全尾砂壓縮固結充填實驗研究

明　建, 胡乃聯, 孫金海, 王　莉

(1. 北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京　100083;2. 北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京　100083)

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全尾砂壓縮固結充填實驗研究

明建1，2, 胡乃聯1，2, 孫金海1，2, 王莉1，2

(1. 北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京100083;2. 北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京100083)

針對上向分層充填采礦法生產作業中存在的問題,將真實物理模擬實驗與虛擬數值模擬實驗相整合,設計了實驗工藝流程和裝置,對全尾砂壓縮固結充填技術進行實驗研究。采用固結強度測試、平面物理模擬、三維數值模擬等方法,對不同載荷條件下充填體的力學特性,以及上向分層充填采礦過程中充填體、礦體、圍巖的應力、應變的變化規律進行了實驗研究。

充填采礦法； 壓縮固結； 物理模擬實驗； 數值模擬實驗

充填采礦法是隨回采工作面的推進逐步用充填料填充采空區的采礦方法。充填采空區的目的是利用所形成的充填體進行地壓管理,以控制圍巖崩落和地表下沉,并為回采工作創造安全和方便條件[1]。依據礦塊結構和回采工作面推進方向,本實驗中模擬的采礦方法屬于上向水平分層進路式充填采礦法。

膠結充填技術是將采集和加工的惰性材料摻入適量的膠凝材料,與水混合攪拌成膠結充填料漿,并通過管路、鉆孔等向采空區內輸送和堆積,漿體脫水(或不脫水)后形成具有整體性和一定強度的充填體[2]。以普通硅酸鹽水泥為代表的膠凝材料是膠結充填采礦成本的重要組成部分,而為保證礦山生產安全和采礦強度,對充填體強度和質量提出了更高的要求,同時推高了充填采礦成本。因此改進充填工藝,在充填體強度不變的前提下降低膠凝材料的用量,并實現全尾砂膠結充填,是提高礦山經濟效益、保護礦山環境、保證可持續發展亟待研究的關鍵技術[3-4]。

1　實驗原理

在采用加載壓縮固結技術的條件下,對上向水平分層進路式充填采礦法生產作業中的充填體、礦體、圍巖的應力、應變的變化數據和規律進行測定和研究。實驗采用Terzaghi理論模型[5]和修正后的Thomas理論模型[6]計算無載荷充填體中垂直方向應力分布。Terzaghi理論模型如下式:

(1)

式中:σv為充填體中的垂直應力,MPa；H為充填體的深度,m；L為充填體的寬度,m；λ為側壓力系數；γ為充填體的容重,kN/m3；c為充填體的黏聚力,kPa；φ為充填體的內摩擦角。

Thomas理論模型如下式:

(2)

在式(2)的基礎上引入充填材料黏聚力和內摩擦角的影響,則有

(3)

以上理論均未涉及對充填體施加載荷對其物理力學性質的影響,因此本實驗在數學力學模擬計算的基礎上,遵循真實物理模擬為主、虛擬數值模擬為輔的原則對不同載荷條件下充填體的物理力學性質進行了實驗研究[7-8]。其中,虛擬數值模擬能夠通過對采充過程進行模擬仿真獲取礦體、圍巖、充填體模型內部任意區域的應力、應變數據,并可直觀地觀測到應力、應變的變化過程。以有限差分法為代表的數值模擬技術已廣泛應用于充填采礦理論和技術研究中[9-11],將真實實驗與虛擬實驗相整合有利于提高實驗的科學性和準確性[12]。

2　實驗用品

加載壓縮固結強度實驗的設備包括壓縮充填實驗模具、壓力試驗機、標準恒溫恒濕養護箱等。為保證施加荷載過程中的安全性和實驗效果,根據實驗要求自行設計和定制壓縮固結實驗模具,該模具為單聯試模,正面和側面鋼板由螺栓緊固到一起,形成模具框架。強度測試表明，對其內部材料施加小于100 kN的壓力時,模具不會發生變形和斷裂。平面物理相似模擬實驗的設備包括相似材料模擬試驗架、靜態應力儀、微型壓力傳感器、直線位移傳感器、經緯儀等。其中根據實驗要求自行設計了長、寬、高分別為1.6、0.24、1.1 m的相似材料模擬試驗架,其主體由槽鋼和角鋼焊接而成,木質構件通過螺栓與主體相連。三維數值模擬實驗的設備有微型計算機和三維有限差分軟件。

3　實驗方案

實驗首先應用數學力學模型獲得充填體在無載荷條件下的力學特性,初步選取實驗參數；然后通過加載壓縮固結實驗獲得不同載荷條件下充填體的物理力學性質,進而分析出最優的灰砂比和齡期；再通過平面物理相似模擬實驗測定模擬開采過程中充填體、礦體和圍巖的應力、應變數據,并研究其變化規律,進而進行數值模擬仿真；分析物理模擬實驗和數值模擬實驗數據,獲得與充填材料相匹配的采場參數。

3.1加載壓縮固結強度實驗設計

實驗對全尾砂充填料進行不同載荷下的壓縮固結測試,進而分析其測試數據獲得載荷與試件抗壓強度之間的關系,為確定物理相似模擬實驗中相似材料的物理力學參數和模型的結構參數提供數據支持。制作試模時,結合礦山實際生產中的工藝參數指標,分別施加10、30、50 kN 3種載荷,每種載荷按1∶4、1∶6、1∶8的灰砂比各制作3組試塊,分別養護3、7、28 d。按設計配制充填料,充分攪拌后裝填入模具,壓力試驗機對模具內的充填材料施加壓力至目標載荷,拆模后將試塊置入養護箱內養護。至養護期齡后需測量試件尺寸,選擇相應的強度換算系數,以避免環箍效應的影響。采用壓力試驗機測量試件發生破壞時的壓力值,根據受壓面積計算試塊單軸抗壓強度。加載壓縮固結實驗設計如圖1所示。

圖1　加載壓縮固結實驗設計

3.2平面物理相似模擬實驗設計

平面物理相似材料模擬模型能夠模擬實際生產中的開挖和充填過程,借助監測設備對采充過程中模型的壓力及變形進行觀測,推斷原型上所發生的力學現象及位移變化情況。

模型的幾何相似比為30,時間相似比為5.48,容重相似比為1.5,彈性模量和強度相似比為45。覆巖層和礦體的高度分別為50 cm和60 cm。為了防止邊界效應影響實驗結果,模擬開挖充填的4條進路布置在礦體水平方向的中央部分,底部距邊界20 cm,兩側距邊界45 cm。每條進路寬13.3 cm,高40 cm,模擬實際礦體中寬度為4 m、高度為12 m的進路。分3層自下向上開采,為測試不同開采高度條件下兩幫和頂板的穩定性,各層的開采高度分別被設計為3、4、5 m。平面物理相似材料模擬實驗方案見圖2。

圖2　平面物理相似模擬實驗方案

為保證模型充填密度并避免側凸等變形,試驗架采用10號槽鋼作為模板,以每個模板高度為單位進行分次裝填和壓實。充填體相似材料依據加載壓縮固結實驗的分析結果進行稱重和配比后,與水充分混合和快速攪拌均勻,裝入本層面板和背板間,再將其壓縮至設計容重。完成后繼續安裝上層模板,重復以上步驟直至裝填完成。在裝填過程中,裝填至壓力傳感器預埋位置時布置相應設備。模型靜置養護達到所需的強度后對正面各模擬區域著色,然后在模型正面布置位移測量標志。按照上向水平分層進路式充填采礦法對各條進路開挖、充填,采充順序為一步采礦體、二步采礦體。各進路分層開挖,每層高度分別3、4、5 m。分層開挖完成后,分別用灰砂比為1∶8,模擬施加載荷10 kN和30 kN的充填材料充入采空區,然后進行上一分層的開挖,如此循環直至整條進路采充完畢。

采用光測法對頂板、兩幫和底板由于應力集中出現的沉降、變形和底鼓進行測量。為監測開挖過程及充填前后頂板、底板、兩幫的應力變化規律,在模型的相應位置埋設連接到靜態應變儀上的微型壓力傳感器,其布置如圖3所示。

圖3　壓力傳感器布置

3.3三維數值模擬實驗設計

基于物理模擬實驗獲得的物理力學數據,開展不同載荷充填材料充入空區效果的數值模擬研究。采用三維有限差分軟件模擬礦體開挖和充填過程。實驗采用1∶1的模擬比例,模型設計與物理相似材料模擬試驗大體一致。模型高33 m、寬50 m、厚度10 m,其中頂板和礦體高度分別為15 m和18 m。模型選用Mohr-Coulomb破壞準則,在模型邊界處進行約束。模型豎向荷載主要為自重載荷,構造應力以水平構造應力為主,隨深度的增加呈近線形的增長方式。

模型達到初始平衡狀態后,按步驟進行采充,分析應力和應變變化規律。通過分析不同開挖階段的應力場及塑性區云圖,獲得采充過程中礦體、圍巖和充填體的應力傳遞、轉移變化規律；通過布置監測點監測頂板下沉、底板鼓起情況,并作出變形對比圖，進而分析整個開采區域的穩定性。

4　結果與討論

加載壓縮固結強度實驗結果表明，充填體抗壓強度與施加載荷成正比關系。灰砂比為1∶8的不同期齡和不同施加載荷的抗壓強度見表1,不同期齡和不同施加載荷與抗壓強度關系見圖4。由圖4可知，10、30、50 kN各條折線的3～7 d段的斜率均大于7～28 d段的斜率,表明試塊的早期抗壓強度增強的效果更為顯著。實驗表明，對含泥量較高的一定含水量全尾砂充填料施加載荷能夠顯著提高其單軸抗壓強度,早期抗壓強度增強效果更為顯著。

表1　灰砂比為1∶8的不同齡期抗壓強度

圖4　灰砂比為1∶8的不同施加載荷和期齡的抗壓強度

通過分析28 d期齡的全尾砂充填料壓縮固結實驗結果,并與礦山目前應用的充填材料試件的抗壓強度相比較,發現灰砂比為1∶8、施加載荷為30 kN的方案是較優的充填材料配比和壓縮固結方案。其期齡為28 d的不同灰砂比和施加載荷的抗壓強度見表2和圖5。

表2　28 d不同灰砂比和施加載荷的抗壓強度

圖5　28 d的不同施加載荷抗壓強度

根據壓縮固結強度實驗數據的分析結果,在平面物理相似模擬實驗中選擇充填材料的施加載荷為30 kN、灰砂比為1∶8、保養期齡為28 d的方案，則材料相似配比見表3，表中配比表示沙河、石膏和石灰在模型中的比例。

表3　材料相似配比

實驗數據表明:一步采礦體開挖后,其空區頂板應力得到釋放,而二步采礦體產生應力集中并隨開挖高度的增加而增加；二步采礦體開挖時,大部分應力集中在外側礦體上。一步采礦體開挖后頂板發生沉降變形,二步采礦體開挖后,頂板最大下沉量為5.26 mm。二步采開挖過程中一步采充填體產生橫向位移,充入二步采充填體后變形速度放緩。從整個礦塊的應力場及塑性區來看,頂板和側幫的塑性區基本維持在一個穩定的發育程度中,充填體有效地起到了抑制頂板沉降和側幫變形的作用。在實驗過程中,未發生頂板冒落、側幫垮塌等情況,壓縮固結充填體自穩性良好,僅在應力集中時出現小的形變,在采高增大到5 m時也未發生塌落現象。與目標礦山常用的較高灰砂比的充填材料比較,實驗初步證明了采用壓縮固結充填技術能夠在保證回采安全的前提下降低充填材料的灰砂比。

三維數值模擬實驗采充步驟與物理相似材料模擬實驗方案保持一致。其中,充填體方案一和方案二分別采用施加載荷為30 kN和10 kN的壓縮固結充填方案,兩方案的灰砂比和養護期齡均分別為1∶8和28 d。模型各部分的物理力學參數見表4。

表4　三維數值模擬模型物理力學參數

數據表明,數值模擬模型與物理模擬模型在應力集中與釋放、頂底板變形等方面所獲得的變化規律基本一致,僅數值上略有差異。采用30 kN荷載壓縮固結充填方案時,在各條進路均完成開挖和充填后,最大應力為11.92 MPa,頂板最大下沉量4.25 mm；采用10 kN荷載壓縮固結充填體充入空區后最大集中應力13.26 MPa,頂板下沉6.03 mm。對比30 kN和10 kN加載方案中形變和塑形區的數據,可知前者對頂板下沉控制效果明顯優于后者,但對底鼓的控制兩者相差不大,前者塑形區范圍明顯小于后者。三維數值模擬實驗結果表明,較高載荷壓縮固結充填體在對頂板的支撐、抗變形、自身穩定性方面均明顯優于低載荷壓縮固結膠結充填體,30 kN荷載壓縮固結充填方案可保證目標礦山的回采作業的安全,驗證了物理模擬實驗的結果。

5　結語

依據巖石力學理論和相似理論,設計了壓縮固結充填實驗方案和實驗裝置。實驗結果表明,采用壓縮固結充填技術能夠在保證回采安全的前提下降低充填材料的灰砂比,從而降低充填成本。實驗過程證明，采用真實物理模擬實驗為主、虛擬數值模擬實驗為輔的實驗方案,能夠模擬整個采場的開挖和充填的過程,可獲得更加全面、科學的充填體、礦體、圍巖中的應力變化和變形規律,并能夠大幅度降低真實物理模擬實驗中物料、人力和設備的損耗,從而縮短實驗時間并擴充實驗內容。

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Experimental study on filling technology of full tailings method with compression and consolidation

Ming Jian1,2, Hu Nailian1,2, Sun Jinhai1,2, Wang Li1,2

(1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083, China;2. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

According to problems existing in upward cut-and-fill mining,the experiment model of integration of the physical simulation experiment and the numerical simulation experiment was formed and the experimental process and devices were designed. The experimental study on the relationship between loading and consolidation strength was carried out. Using the two-dimensional physical simulation method and the three-dimensional numerical simulation method,the experiment went on,and the change rule of stress and strain of backfill,orebody and surrounding rock was obtained.

filling mining method； compression and consolidation； physical simulation experiment； numerical simulation experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.015

2016-03-08

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAB01B04)；中央高校基本科研業務費項目(FRF-TP-14-077A2)

明建(1979—)，男，山東夏津，博士，工程師，從事數字礦山和工程力學研究.

E-mail：mingjian@ uetb.edu.cn

TD853.36

B

1002-4956(2016)9-0053-04