李 亮，張希巍，Hassani Ferri

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.麥吉爾大學(xué)采礦與材料工程系，魁北克 蒙特利爾 H3A2A7)

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國(guó)外膏體充填基礎(chǔ)理論研究綜述

李 亮1，2，張希巍1，2，Hassani Ferri3

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.麥吉爾大學(xué)采礦與材料工程系，魁北克 蒙特利爾 H3A2A7)

膏體充填是將尾砂、膠結(jié)劑和水進(jìn)行優(yōu)化組合，配制成的牙膏狀膠結(jié)體，通過(guò)管道以柱塞流的形態(tài)輸送到充填采場(chǎng)。膏體充填與以往漿體充填相比有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如早期強(qiáng)度大有利于縮短充填時(shí)間，充填所需水泥用量少降低采礦成本等等，受到了世界各地現(xiàn)代礦山企業(yè)的青睞。本文基于對(duì)膏體充填技術(shù)發(fā)展史的回顧，總結(jié)了過(guò)去30年內(nèi)世界各地對(duì)膏體充填技術(shù)研究的新進(jìn)展，得出以下結(jié)論：膏體的充填材料成分及粒度分布對(duì)膏體的流動(dòng)性能及力學(xué)性能有顯著影響，膏體的配料中-20μm顆粒的含量必須大于15%；膏體屬于結(jié)構(gòu)流體，具有較高的屈服應(yīng)力和黏度，管道輸送速度小于1m/s，明確膏體的流動(dòng)特性和如何降低屈服應(yīng)力是其輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵；采場(chǎng)中充填后內(nèi)部應(yīng)力變化復(fù)雜，產(chǎn)生拱效應(yīng)，由于拱效應(yīng)的影響使充填強(qiáng)度大幅升高，在充填設(shè)計(jì)中需考慮拱效應(yīng)以降低充填成本。

膏體材料；流變性能；應(yīng)力變化；管道泵送

充填法采礦能夠最大化回采礦石，采礦工作面安全性好，同時(shí)將尾砂回填到采場(chǎng)解決了尾礦堆放污染問(wèn)題[1-3]。采礦充填按照充填工藝和方式大致可分為干式充填(廢石充填)、漿體充填和膏體充填[4]。膏體充填是一種先進(jìn)的充填技術(shù)，綜合應(yīng)用了現(xiàn)代多項(xiàng)先進(jìn)新技術(shù)，其充填強(qiáng)度度大、充填后所需排水量極少、料漿均質(zhì)難沉淀、管道輸送高效等，在礦山長(zhǎng)期發(fā)展中有著巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[4-5]。膏體充填是我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，在當(dāng)代綠色礦山開采具有廣闊的應(yīng)用前景。

1979年德國(guó)Bad Grund鉛鋅礦山首次試驗(yàn)成功了礦山膏體充填技術(shù)，解決了低濃度水砂膠結(jié)充填沁水嚴(yán)重的問(wèn)題[4，6]。1997年澳大利亞Cannington礦山采用分段空?qǐng)龇ú傻V，對(duì)采空區(qū)采用膏體自流輸送方式充填，充填站最大輸送料速度到了420t/h[7]。到2000年時(shí)膏體充填在加拿大的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，水力膠結(jié)充填的礦山大多改用膏體充填進(jìn)行生產(chǎn)[1]。20世紀(jì)90年代金川有色金屬公司在國(guó)內(nèi)首次成功應(yīng)用了全尾砂膏體充填技術(shù)[8-9]，隨后在金屬和非金屬礦山開始推廣使用膏體充填。我國(guó)膏體充填經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展與研究，對(duì)膏體充填應(yīng)用方面取得了許多顯著的成果。未來(lái)膏體充填將成為我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。與漿體充填相比，膏體物料中必須含有一定量細(xì)小顆粒，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明物料中小于-20μm的顆粒含量須在15%以上[8，10]。膏體的料漿屬于高粘度、高屈服應(yīng)力的結(jié)構(gòu)流體，質(zhì)量濃度大，在管道中呈柱塞狀平推運(yùn)動(dòng)。Landriault對(duì)膏體工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行分析總結(jié)，指出膏體充填速率較慢在50～200t/h、但充填效率高、水泥消耗量少，綜合運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)漿體充填低[3，11-13]。

吳愛祥指出由于我國(guó)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)相對(duì)過(guò)于保守，膠結(jié)劑用量大，是造成充填成本居高不下的主要原因，從而在一定程度上限制了膏體充填的應(yīng)用發(fā)展[14]。膏體制備及膏體輸送是決定充填成本的主要因素。要改進(jìn)膏體制備與輸送系統(tǒng)，降低充填難度和成本，必須清楚膏體的基本性能，因而對(duì)膏體的基礎(chǔ)理論研究是必不可少的。鑒于此，本文基于國(guó)外膏體充填的發(fā)展史，概述總結(jié)了國(guó)外對(duì)膏體充填的基礎(chǔ)理論研究，從膏體材料的性能、膏體流變特性和輸送、充填場(chǎng)應(yīng)力變化和穩(wěn)定性的三方面研究展開深入分析，以期為我國(guó)膏體充填研究提供參考。

1 膏體材料性能研究

膏體料漿的性能由制備膏體的材料性質(zhì)決定，研究膏體組成材料的性能是研究膏體強(qiáng)度及流動(dòng)性的基礎(chǔ)。本章節(jié)圍繞膏體組成材料的粒徑、化學(xué)成分、膠結(jié)劑以及料漿的流變性能等方面進(jìn)行概述分析。

1.1 尾礦材料粒徑影響分析

通常尾砂為充填材料的首選骨料，其粒徑分布和礦物成分對(duì)膏體性能有重要的影響。尾砂的粒徑很大程度上取決于選礦工藝和脫泥技術(shù)[15]。尾砂材料研究中通常按照以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)顆粒粒徑進(jìn)行劃分：黏土<0.002mm，泥沙0.06～0.002mm，細(xì)沙0.2～0.06 mm，中沙0.6～0.2mm，粗砂2～0.6mm，礫石>2 mm[16-18]。充填材料的粒徑分布直接影響著料漿的流動(dòng)狀態(tài)，為了確定充填材料的粒徑分布狀況，礦業(yè)領(lǐng)域通常采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)表明充填材料固體顆粒粒徑分布情況[1]。不均勻系數(shù)Cu[18]計(jì)算公式見式(1)。

(1)

粒徑分布的另一指標(biāo)參數(shù)曲率系數(shù)Cc[18]見式(2)。

(2)

式中：D10為10%顆粒能通過(guò)的篩孔徑，μm；D30為30%顆粒能通過(guò)的篩孔直徑，μm；D6為60%顆粒能通過(guò)的篩孔直徑，μm。

粒徑分布，Cu值愈大，表示充填材料中粒級(jí)組成越不均勻，材料中大小顆粒相差越為懸殊[10]。Das認(rèn)為具有良好分級(jí)材料其不均勻系數(shù)Cu數(shù)值在5～10[1]，曲率系數(shù)Cc數(shù)值在1～3[18-19]。由此可鑒，尾砂粒徑須滿足一定條件時(shí)，制備的漿體才能稱為膏體，尾砂的級(jí)配影響著制備膏體的質(zhì)量和性能。

1.2 尾礦材料硫化物影響

在金屬礦山中部分礦山產(chǎn)出的尾礦還含有硫化物等有害物質(zhì)。實(shí)踐證明，采用含硫化物尾砂作為充填料時(shí)，充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度損失嚴(yán)重，影響采場(chǎng)穩(wěn)定。在充填初期，水泥水化作用生成水化硅酸鈣等沉淀物，凝結(jié)硬化形成早期強(qiáng)度[10]。到充填后期，充填體中硫化礦物緩慢發(fā)生氧化反應(yīng)生成硫酸鹽，與水泥中鋁酸鹽及氫氧化鈣反應(yīng)生成鈣礬石和石膏等物質(zhì)，導(dǎo)致充填體體積二次膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋降低了強(qiáng)度[2，10，20]。充填料在選用含硫尾砂時(shí)，一般都需要進(jìn)行脫硫處理，但殘余的硫化物對(duì)降低強(qiáng)度仍有顯著的影響，對(duì)含硫化物充填時(shí)要依據(jù)充填目的慎重使用。

1.3 膠結(jié)劑

充填添加膠結(jié)劑目的是增強(qiáng)充填強(qiáng)度，提高回采工作面安全性[6]。充填常用硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，硅酸鹽水泥主要由硅酸三鈣(50%～70%)、硅酸二鈣(15%～30%)、鋁酸鹽(5%～15%)、鐵酸鹽(5%～15%)構(gòu)成，其不同物質(zhì)成分在水化階段起到不同的作用。硅酸三鈣活性大，充填體開始28d的早期強(qiáng)度主要受硅酸三鈣影響，而硅酸二鈣對(duì)充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度形成有重要影響[10]。膠結(jié)劑使用成本較高，水泥消的耗費(fèi)用占到礦山充填成本的75%[13，19]，降低水泥用量是降低充填成本的有效手段。礦山充填生產(chǎn)中通常添加高爐渣、粉煤灰和火山灰等以代替部分水泥。在成分比例上高爐渣比粉煤灰更接近硅酸鹽水泥，因而在替代水泥材料使用較為廣泛[21-22]。在水泥中添加粉煤灰或高爐渣不但能夠降低充填成本，還可以改善膏體泵送性能，增強(qiáng)充填體后期強(qiáng)度[8]。

1.4 溫度的影響

對(duì)充填溫度的研究大多基于實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行的[23]，F(xiàn)all和Samb的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較高養(yǎng)護(hù)溫度下早期強(qiáng)度增漲速率加快，充填體孔隙更小，因?yàn)楦邷叵?，膠結(jié)劑水化反應(yīng)加快，生成大量水化物分布密集，減少了充填體孔隙從而提升強(qiáng)度[23-24]。實(shí)驗(yàn)室的養(yǎng)護(hù)溫度一般不超過(guò)50℃，且養(yǎng)護(hù)期溫度恒定，而實(shí)際充填環(huán)境溫度受開采深度和地?zé)嵋蛩?，外界環(huán)境氣候以及含硫礦反應(yīng)化學(xué)熱等因素的影響[13]。Fall指出在某些充填區(qū)域因地?zé)峒把趸磻?yīng)作用，充填體內(nèi)部溫度會(huì)高達(dá)上百攝氏度，溫度不斷變化，對(duì)料漿產(chǎn)生復(fù)雜的影響，很多有關(guān)溫度基礎(chǔ)問(wèn)題仍無(wú)法解釋[25]。目前對(duì)充填溫度的研究還不深入，實(shí)際生產(chǎn)中很多有關(guān)溫度問(wèn)題尚無(wú)法解釋，如外部溫度對(duì)泵送影響程度，充填內(nèi)部產(chǎn)熱對(duì)充填力學(xué)性能影響等都有待于進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

1.5 流變性

膏體屬于黏度高的高濃度非牛頓體。對(duì)于膏體這種結(jié)構(gòu)流體，普遍認(rèn)為只有外力大于膏體料漿的屈服應(yīng)力時(shí)，膏體才可以流動(dòng)[26]。在研究膏體流變性方面，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為膏體流動(dòng)特性符合賓漢塑性體模型[26-27]，見式(3)。

(3)

式中：τ0為屈服應(yīng)力，Pa；k為黏度系數(shù)，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

屈服應(yīng)力和黏度是研究膏體流動(dòng)性的兩至關(guān)重要的參數(shù)，屈服應(yīng)力是材料自身的屬性，可以準(zhǔn)確的表明膏體的流動(dòng)性[28]。Clayton結(jié)合工程應(yīng)用指出漿體充填的料漿屈服應(yīng)力不會(huì)超過(guò)200Pa，而膏體充填料漿的屈服應(yīng)力往往在200～800Pa之間[28]。如何精確檢測(cè)確定膏體的屈服應(yīng)力對(duì)管道輸送至關(guān)重要。測(cè)定屈服應(yīng)力最常用的方法是使用應(yīng)力-應(yīng)變率曲線，利用賓漢塑性模型，在較高應(yīng)變速率下曲線趨于直線，然后依據(jù)賓漢模型推算屈服應(yīng)力[29]。屈服應(yīng)力也可使用流變儀通過(guò)控制剪切應(yīng)力遞增速率直接確定屈服應(yīng)力[29]。由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境限制了的流變儀使用，工程中采用坍落度試驗(yàn)評(píng)定其流動(dòng)性能。坍落度所受的影響因素多，無(wú)法準(zhǔn)確判定漿體泵送的難易程度，但坍落度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作方便簡(jiǎn)單使用普遍。通過(guò)建立坍落度與屈服應(yīng)力關(guān)系模型，從而利用坍落高度計(jì)算屈服應(yīng)力提高測(cè)試準(zhǔn)確性。

不同學(xué)者構(gòu)建了不同形式的塌落度和屈服應(yīng)力關(guān)系模型，本文對(duì)塌落度和屈服應(yīng)力模型進(jìn)行推導(dǎo)并簡(jiǎn)化模型以便于計(jì)算。料漿在坍落筒內(nèi)只受重力作用，以坍落度上部圓口中心線為z軸，水平方向?yàn)閤軸建立直角坐標(biāo)系，如圖1(a)和(b)所示。

圖1 膏體應(yīng)力分布

在某一高度z處產(chǎn)生的靜壓力P，見式(4)。

(4)

標(biāo)準(zhǔn)坍落筒上下口直徑比為1∶2，由Tresca準(zhǔn)則得知z層最大切應(yīng)力τz為上覆壓力P的一半，并進(jìn)行切應(yīng)力的無(wú)量化處理，見式(5)。

(5)

坍落筒垂直提起，料漿坍落穩(wěn)定后，如圖2(a)和(b)所示。上端口處料漿所受切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力不發(fā)生變形流動(dòng)，下部料漿層切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力發(fā)生變形流動(dòng)。

圖2 料漿坍落應(yīng)力分布

假設(shè)膏體料漿不可壓縮，則變形部分每層料漿的體積不變，原料漿層厚度dz和半徑rz變形后變?yōu)閐z1和rz1。料漿層由于體積不變，因而其料漿層上覆料漿的重量也不變，從而得到料漿層變化前后的關(guān)系，見式(6)。

(6)

圖2(a)和圖2(b)變形段的高度h1可利用積分求得，并對(duì)h1進(jìn)行無(wú)量綱計(jì)算，見式(7)。

(7)

由圖2(b)可知，未變形段與變形段接觸面h0處的漿體層的屈服應(yīng)力等于切應(yīng)力，見式(8)。

(8)

結(jié)合(7)、(8)，無(wú)量綱圓錐形坍落度s′表示見式(9)。

(9)

Clayton將坍落模型與流變儀直接檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明圓錐形模型檢測(cè)較低屈服應(yīng)力的料漿時(shí)測(cè)試較為準(zhǔn)確。而高濃度時(shí)測(cè)得結(jié)果與流變儀檢測(cè)結(jié)果相比相差加大[29]。在管道輸送設(shè)計(jì)中，除對(duì)屈服應(yīng)力準(zhǔn)確測(cè)量，還需綜合考慮到地下礦山充填處理能力、經(jīng)濟(jì)因素及所選管道直徑。對(duì)于膏體輸送，Hassani認(rèn)為膏體輸送管道有效直徑應(yīng)選擇在10～20cm[4]，考慮到管道額定值，膏體實(shí)際泵送水平距離可達(dá)1000m，在豎直方向充填卻無(wú)輸送深度的限制[2，26]。

1.6 滲透性

充填滲透性是充填設(shè)計(jì)中另一重要的指標(biāo)，充填滲透率是表明采場(chǎng)脫水性能和控制充填速率的重要參數(shù)[1]。充填體滲透性的好壞直接影響擋墻的穩(wěn)定性。滲透性能差時(shí)，充填擋墻排水不及時(shí)，因孔隙壓力大而遭到破壞。Hassani依據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)需要指出充填體滲透率應(yīng)大于10cm/h[2，15]。而對(duì)充填體來(lái)說(shuō)，一般穩(wěn)定性越好，其滲透性卻較差[30]。因此在充填體設(shè)計(jì)中，可采用D10作為有效有效粒徑，利用Hazen公式來(lái)估算滲透系數(shù)Kp[31-32]，見式(10)。

(10)

式中：C為常數(shù)，范圍在0.03～0.05；D10為10%顆粒能通過(guò)的篩孔直徑(一般為12～43μm)[32]。

膏體充填材料性能的研究是了解膏體特性基礎(chǔ)，包括對(duì)物料級(jí)配分布研究、配料物理化學(xué)性能研究、膏體流動(dòng)性研究以及充填體滲透性能研究等。制備膏體的物料中顆粒粒徑必須滿足一定條件才達(dá)到制備膏體的要求，制備的膏體屬于黏度大的結(jié)構(gòu)流體范疇，然而我國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)流研究不夠完善，膏體設(shè)計(jì)中通常利用兩相流理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就造成理論設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用存在偏差，工程應(yīng)用中很可能出現(xiàn)問(wèn)題。因而對(duì)膏體材料性能的研究是確定制備膏體的物料級(jí)配、對(duì)其流變性特性全面了解以及分析膏體強(qiáng)度影響因素的基礎(chǔ)，對(duì)于膏體充填的工業(yè)應(yīng)用，基礎(chǔ)研究是必不可少的。

2 膏體泵送研究

膏體的塑性黏度和屈服應(yīng)力都很大，在管道輸送過(guò)程中沿程阻力損失嚴(yán)重，單靠重力勢(shì)能自流輸送是很難做到的。只有加拿大的Williams金礦、澳大利亞的Cannington礦等少數(shù)礦山成功應(yīng)用自流輸送，但自流輸送的膏體濃度較低，強(qiáng)度也有所下降，大多數(shù)礦山都采用膏體泵壓輸送的方式[33]。膏體泵壓輸送是膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)膏體泵送研究可以從膏體的管流特征，降低管壓梯度，合適的泵送設(shè)備的選擇等方面入手。

2.1 管流特征

于潤(rùn)滄概述了膏體這種高屈服應(yīng)力的結(jié)構(gòu)流體的管流特性，認(rèn)為切應(yīng)力隨切變率的變化率不是固定的[34]，切應(yīng)力從管壁處向管心方向逐漸減小，在某一流層的切應(yīng)力與屈服應(yīng)力相等，則此流層到管心范圍內(nèi)不發(fā)生變形，因而整體上呈柱栓狀在管道中平移[34]。Hassani對(duì)膏體中細(xì)小顆粒的作用進(jìn)行了描述，認(rèn)為物料中的細(xì)顆粒環(huán)繞在粗顆粒周圍，粗顆粒難沉降，保證了膏體的均質(zhì)性，在泵壓過(guò)程中細(xì)顆粒與水處于最外側(cè)形成薄漿層，形成潤(rùn)滑層能夠降低管道阻力[2，4，34]。但膏體料漿在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高應(yīng)力梯度，因此膏體管道輸送速度較慢，其管道輸送速度范圍為0.1～1.0m/s[2，26]。

2.2 降低管道阻力

降低管道阻力有利于膏體遠(yuǎn)距離水平輸送，降低充填成本。Hassian在研究降低膏體管道阻力提到了三種方法：添加粗顆粒；添加化學(xué)劑；增大管道直徑[2]。粗顆粒比細(xì)顆粒的比表面積小，保持水分能力差，添加粗顆粒降低了固體顆粒表面積，從而使更多的水作為輸送的承載介質(zhì)降低了壓力梯度[4]。添加化學(xué)劑也能夠降低管道阻力，然而實(shí)際使用中很多化學(xué)添加對(duì)膏體充填的強(qiáng)度有顯著影響，使用化學(xué)添加劑前要充分研究并有效控制化學(xué)劑的用量[2]。增加管道直徑也是降低管道阻力的有效手段，考慮到現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境因素膏體充填管道直徑不易過(guò)大，在100～200mm范圍較適宜[4，35]。

2.3泵送設(shè)備

泵送設(shè)備的輸送參數(shù)、型號(hào)選擇及運(yùn)行狀況對(duì)充填輸送至關(guān)重要。分配閥是充填輸送泵的重要部件，直接影響泵的使用壽命和輸送能力[33]。當(dāng)今礦用泵主要有德國(guó)普凱邁斯特生產(chǎn)KOS擺管泵、KOV球閥泵等系列以及美國(guó)C700泵系列，在眾多充填泵中，普凱邁斯特公司生產(chǎn)的雙活塞泵性能實(shí)公認(rèn)最好的[33]。普茨曼斯特公司生產(chǎn)的KOS型S擺管液壓柱塞泵，最大泵送壓力可到15MPa，最大排量為400m3/h，采用耐磨鉻鉬鋼，標(biāo)準(zhǔn)沖程長(zhǎng)度1000～2500mm。選擇充填泵是輸送系統(tǒng)核心的設(shè)備，其使用可靠性和性能參數(shù)指標(biāo)直接影響充填的效率和充填成本。

膏體料漿必須滿足可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離管道輸送，制備膏體料漿若無(wú)法輸送就失去了充填意義。膏體泵送研究目的是明確膏體的管流特性，研究分析膏體管流狀態(tài)、管道阻力、壓力梯度、管道磨損狀況以及泵送設(shè)備性能及選擇等，對(duì)工業(yè)膏體輸送系統(tǒng)的成功應(yīng)用是不可缺少的。

3 充填場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力變化及穩(wěn)定性分析

回顧以往充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度依據(jù)充填體不受側(cè)限達(dá)到自立時(shí)底部所受應(yīng)力值[25]，通常對(duì)充填試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)用以等同于充填采場(chǎng)底部所受上覆充填體重量，以判定設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)[26]。然而這種強(qiáng)度設(shè)計(jì)往往過(guò)于保守，從而增加充填成本。Belem研究表明在充填采場(chǎng)中由于充填體受圍巖摩擦作用，產(chǎn)生拱效應(yīng)的影響，使充填體支撐強(qiáng)度大大提高[36]。Hunt闡述了充填拱效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，因充填料漿與采場(chǎng)圍巖側(cè)壁黏結(jié)和摩擦作用導(dǎo)致水平應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移是由于當(dāng)圍巖和礦柱向充填區(qū)域發(fā)生變形時(shí)，充填料漿會(huì)對(duì)其產(chǎn)生橫向的消極抵抗應(yīng)力。所謂消極抵抗應(yīng)力是當(dāng)外力向漿體擠壓時(shí)，漿體會(huì)對(duì)其產(chǎn)生反作用力，在流動(dòng)狀態(tài)下對(duì)其產(chǎn)生最大的抵抗應(yīng)力[26，37]。因而由于拱效應(yīng)的存在使充填采場(chǎng)底部應(yīng)力小于上覆充填體的重力。與傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不同，實(shí)際充填采場(chǎng)底部水平應(yīng)力為所受主應(yīng)力的方向[36]。充填采場(chǎng)考慮拱效應(yīng)就必須將水平方向應(yīng)力考慮到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之中，可利用的以下模型。

3.1 太沙基模型

Terzaghi構(gòu)建了二維拱理論模型，充填設(shè)計(jì)底部位置的水平應(yīng)力σh計(jì)算[38-39]，見式(11)。

(11)

無(wú)黏性太沙基模型，見式(12)。

(12)

充填體底部垂直應(yīng)力σV，，見式(13)。

σV=σh/K

(13)

式中：B為充填采場(chǎng)寬度，m；H為充填采場(chǎng)高度，m；φ為充填體內(nèi)摩擦角，°；γ為充填體重度，kN/m3；K為壓力系數(shù)。

3.2 Martson模型

1)Martson無(wú)黏性模型同樣為二維模型[40]，底部側(cè)的水平應(yīng)力變化σh，見式(14)；采場(chǎng)底部垂直應(yīng)力σv,見式(15)。

(14)

σV=σh/Ka

(15)

式中：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；μ為充填體于圍巖側(cè)壁之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，μ=tan(Φ/3)～tan(2Φ/3)。

2)Aubertin對(duì)Martson無(wú)黏性模型進(jìn)行了改進(jìn)[41]，見式(16)，式(17)。結(jié)合式(16)和式(17)得到采場(chǎng)底部水平應(yīng)力σνH和垂直應(yīng)力σhH的關(guān)系，見式(18)。

(16)

(17)

σVH=σhH/K

(18)

式中:φf(shuō)為有效內(nèi)摩擦角，°;σVH為采場(chǎng)底部垂直壓力，kN；σhH為更正后的水平壓力，kN。

3.3 充填采場(chǎng)穩(wěn)定性研究

充填體一側(cè)進(jìn)行回采礦石時(shí)，垂直高度一面會(huì)暴露，充填體必須有足夠的強(qiáng)度承載開采過(guò)程中相鄰采場(chǎng)的爆破擾動(dòng)及采場(chǎng)地壓。當(dāng)充填體所受最大主應(yīng)力超過(guò)其抗壓強(qiáng)度，充填體將發(fā)生剪切破壞。充填體在兩側(cè)圍巖限制下時(shí)，充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度[26，38]，表達(dá)式見式(19)。

(19)

式中：C為黏聚力，kN；L為采場(chǎng)走向長(zhǎng)度，m；FS為安全系數(shù)。C和φ可以根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則求得。

其安全系數(shù)FS[42-43]可以由式(20)得出。

(20)

式中：He為充填體在采場(chǎng)有效暴露高度m；β為破壞角，°。

依據(jù)給定的安全系數(shù)，可以將式(20)轉(zhuǎn)換為式(21)以求最大允許暴露高度HF[44]。

(21)

現(xiàn)今礦山通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬回采時(shí)充填體失穩(wěn)狀況，優(yōu)化降低所需設(shè)計(jì)安全系數(shù)，在保證安全下降低充填體保守設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而降低成本[26]。Hassani和Mamadou的研究表明，若充填要求能夠支撐地表，則充填體28天后的單軸抗壓強(qiáng)度不能低于4 MPa[13]；若充填體只是要求能夠自立，一般單軸抗壓強(qiáng)度在1 MPa左右即可[15，21，26]。

充填場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力變化及穩(wěn)定性的分析研究是充填膏體的基礎(chǔ)理論研究的重要組成部分。傳統(tǒng)充填設(shè)計(jì)通常依據(jù)充填體自立時(shí)對(duì)底部的應(yīng)力值，而實(shí)際中由于圍巖限制和拱效應(yīng)的影響能夠大大提升充填強(qiáng)度，這造成了充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)于保守增加充填成本。在充填設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮拱效應(yīng)影響改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

膏體充填具有料漿質(zhì)量濃度大，所需排水量少，管道中呈柱塞狀平推運(yùn)動(dòng)，充填效率高，充填強(qiáng)度大等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著膏體研究的不斷深入和技術(shù)的發(fā)展，膏體充填將逐漸成為我國(guó)未來(lái)礦山充填的主要方式之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究從膏體材料性能、膏體泵送、充填采場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力變化及穩(wěn)定性三個(gè)方面，介紹了國(guó)外對(duì)礦山膏體充填方面的研究和發(fā)展，以期為我國(guó)充填發(fā)展提供參考。

1)膏體組成材料的性質(zhì)決定了膏體的性能，物料的粒徑分布是制備膏體料漿的關(guān)鍵，細(xì)顆粒比例不但影響制備膏體料漿的均質(zhì)性，還影響著料漿的流動(dòng)和滲透性能。物料的化學(xué)成分對(duì)充填強(qiáng)度影響較大，尤其是含硫尾砂對(duì)充填長(zhǎng)期強(qiáng)度破壞嚴(yán)重。膠結(jié)材料的填加提高了充填安全性，充填強(qiáng)度受膠結(jié)劑用量和水化溫度影響較大，溫度影響水化速率，水化速度越快，充填體的孔隙越小，強(qiáng)度增大，但充填的滲透性就會(huì)下降。因此，對(duì)膏體材料性質(zhì)的研究利于優(yōu)化料漿配比，提升膏體料漿的綜合性能。

2)膏體的流動(dòng)狀態(tài)為塑性結(jié)構(gòu)流，膏體黏度高、屈服應(yīng)力大，遠(yuǎn)距離管道輸送相對(duì)困難。因此如何有效降低管道阻力和選擇泵送設(shè)備是膏體充填的關(guān)鍵。降低管道阻力常用方法有添加粗骨料、選擇合適管道口徑及添加化學(xué)劑等。除此之外，泵的選擇也格外重要，出口壓力、泵送能力、管道直徑及可靠性等決定著膏體泵送性能。

3)膏體充填到采場(chǎng)后內(nèi)部應(yīng)力變化復(fù)雜，由于圍巖限制及摩擦作用形成拱效應(yīng)，提升充填體的強(qiáng)度，同時(shí)使充填場(chǎng)底部應(yīng)力小于上覆充填體重力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度依據(jù)與充填體能夠自立的強(qiáng)度，從而過(guò)于保守增加充填成本。對(duì)于采場(chǎng)充填設(shè)計(jì)應(yīng)改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，在充填設(shè)計(jì)中充分考慮拱效應(yīng)的影響，將水平應(yīng)力的計(jì)算包含到強(qiáng)度設(shè)計(jì)之中，優(yōu)化傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以降低充填成本。

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Review on the basic theory of paste backfill in oversea

LI Liang1，2，ZHANG Xi-wei1，2，Hassani Ferri3

(1.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Shenyang 110819，China； 2.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China； 3.Department of Mining and Materials Engineering，McGill University，Montreal H3A2A7，Canada)

Paste backfill is made of tailing，cement and water with optimum combination，to make mixture like the toothpaste cementing body，and conveying the plunger flow through the pipeline to the filling stope.In comparison with the previous slurry mine fills，there are number of advantages，such as，the early strength of paste backfill can contribute to shortening of the cycle time of backfilling operation，the advantages of minimal requirement or no bulkhead together with less cement content which contributes to reduction of the mining cost.Paste fill is favored by most of the modern mining companies around the world.This paper based on the review of the historical development of paste backfill and it focuses on highlighting of the development of technologies developed around the world in the last three decades.The conclusions are as follows：Frist，The material composition and particle size distribution of paste have a significant effect on the flow and mechanical properties of the paste，the content of -20μm in the paste mixture must be greater than 15%.Second，The paste is a structural fluid with high yield stress and viscosity，and the pipeline conveying speed is less than 1m/s，clear the flow characteristics of paste and how to reduce the yield stress is the key to the conveying system of paste.Third，The internal stress of the stope is complicated and the arch effect is produced，the strength of filling is greatly increased due to the arch effect，arch effect should be considered in the design of filling to reduce the filling cost.

paste material；rheological property；variation of stress；pipeline pump

2016-01-20

“十二五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013BAB02B01)

李亮(1990-)，男，東北大學(xué)碩士研究生。E-mail:li_liang_neu@163.com。

張希巍(1976-)，男，副教授，主要從事巖石力學(xué)和膏體充填研究。E-mail：zhangxiwei@mail.neu.edu.cn。

TD853.34

A

1004-4051(2016)11-132-07