增加,充填体的力学强度呈不断增加的趋势,并且浓度或灰砂比越高的充填体其抗压强度增长的幅度也越大;在养护早期,水泥含量减小对尾砂胶结充填体强度的影响并不显著;矿体回采后,采场顶板及底板出现了压应力集中的特征,但采空区充填后围岩的应力集中状态得到了明显改善;此外,在二步骤采空区充填后,充填体拉应力达到了0.20 MPa,超过了部分充填体的抗拉强度,因此建议充填体的灰砂比最低应为1∶6,以维持充填体在采场的稳定。

粉煤灰—石膏—钢渣复掺充填料浆制备与性能研究

针对水泥作为胶结材料会增大充填采矿成本的问题,采用钢渣、粉煤灰及石膏作为材料开展粉煤灰—石膏—钢渣基胶结材料研究,并对充填体强度进行了分析。研究表明:充填体强度随着粉煤灰掺量增加表现出先增大后减小的趋势,并且都在粉煤灰掺量为15%时达到最大值,说明单掺粉煤灰存在最佳掺量现象;充填体的强度随着钢渣掺量增加也表现出先增大后减小趋势,并且都在钢渣掺量为30%时达到最大值,说明单掺钢渣也存在最佳掺量值;当石膏掺量从0增加至8%时,单掺粉煤灰或钢渣下的充填体抗压强度随着石膏掺量增加表现出不断增大趋势,并且石膏掺量增加更有利于提高充填体的早期抗压强度;复掺粉煤灰和钢渣情况下,充填体的抗压强度得到了显著提高,并且复掺粉煤灰和钢渣的充填体强度均要高于单掺粉煤灰或钢渣的充填体强度。

中等应变率下不同配比充填体的动态力学特征

通过设计6种较低的冲击气压对4种配比的充填体试件进行室内SHPB冲击试验来探究充填体的应力-应变曲线特征、动态抗压强度与应变率关系以及破坏模式。充填体取自云南玉溪大红山的分级尾砂,充填体的灰砂质量比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10。冲击气压分别为0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa。研究结果表明:1)从应力-应变曲线可以看出,CTB1∶4和CTB1∶6到达应力峰值后卸载较快,表现为脆性材料的变形特性,CTB1∶8比CTB1∶10达到应力峰值后卸载阶段较为缓慢,CTB1∶10最为平缓;2)当平均应变率由10 s^(-1)增至50 s^(-1)时,配比动态抗压强度增长趋势陡峭程度CTB1∶4最陡,CTB1∶10最缓。试件CTB1∶4动态抗压强度受应变率的影响最明显;3)在应变率不变条件下,CTB1∶10的峰值应变更大,易发生变形。对配比相同的试件,CTB试件的损伤破坏程度随着应变率提高而不断增大。随着平均应变率的增加,试件由一定数量的大碎块向细小碎块甚至向粉末状的方向转化;4)当矿山使用料浆质量分数为72%的尾砂充填体时,推荐灰砂配比范围选择1∶6~1∶4。

碱激发粉煤灰基胶凝材料的水化过程及力学性能

为分析碱激发粉煤灰胶凝材料的力学性能,在实验室开展了不同碱激发条件下粉煤灰胶结充填体的抗压强度试验,系统分析了激发剂类型、激发剂掺量及粉煤灰掺量对充填体强度的影响规律。结果表明:当粉煤灰掺量为10%~20%时,粉煤灰基胶结充填体抗压强度均随着粉煤灰含量增加而不断增大,并且添加碱性激发剂能有效提高强度指标;添加了激发剂的粉煤灰基胶结充填体强度在各龄期段的增长速率明显高于未添加激发剂的充填体强度增长速率;粉煤灰基胶结充填体抗压强度随着激发剂掺量增加均表现出先增大后减小的趋势,并且在激发剂掺量为3%时达到最大值;此外,添加Na OH的充填体强度明显高于添加Na2Si O3的充填体抗压强度,并且对28 d抗压强度的改善效果优势更为突出;随着养护时间增加,水化反应生成的凝胶物质也逐渐增多,水化产物填充了孔隙结构从而促使充填体具有较好的承载性能。

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。

掺早强剂充填体在不同加载速率下裂隙破裂特性

与传统采矿法相比充填采矿法具有环保、安全等特点而在矿山生产中广泛使用,但充填过程中充填体会受到灰砂比、级配、料浆浓度等内在因素的影响,还受早强剂、加载速率等外在因素的影响。通过不同加载速率对掺早强剂与未掺早强剂充填体进行单轴压缩试验及声发射试验,对其力学性能和声发射特性进行研究。结果表明,充填体强度在不同加载速率下会呈现先增后减的趋势,且早强剂掺量不同充填体的强度增幅也不同。而基于声发射特征参数RA和AF发现,随着加载速率的增加,剪切裂隙占比减少,在达到临界加载速率后随着速率的增加剪切裂隙增加。未掺早强剂充填体与掺早强剂充填体相比,在同等速率下加载所产生的剪切裂隙占比较多。

大空区充填体结构稳定分析与强度设计

结合某铁矿大空区胶结充填处理实际,分析了大空区的充填特点,提出了大空区胶结充填体的薄饼结构概念。运用结构力学方法分析了薄饼充填结构充填体的稳定性;考虑层间弱面结构作用,运用FLAC3D数值分析软件分析了薄饼充填结构假顶首层充填高度对假顶稳定性的影响,得到结论:由于薄饼充填结构的层间弱面作用,用较高强度的充填料充填大空区既无必要,也不科学,可以固化稳定充填料浆为目的,采用较低的强度充填。

铅锌矿细粒尾砂胶凝材料充填试验

为了提高充填体强度,保障回采作业安全,提高矿山回采率,减少水泥用量,某铅锌矿针对细粒尾砂开展了充填胶凝材料试验,对尾砂理化特性进行检测,对不同充填胶凝材料进行力学强度测试。结果表明,该充填胶凝剂在灰砂比为1∶6甚至1∶8的情况下制成的试块强度仍高于用水泥作为胶结材料在灰砂比为1∶4时制成的试块强度,说明其可在较低灰砂比的条件下提高细粒尾砂充填体强度。

铁尾砂基胶结剂制备及其性能研究

针对充填采矿法存在充填体强度较低、充填成本过高的问题,采用鞍钢某选矿厂铁尾砂作为原料,开展了新型铁尾砂基充填胶凝材料的研究。通过测定不同养护龄期、灰砂比和料浆浓度条件下的充填体抗压强度和料浆的流动性,对比分析P·S 32.5水泥和新型胶凝材料的充填体力学强度和流动性。结果表明:在相同条件下新型胶凝材料充填体强度略高于水泥,且在灰砂比和料浆浓度一定的条件下,铁尾砂基胶结剂料浆流动性高于水泥。同时利用SEM从微观层面对两种胶凝材料进行了对比分析,结果显示新型胶凝材料密实度更高。得出结论:采用鞍钢选矿尾砂制备的新型胶凝材料,其力学强度和流动性均满足矿山充填要求,可以替代水泥用于矿山充填,降低矿山充填成本。