低溫對膠結充填體特性影響的數值模擬研究

曹俊 戈凱 李洪彥 陳金剛

西藏華泰龍礦業開發有限公司，中國·西藏 拉薩 850200

1 引言

西藏甲瑪銅多金屬礦是中國較為典型的高海拔低溫礦井，其井下溫度年均3～4 個月處于10℃以下，局部中段5℃以下[1-2]。該礦山部分采用充填采礦法進行開采，生產過程中由于環境溫度較低，導致標準養護齡期條件下的全尾砂膠結充填體試件強度相對較小[3]。為保障充填體實際強度達到其需求強度，論文采用數值模擬的手段揭示低溫環境對充填體特性的影響規律，為充填體強度設計提供參考和依據。

2 模型建立及模型方案

2.1 模型建立

采用數值模擬軟件內置的模塊，建立充填體試件幾何模型（0.3×0.3×0.3m）及其網格劃分如圖1所示。

圖1 膠結充填體試件模型

2.2 邊界條件

為了盡量確保與充填體在井下所處的實際環境相接近，幾何模型除了頂部為自由條件外，其余五個面均為固定約束條件。充填體試件模型其他相關參數設置如表1所示。

表1 充填體試件模型參數設置

2.3 模擬方案

充填體的強度主要來源于水化反應產生的產物聚集，而充填體的水化反應又受周圍環境溫度的影響，對于高海拔地區的充填體來說，其所處的環境溫度較低（如部分礦井采場溫度最低可達到11℃），較低的環境溫度通過影響充填體內部水化反應過程，來間接影響充填體特性。以下將通過對比四組環境溫度（10℃、15℃、20℃和25℃）下充填體的溫濕度演化、溫濕度分布、強度演化和最大膨脹變形值演化來研究低環境溫度對充填體特性的影響。

3 充填體特性參數演化規律

3.1 濕度特性演化規律

圖2顯示了低環境溫度對充填體內部相對濕度演化的影響，由圖2可知當充填體所處的環境溫度由25℃逐步降低到10℃時，充填體中心部位的相對濕度也逐步推遲進入“急速下降階段”，且最終達到穩定時的相對濕度也逐漸升高。這是由于較低的環境溫度減緩了充填體內部水化反應的進行，充填體中的水化反應耗水速率也因此降低。

圖2 低環境溫度對充填體內部相對濕度演化的影響

為了進一步揭示充填體在低溫度環境下濕度的分布規律，現對不同環境溫度（10℃和25℃）下的膠結充填體部分時刻的濕度分布進行對比分析（如圖3和圖4所示）。

圖3 低溫對充填體內相對濕度分布演化規律（10℃）

圖4 低溫對充填體內相對濕度分布演化規律（25℃）

從如圖3和圖4可知：與較低環境溫度（10℃）下的充填體濕度分布，如圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）相比，充填體在25℃的環境溫度下，各個時刻的濕度分布也與前者的類似，即充填體中心處的濕度最高，其次是四周和底面的濕度，最后是頂部的濕度，不同的是，后者各個時刻的濕度值要低于前者，這主要是因為更高的環境溫度有利于促進水化反應的進行，充填體內部的濕度因此下降更快，濕度值更低。

3.2 溫度特性演化規律

圖5顯示了低環境溫度對充填體內部溫度演化的影響，由圖5可知隨著環境溫度的降低，充填體內部溫度演化的峰值也隨之降低，這是因為充填體內部溫度升高是水化反應產熱的結果，較低的環境溫度不利于充填體內部水化放熱反應的進行。同時，環境溫度越低，充填體對外散失的熱量也就越多，充填體能達到的峰值也就越低。

圖5 低環境溫度對充填體內部溫度演化的影響

為了進一步揭示充填體在低溫度環境下溫度的分布規律，現對環境溫度分別為10℃（如圖6所示）和25℃（如圖7所示）的充填體部分時刻的溫度分布情況進行對比分析。

圖6 低溫對充填體內溫度分布演化規律（10℃）

圖7 低溫對充填體內溫度分布演化規律（25℃）

從圖6和圖7可知：與較低環境溫度（10℃）下的充填體溫度分布相比，充填體在25℃的環境溫度下，1d 時的溫度分布與前者的相反，即充填體中心處的溫度最低，其次是頂部的溫度，最后是四周和底面的溫度，這主要是因為周圍環境溫度高于充填體初始溫度，兩者之間存在熱交換，且“圍巖”熱傳導效果比空氣對流傳熱效果更明顯。充填體在25℃的環境溫度下，各個時刻的溫度值要高于在10℃的環境溫度下各個時刻的溫度值，這主要是因為更高的環境溫度有利于促進水化反應的進行，充填體內部因此積累了更多的熱量，溫度值也更高。

3.3 力學特性演化規律

圖8顯示了低環境溫度對充填體強度和最大膨脹變形的影響，從圖8（a）可知當充填體所處的環境溫度由25℃逐步降低到10℃時，無論是在哪個齡期，充填體的強度都發生下降。這是因為較低的環境溫度不利于充填體內部水化反應的進行，充填體的環境溫度越低，內部產生的水化反應產物越少，這也就越不利于充填體強度的形成。因此，在實際充填過程中，需要注意低環境溫度對充填體強度的不利影響。

由于充填體在受到重力作用和濕度梯度應力作用時也會產生相應的變形，研究環境溫度對充填體最大膨脹變形的影響時，需要排除重力變形和濕度變形的影響，此條件下的模擬結果如圖8（b）所示。由圖8（b）中可知：充填體的環境溫度越低，其內部的最大膨脹變形增幅越小，這有利于充填體保持穩定。充填體的最大膨脹變形變化趨勢與其內部溫度變化趨勢相類似。在初期，水化反應產生了大量熱量，導致充填體溫度上升，并且由于此時充填體處于塑性狀態，熱量對變形的影響明顯；在后期，充填體的溫度逐漸穩定到環境溫度，充填體的最大膨脹變形也逐漸減小，最后趨于穩定。

圖8 低溫對充填體力學特性的影響

4 結論

①充填體內部材料的水化反應速率和強度均受溫度影響，其具體表現為充填體試件水化反應過程中的內部溫度峰值及強度峰值都隨著環境溫度的降低而減小。

②充填體所處的環境溫度越低，其內部的最大膨脹變形增幅越小，且充填體的最大膨脹變形變化趨勢與其內部溫度變化趨勢相類似，即都經歷了從初期的快速增長到中期的平穩下降以及最后穩定到固定值的過程；充填體在由溫度變化引起變形的同時，也出現了應力集中現象。