深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究

采空区充填体可以改善围岩应力状态、限制围岩移动的规模,维护空区的稳定性和地表的生态环境。根据充填体作用的机理,利用正交试验研究影响尾砂充填体强度的因素,优选出符合工程需要的尾砂胶结充填体材料配比,分析了该配比下的充填体强度特性。结果表明,充填体可以有效地限制该矿区的地压活动,对于资源的二次利用和环境保护也有较大意义。     

超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用

超细尾砂已成为充填材料的主要来源。为了便于充填料浆配合比设计与强度预测,基于超细料浆微观结构,提出用固体填充率表征充填料浆结构密实程度。选用某矿山超细尾砂进行了63组配合比强度试验。研究结果表明：固体填充率和水灰比与充填体无侧限强度分别呈指数函数和负幂函数关系。采用Pearson理论对试验样本进行相关性分析,结果表明：固体填充率与水灰比相互独立。在此基础上,建立了超细尾砂胶结充填体双变量强度计算模型,模型计算值与试验值的误差在7%以内。进行了超细尾砂胶结体强度随养护时间增长的试验,基于试验数据拟合规律,提出了强度龄期数学模型,建立了三变量强度计算公式。模型能准确预测矿山充填体强度,且能有效指导矿山充填料浆设计。     

布筋尾砂胶结充填体顶板力学性状试验研究

胶结充填体顶板的稳定性是决定下向分层胶结充填回采断面尺寸的主要因素,结合武山铜矿工程实际,采用相似模拟与现场监测手段,研究了下向分层胶结充填法充填体顶板的破坏模式、变形特征、充填体内钢筋受力特征等。相似模拟试验结果表明,钢筋布置方式不影响顶板的最终破坏形式,竖直布置钢筋与水平布置钢筋相比,更有利于提高顶板整体稳定性。应变监测结果表明,充填体顶板应变状态十分复杂,与通常将下向胶结充填体顶板简化为梁的计算结果有较大不同,垂直方向上应变表现为拉伸应变,而沿分条和垂直分条方向应变均呈现拉、压交错变化。在竖直布置的8根钢筋上布置了24个钢筋测力计,得到了钢筋受力与开采时间的关系曲线,据此将钢筋受力划分为4个阶段,即起始受拉阶段、相对稳定阶段、拉压变化阶段、承载阶段,其中承载阶段钢筋首先承受最大压力,充填体暴露为顶板后,钢筋由受压状态变为受拉状态,并急剧上升到最大拉力,即表现出悬吊作用,并且,进路与分条连接处钢筋承受拉力最大。     

连续级配废石胶结充填体强度及变形特性试验研究

采用MTS815岩石力学试验系统与自制的胶结充填体制作装置,对骨架颗粒满足Talbol级配理论的废石胶结充填体进行单轴抗压试验研究,分析了Talbol幂指数、初始孔隙度、胶结材料种类及含量对充填体强度及变形特性的影响规律。结果表明:充填体单轴抗压强度、弹性模量、变形模量均随Talbol指数n呈先增大、后减小的趋势;采用2次多项式拟合充填体单轴抗压强度与骨架颗粒Talbol指数的关系,得到了使充填体强度及变形特性达到最优的Talbol指数n=0.45。充填体单轴抗压强度基本上随其初始孔隙度的增大而减小,但当孔隙分布均匀性较差时,其试验结果具有一定差异。满足Talbol分布的充填体强度随其胶结材料胶结性能的提高而逐渐增大,其中水泥胶结充填体单轴抗压强度可以达到黏土胶结充填体的6倍以上。另外,胶结材料含量的提高同样可以增大充填体的强度,并能够相应地缩短其应力-应变曲线中的孔隙压密阶段。     

尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析

分别对灰砂配比为1:4,1:8,1:10和1:12的4种尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其应力-应变曲线。分析了不同配比充填体变形与破坏特征,用损伤力学建立了4种不同配比充填体损伤本构方程。经验算对比,所建立的损伤本构方程与试验结果吻合。尾砂胶结充填体损伤研究表明,不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小;峰值应力后,损伤增长越快,破坏过程越突然。根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,探讨了充填体与岩体的合理匹配。充填体与岩体的匹配系数与原岩应力、岩体弹性模量、充填体弹性模量及充填体损伤参数相关。为了便于工程实际应用,对充填体力学试验结果进行了回归分析,得出了充填体强度设计公式,并研究了深部矿床不同开采深度所要求的充填体强度。     

考虑分层特性的尾砂胶结充填体强度折减试验研究

充填体分层现象在分段或阶段嗣后填充采空区过程中较为常见。设置65%、70%、72%和75% 4个浓度,填充次数为1、2、3和4制作不同分层胶结充填体试件,进行单轴压缩试验探究其力学强度及其破坏模式。试验结果表明：（1）相同浓度条件下,随着填充次数增多,胶结充填体的单轴抗压强度弱化效应越明显,而当浓度在65%～75%之间变化时,对应强度折减系数介于0.592～0.967;（2）充填体单轴抗压强度与填充次数之间满足二次多项式函数关系,而与料浆浓度呈对数函数分布;（3）不同分层胶结充填体的破坏模式主要表现为共轭剪切破坏和贯穿分层面的张拉破坏。低强度夹层可能是导致分层胶结充填体强度降低的原因,能够为后期填充采空区的充填体强度设计提供可靠的理论依据。     

混合充填骨料胶结充填强度试验与最优配比决策研究

将全尾砂作为充填料进行充填法采矿,不仅可以降低采矿成本,而且还能够实现固体废弃物资源化利用,同时将固体废弃物充填地下保护环境,维护生态平衡。由于尾砂粒径较细,需要与棒磨砂、戈壁砂混合作为充填料应用于充填采矿,有必要开展混合充填骨料的配比优化研究。首先,分别测试了棒磨砂、戈壁砂和尾砂3种骨料的粒径级配和不均匀系数。然后进行了9组配比的胶结充填体强度试验,在该基础上对试验样本进行训练,建立了神经网络预测模型。最后采用该预测模型,进行混合充填骨料正交设计方案的充填体强度预测,并分别采用极差分析和回归分析,揭示了充填体强度与混合充填骨料特征值之间的关系。研究发现,混合骨料平均粒径和不均匀系数不同,充填体早期和后期强度存在显著差异;平均粒径较小的混合骨料早期强度较高,而平均粒径较大者则更利于提高充填体的后期强度。     

混合充填骨料胶结充填强度试验与最优配比决策研究EI北大核心CSCD

将全尾砂作为充填料进行充填法采矿,不仅可以降低采矿成本,而且还能够实现固体废弃物资源化利用,同时将固体废弃物充填地下保护环境,维护生态平衡。由于尾砂粒径较细,需要与棒磨砂、戈壁砂混合作为充填料应用于充填采矿,有必要开展混合充填骨料的配比优化研究。首先,分别测试了棒磨砂、戈壁砂和尾砂3种骨料的粒径级配和不均匀系数。然后进行了9组配比的胶结充填体强度试验,在该基础上对试验样本进行训练,建立了神经网络预测模型。最后采用该预测模型,进行混合充填骨料正交设计方案的充填体强度预测,并分别采用极差分析和回归分析,揭示了充填体强度与混合充填骨料特征值之间的关系。研究发现,混合骨料平均粒径和不均匀系数不同,充填体早期和后期强度存在显著差异;平均粒径较小的混合骨料早期强度较高,而平均粒径较大者则更利于提高充填体的后期强度。     

改性黄麻纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能试验研究

利用改性黄麻纤维联合微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP）技术能有效胶结充填铀尾砂中的孔隙,提高堆浸铀尾砂的抗渗性能。通过研究铀尾砂的颗粒级配、胶结液浓度以及改性黄麻纤维的长度、质量含量和水热处理时间等因素对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数的影响,获取最优的胶结参数;采用扫描电镜和X射线衍射仪等测试设备,表征了改性黄麻纤维联合MICP胶结铀尾砂形成的碳酸钙晶体的结构类型,分析其抗渗机制。研究结果表明：经水热处理后的纤维表面粗糙度增大,为微生物提供更多的附着场所,促进了微生物在铀尾砂中的生长、繁殖、迁移和固定,增加了碳酸钙晶体的生成量,提高了碳酸钙沉淀的均匀性,降低了铀尾砂的渗透系数;在颗粒级配编号为A3的铀尾砂中,改性纤维联合MICP胶结后的铀尾砂的渗透系数大幅降低,且纤维长度为20 mm、纤维质量含量为0.5%、纤维水热处理时间为2 h、胶结液浓度为2 mol/L时,经过11轮注浆后铀尾砂的渗透系数降低了99%,此时的参数是最优的;改性纤维联合MICP胶结铀尾砂生成的碳酸钙晶体在衍射角...     

粒组含量对钙质砂压缩变形特性影响的宏细观研究

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质,其颗粒形态与基本性质较一般陆源砂有很大的不同。一方面通过钙质砂及石英砂的显微镜三维成像试验,对比研究了钙质砂的三维颗粒形态特征。发现相比石英砂,钙质砂颗粒棱角更显著,轮廓趋于扁平。另一方面,对两砂进行一维压缩试验,分析了各粒组含量对钙质砂压缩特性的影响规律,并利用三维形态分析从细观上解释了钙质砂的压缩宏观特性。发现相同级配、密实度下,钙质砂的压缩性比石英砂高约60%～160%（以av1-2表征）,且粗粒组（5～1 mm）含量对钙质砂的压缩性影响最为显著;当粗粒组含量<25%,中、细粒组质量比值M一定时,存在最劣粗粒含量使钙质砂压缩性最大,且该值随着M的增大而减小,并提出了一个经验公式。     

尾砂胶结含盐冻结充填体力学特性研究

矿山充填开采正逐步向寒区甚至永久冻土区发展,这些区域含盐地下水分布非常广泛。同时,极端寒冷条件下往往需要向充填材料中加入一些防冻盐以防止料浆在输送过程中发生冻结。通过室内测试分析了-6℃环境下不同盐分(Na Cl)膏体充填体力学特性(强度和初始弹性模型)随时间演化特征。利用单轴压力机测得了龄期为7、28、90 d膏体充填体的强度和初始弹性模量,结果表明NaCl的加入会降低冻结充填体的强度,其影响程度取决于胶结料类型。试样的强度随着养护时间的增加而增大。此外,不论盐分浓度、养护时间和胶结料类型,试样的强度与初始弹性模量之间存在显著的线性关系。该研究结果可以为寒区含盐膏体充填技术的开展提供一些依据。     

尾矿料的动力特性试验研究

通过对某铜矿的尾矿料进行动三轴和共振柱试验,研究了尾矿材料动力变形特性,提出了简单实用的孔隙水压力模型,给出了能更加准确地预测尾矿材料的动孔隙水压力的公式,并将其与Seed提出的预测公式进行了比较。在不同密度尾矿料的动三轴试验基础上,分析了相对密度对液化特性的影响,得出了相对密度小于70 %时抗液化强度随相对密度的增加而明显增加的结论。在不同围压下进行动三轴试验,结果表明：在相同的液化振次条件下,围压越高,动剪应力比越低。由共振柱试验可知,尾矿料的阻尼比随着动剪应变幅的增大而增大,而动剪模量随动剪应变幅的增大而减小,动剪模量和阻尼比与动剪应变幅的关系受围压影响不太敏感。     

Unsaturated hydraulic properties of cemented tailings backfill that contains sodium silicate

Recycling the mine waste (tailings) into cemented tailings backfill has economical and environmental advantages for the mining industry. One of the most recent types of cemented tailings backfill is gelfill (GF), a backfill that contains sodium silicate as chemical additive. GF is typically made of tailings, water, binder and chemical additives (sodium silicate gel). It is a promising mine tailings backfill technology. From a design point of view, the environmental performance or durability of GF structures is considered as a key factor. Due to the fact that GF structures are cementitious tailings, their durability and environmental performance depend on their ability to resist the flow of aggressive elements (water and oxygen). Thus, understanding the unsaturated hydraulic properties of GF is essential for a cost-effective, environmentally friendly and durable design of GF structures. However, there is a lack of information with regards to unsaturated hydraulic properties of GF, the factors that affect them and their evolution with time. Hence, the unsaturated hydraulic properties (water retention curve (WRC) or water characteristic curve, air entry value (AEV), residual water content, unsaturated hydraulic conductivity) of GF are investigated in this paper. GF samples of various compositions and cured in room temperature for different times (3, 7, 28, and 90 days) are considered. Saturated hydraulic conductivity and microstructural tests have been conducted; WRCs are measured by using a WP4-T dewpoint potentiameter and the saline solution method. Unsaturated hydraulic conductivity is predicted using the van Genuchten (1980) equation. The water retention curve (WRC) is determined as the relationship between volumetric water content and suction for each GF mix and curing time. The van Genuchten (1980) equation is used to simulate the WRC to best-fit the experimental data. AEV and residual water content are also computed for each mix and curing time. Furthermore, functions are developed to predict the evolution of AEVs, residual water content and fitting parameters of the van Genuchten model with degree of hydration. Important outcomes have been achieved with regards to unsaturated hydraulic properties. The unsaturated hydraulic conductivity of GF was calculated to decrease when the suction, binder content, and degree of hydration increase. The effects of binder content and degree of hydration are more obvious at low suction ranges. The obtained results would contribute to a better design and assessment of the durability and environmental performance of GF structures.     

掺复合浆液堆石料压缩特性试验研究

针对高堆石坝坝体变形大且持续时间长的问题,提出了一种提高堆石体压缩模量、减缓流变变形的方法,即利用易流动、后期硬化的高掺粉煤灰水泥砂浆（简称复合浆液）在堆石体摊铺过程中充填堆石体孔隙,在施工碾压的基础上进一步减小堆石体孔隙率。首先,通过观测复合浆液在透明玻璃球中的流动性态,研究不同配比与掺量对复合浆液流动特性的影响;然后,通过侧限压缩和流变试验,研究掺复合浆液堆石料的压缩模量、流变变形的变化规律。试验结果表明：复合浆液在颗粒体孔隙中的流动性能与粉煤灰掺比、水胶比、砂粒最大粒径以及掺量有关;复合浆液的掺入能有效提高堆石料压缩模量,减少流变变形,且对于软岩料、级配不良料效果更为明显;复合浆液在堆石料中主要起到了充填、胶结与润滑作用。     

大空区尾砂充填体自重压密模型与应用

尾砂是矿山充填的主体材料,属典型松散介质,在外力及自重作用下具有明显的压密特性。不同压密条件下尾砂物理力学性质也随之变化,但迄今还没有较合理的计算方法。以大红山铜矿尾砂为研究对象,采用origin软件自定义函数对尾砂三联杆高压固结试验结果进行拟合分析,得到尾砂密度随外加载荷变化的关系满足幂函数特征。通过分析采场内尾砂微元体自重条件下的受力平衡条件,得到大空区尾砂充填体密度随高度的变化关系满足幂函数特征,函数为可积分函数,尾砂密度随高度的增大而增大,增长速率逐渐减小。Fluent数值模拟计算结果和工业试验结果表明,所得尾砂充填体自重压密模型与实际情况相符很好,具有较高的工程指导价值。     

胶结充填体压缩破坏前兆多参数表征

借助自主设计的由加载控制系统、应变采集系统、电阻同步采集系统以及红外成像系统等组成的多参数、同步监测系统,研究了充填体在单轴压缩过程中的应力-应变、电阻率以及温度变化规律,分析了充填体在破坏失稳应力-应变、电阻率以及热效应异常前兆特征,并对比了不同监测信息对同一事件破坏的敏感度和差异性。结果表明：充填体的电阻率和热红外信息时空演化进程与其压缩变形破坏整个过程基本相符,且具有明显的阶段性;在整个加载破坏过程中,观测到的电阻率前兆信息点要早于热红外前兆点、应力前兆点;与应力-应变、温度变化相比,电阻率变化规律具有明显的反对称性;电阻率变化规律能详细地表现充填体受压过程中每个阶段内部结构变化特征,而热红外信息则主要体现充填体塑性屈服前的表面结构温度演化特性。运用多参数评价充填体加载破坏前兆特征,能克服单纯考虑某一参数变化方法预警可信度低、错误率高的缺点。该方法是一种能全面、精准地掌握采场充填体稳定状态的有效方法。     

A coupled chemo‐viscoplastic cap model for simulating the behavior of hydrating cemented tailings backfill under blast loading

Although the use of blasting has become a routine in contemporary mine operations, there is a lack of knowledge on the response of cement tailings backfills subjected to sudden dynamic loading. To rationally describe such a phenomenon, a new coupled chemo‐viscoplastic cap model is proposed in the present study to describe the behavior of hydrating cemented tailings backfill under blast loading. A modified Perzyna type of visco‐plasticity model is adopted to represent the rate‐dependent behavior of the cemented tailings backfill under blast loading. A modified smooth surface cap model is consequently developed to characterize the yield of the material, which also facilitates hysteresis and full compaction as well as dilation control. Then, the viscoplastic formulation is further augmented with a variable bulk modulus derived from a Mie–Gruneisen equation of state, in order to capture the nonlinear hydrostatic response of cemented backfills subjected to high pressure. Subsequently, the material properties required in the viscoplastic cap model are coupled with a chemical model, which captures and quantifies the degree of cement hydration. Thus, the behavior of hydrating cemented backfills under the impact of blast loading can be evaluated under any curing time of interest. The validation results of the developed model show a good agreement between the experimental and the predicted results. The authors believe that the proposed model will contribute to a better understanding of the performance of cemented backfills under mine blasting and contribute to evaluating and managing the risk of failure of backfill structures under such a dynamic condition. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

细粒含量对尾矿工程性质影响分析

由长期工程实践和试验研究可知,尾矿的工程性质除与尾矿的矿石成分、筑坝方式以及矿浆的沉积特性有关外,重要的是与尾矿的颗粒粒度组成有关。为了分析上游式尾矿库尾矿经排放、沉积、分选等作用下颗粒组成的变化特征及其对尾矿工程性质的影响规律,通过对上游式尾矿库沉积滩面不同距离处尾矿进行颗粒级配分析、力学性质和渗透性质试验,重点分析了细颗粒含量（颗粒直径小于0.075 mm）对尾矿工程性质的影响规律。研究表明,随着距离上游式尾矿库滩顶长度的增大,尾矿颗粒组成中的细粒含量逐渐增多,颗粒级配情况由一般到良好再到一般,孔隙比也呈现出随之先减小后增大的变化趋势。受原尾矿颗粒组成的影响,尾矿黏聚力随细粒含量的增加呈逐渐增大,而内摩擦角相对变化较小,其渗透系数受细颗粒含量影响较大,随含量增大迅速减小。