明　建, 胡乃聯(lián), 孫金海, 王　莉

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京　100083;2. 北京科技大學(xué) 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(jié)充填實驗研究

明建1，2, 胡乃聯(lián)1，2, 孫金海1，2, 王莉1，2

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京100083;2. 北京科技大學(xué) 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(chǎn)作業(yè)中存在的問題,將真實物理模擬實驗與虛擬數(shù)值模擬實驗相整合,設(shè)計了實驗工藝流程和裝置,對全尾砂壓縮固結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行實驗研究。采用固結(jié)強(qiáng)度測試、平面物理模擬、三維數(shù)值模擬等方法,對不同載荷條件下充填體的力學(xué)特性,以及上向分層充填采礦過程中充填體、礦體、圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行了實驗研究。

充填采礦法； 壓縮固結(jié)； 物理模擬實驗； 數(shù)值模擬實驗

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

膠結(jié)充填技術(shù)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(jié)充填料漿,并通過管路、鉆孔等向采空區(qū)內(nèi)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(qiáng)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(jié)充填采礦成本的重要組成部分,而為保證礦山生產(chǎn)安全和采礦強(qiáng)度,對充填體強(qiáng)度和質(zhì)量提出了更高的要求,同時推高了充填采礦成本。因此改進(jìn)充填工藝,在充填體強(qiáng)度不變的前提下降低膠凝材料的用量,并實現(xiàn)全尾砂膠結(jié)充填,是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)礦山環(huán)境、保證可持續(xù)發(fā)展亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。

1　實驗原理

在采用加載壓縮固結(jié)技術(shù)的條件下,對上向水平分層進(jìn)路式充填采礦法生產(chǎn)作業(yè)中的充填體、礦體、圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變的變化數(shù)據(jù)和規(guī)律進(jìn)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(yīng)力分布。Terzaghi理論模型如下式:

(1)

式中:σv為充填體中的垂直應(yīng)力,MPa；H為充填體的深度,m；L為充填體的寬度,m；λ為側(cè)壓力系數(shù)；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(nèi)摩擦角。

Thomas理論模型如下式:

(2)

在式(2)的基礎(chǔ)上引入充填材料黏聚力和內(nèi)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(xué)性質(zhì)的影響,因此本實驗在數(shù)學(xué)力學(xué)模擬計算的基礎(chǔ)上,遵循真實物理模擬為主、虛擬數(shù)值模擬為輔的原則對不同載荷條件下充填體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實驗研究[7-8]。其中,虛擬數(shù)值模擬能夠通過對采充過程進(jìn)行模擬仿真獲取礦體、圍巖、充填體模型內(nèi)部任意區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù),并可直觀地觀測到應(yīng)力、應(yīng)變的變化過程。以有限差分法為代表的數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于充填采礦理論和技術(shù)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(xué)性和準(zhǔn)確性[12]。

2　實驗用品

加載壓縮固結(jié)強(qiáng)度實驗的設(shè)備包括壓縮充填實驗?zāi)＞摺毫υ囼灆C(jī)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱等。為保證施加荷載過程中的安全性和實驗效果,根據(jù)實驗要求自行設(shè)計和定制壓縮固結(jié)實驗?zāi)＞?該模具為單聯(lián)試模,正面和側(cè)面鋼板由螺栓緊固到一起,形成模具框架。強(qiáng)度測試表明，對其內(nèi)部材料施加小于100 kN的壓力時,模具不會發(fā)生變形和斷裂。平面物理相似模擬實驗的設(shè)備包括相似材料模擬試驗架、靜態(tài)應(yīng)力儀、微型壓力傳感器、直線位移傳感器、經(jīng)緯儀等。其中根據(jù)實驗要求自行設(shè)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(zhì)構(gòu)件通過螺栓與主體相連。三維數(shù)值模擬實驗的設(shè)備有微型計算機(jī)和三維有限差分軟件。

3　實驗方案

實驗首先應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)模型獲得充填體在無載荷條件下的力學(xué)特性,初步選取實驗參數(shù)；然后通過加載壓縮固結(jié)實驗獲得不同載荷條件下充填體的物理力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而分析出最優(yōu)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(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù),并研究其變化規(guī)律,進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值模擬仿真；分析物理模擬實驗和數(shù)值模擬實驗數(shù)據(jù),獲得與充填材料相匹配的采場參數(shù)。

3.1加載壓縮固結(jié)強(qiáng)度實驗設(shè)計

實驗對全尾砂充填料進(jìn)行不同載荷下的壓縮固結(jié)測試,進(jìn)而分析其測試數(shù)據(jù)獲得載荷與試件抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,為確定物理相似模擬實驗中相似材料的物理力學(xué)參數(shù)和模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。制作試模時,結(jié)合礦山實際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)指標(biāo),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(yǎng)護(hù)3、7、28 d。按設(shè)計配制充填料,充分?jǐn)嚢韬笱b填入模具,壓力試驗機(jī)對模具內(nèi)的充填材料施加壓力至目標(biāo)載荷,拆模后將試塊置入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。至養(yǎng)護(hù)期齡后需測量試件尺寸,選擇相應(yīng)的強(qiáng)度換算系數(shù),以避免環(huán)箍效應(yīng)的影響。采用壓力試驗機(jī)測量試件發(fā)生破壞時的壓力值,根據(jù)受壓面積計算試塊單軸抗壓強(qiáng)度。加載壓縮固結(jié)實驗設(shè)計如圖1所示。

圖1　加載壓縮固結(jié)實驗設(shè)計

3.2平面物理相似模擬實驗設(shè)計

平面物理相似材料模擬模型能夠模擬實際生產(chǎn)中的開挖和充填過程,借助監(jiān)測設(shè)備對采充過程中模型的壓力及變形進(jìn)行觀測,推斷原型上所發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)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(qiáng)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(yīng)影響實驗結(jié)果,模擬開挖充填的4條進(jìn)路布置在礦體水平方向的中央部分,底部距邊界20 cm,兩側(cè)距邊界45 cm。每條進(jìn)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(jìn)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(wěn)定性,各層的開采高度分別被設(shè)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(cè)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(jìn)行分次裝填和壓實。充填體相似材料依據(jù)加載壓縮固結(jié)實驗的分析結(jié)果進(jìn)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(shè)計容重。完成后繼續(xù)安裝上層模板,重復(fù)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(yù)埋位置時布置相應(yīng)設(shè)備。模型靜置養(yǎng)護(hù)達(dá)到所需的強(qiáng)度后對正面各模擬區(qū)域著色,然后在模型正面布置位移測量標(biāo)志。按照上向水平分層進(jìn)路式充填采礦法對各條進(jìn)路開挖、充填,采充順序為一步采礦體、二步采礦體。各進(jìn)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(qū),然后進(jìn)行上一分層的開挖,如此循環(huán)直至整條進(jìn)路采充完畢。

采用光測法對頂板、兩幫和底板由于應(yīng)力集中出現(xiàn)的沉降、變形和底鼓進(jìn)行測量。為監(jiān)測開挖過程及充填前后頂板、底板、兩幫的應(yīng)力變化規(guī)律,在模型的相應(yīng)位置埋設(shè)連接到靜態(tài)應(yīng)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(shù)值模擬實驗設(shè)計

基于物理模擬實驗獲得的物理力學(xué)數(shù)據(jù),開展不同載荷充填材料充入空區(qū)效果的數(shù)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(shè)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(zhǔn)則,在模型邊界處進(jìn)行約束。模型豎向荷載主要為自重載荷,構(gòu)造應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,隨深度的增加呈近線形的增長方式。

模型達(dá)到初始平衡狀態(tài)后,按步驟進(jìn)行采充,分析應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律。通過分析不同開挖階段的應(yīng)力場及塑性區(qū)云圖,獲得采充過程中礦體、圍巖和充填體的應(yīng)力傳遞、轉(zhuǎn)移變化規(guī)律；通過布置監(jiān)測點監(jiān)測頂板下沉、底板鼓起情況,并作出變形對比圖，進(jìn)而分析整個開采區(qū)域的穩(wěn)定性。

4　結(jié)果與討論

加載壓縮固結(jié)強(qiáng)度實驗結(jié)果表明，充填體抗壓強(qiáng)度與施加載荷成正比關(guān)系。灰砂比為1∶8的不同期齡和不同施加載荷的抗壓強(qiáng)度見表1,不同期齡和不同施加載荷與抗壓強(qiáng)度關(guān)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(qiáng)度增強(qiáng)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(qiáng)度,早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果更為顯著。

表1　灰砂比為1∶8的不同齡期抗壓強(qiáng)度

圖4　灰砂比為1∶8的不同施加載荷和期齡的抗壓強(qiáng)度

通過分析28 d期齡的全尾砂充填料壓縮固結(jié)實驗結(jié)果,并與礦山目前應(yīng)用的充填材料試件的抗壓強(qiáng)度相比較,發(fā)現(xiàn)灰砂比為1∶8、施加載荷為30 kN的方案是較優(yōu)的充填材料配比和壓縮固結(jié)方案。其期齡為28 d的不同灰砂比和施加載荷的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度

圖5　28 d的不同施加載荷抗壓強(qiáng)度

根據(jù)壓縮固結(jié)強(qiáng)度實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)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(yǎng)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(shù)據(jù)表明:一步采礦體開挖后,其空區(qū)頂板應(yīng)力得到釋放,而二步采礦體產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)力集中在外側(cè)礦體上。一步采礦體開挖后頂板發(fā)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(chǎn)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(yīng)力場及塑性區(qū)來看,頂板和側(cè)幫的塑性區(qū)基本維持在一個穩(wěn)定的發(fā)育程度中,充填體有效地起到了抑制頂板沉降和側(cè)幫變形的作用。在實驗過程中,未發(fā)生頂板冒落、側(cè)幫垮塌等情況,壓縮固結(jié)充填體自穩(wěn)性良好,僅在應(yīng)力集中時出現(xiàn)小的形變,在采高增大到5 m時也未發(fā)生塌落現(xiàn)象。與目標(biāo)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(jié)充填技術(shù)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(shù)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(jié)充填方案,兩方案的灰砂比和養(yǎng)護(hù)期齡均分別為1∶8和28 d。模型各部分的物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4　三維數(shù)值模擬模型物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)據(jù)表明,數(shù)值模擬模型與物理模擬模型在應(yīng)力集中與釋放、頂?shù)装遄冃蔚确矫嫠@得的變化規(guī)律基本一致,僅數(shù)值上略有差異。采用30 kN荷載壓縮固結(jié)充填方案時,在各條進(jìn)路均完成開挖和充填后,最大應(yīng)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(jié)充填體充入空區(qū)后最大集中應(yīng)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(qū)的數(shù)據(jù),可知前者對頂板下沉控制效果明顯優(yōu)于后者,但對底鼓的控制兩者相差不大,前者塑形區(qū)范圍明顯小于后者。三維數(shù)值模擬實驗結(jié)果表明,較高載荷壓縮固結(jié)充填體在對頂板的支撐、抗變形、自身穩(wěn)定性方面均明顯優(yōu)于低載荷壓縮固結(jié)膠結(jié)充填體,30 kN荷載壓縮固結(jié)充填方案可保證目標(biāo)礦山的回采作業(yè)的安全,驗證了物理模擬實驗的結(jié)果。

5　結(jié)語

依據(jù)巖石力學(xué)理論和相似理論,設(shè)計了壓縮固結(jié)充填實驗方案和實驗裝置。實驗結(jié)果表明,采用壓縮固結(jié)充填技術(shù)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(shù)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(xué)的充填體、礦體、圍巖中的應(yīng)力變化和變形規(guī)律,并能夠大幅度降低真實物理模擬實驗中物料、人力和設(shè)備的損耗,從而縮短實驗時間并擴(kuò)充實驗內(nèi)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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(FRF-TP-14-077A2)

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

E-mail：mingjian@ uetb.edu.cn

TD853.36

B

1002-4956(2016)9-0053-04