低温高寒环境下尾砂胶结充填体强度特性研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 匣T A L L U R G l C A LE N G D 疆雹R I N G V 0 1 ．3 3 №3 J u n e2 0 1 3 低温高寒环境下尾砂胶结充填体强度特性研究① 赵国彦，周礼，马举，杨清 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要研究了低温高寒环境下尾砂胶结充填体的强度特性，并采用灰色关联分析方法探究了充填体强度对灰砂比、料浆质量浓 度和养护时间等强度控制因素变化的敏感程度。结果表明，低温高寒环境下，充填体强度随着灰砂比、料浆质量浓度和养护时间的 增大而增大，影响充填体强度的最主要因素为灰砂比，其次为养护时间，再次为料浆质量浓度。 关键词胶结充填体；强度特性；低温高寒；灰色关联分析 中图分类号T D 8 6 2文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 7 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 3 0 0 2 4 0 3 S t u d yo nS t r e n g t hP r o p e r t i e so fC e m e n t e dT a i l i n g sB a c k f i l l u n d e rL o wT e m p e r a t u r eC o n d i t i o n Z H A OG u o y a n ，Z H O UL i ，M AJ u ，Y A N GQ i n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ee x p e r i m e n to ns t r e n g t hp r o p e r t i e so fc e m e n t e dt a i l i n g sb a c k f i l li nc o l da r e aa tl o wt e m p e r a t u r e ， g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i sw a sa d o p t e dt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo ft h o s ec o n t r o l l i n gf a c t o r so nt h es t r e n g t hp r o p e r t i e s ． R e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rs u c hc o l dc o n d i t i o n ，t h es t r e n g t ho ff i l l m a s si n c r e a s e dw i t ha l li n c r e a s ei nt h ec e m e n t s a n d r a t i o ，m a s sc o n c e n t r a t i o no ft h es l u r r ya n dc u r i n gt i m e ．I tw a sa l s of o u n dt h a tc e m e n t s a n dr a t i oh a dap r e d o m i n a n t i m p a c to nt h es t r e n g t ho fb a c k f i l l ，f o l l o w e db yt h ef a c t o ro fc u r i n gt i m ea n dm a s sc o n c e n t r a t i o n ． K e yw o r d s c e m e n t e db a c k f i l l ；s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s ；l o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ；g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i s 随着我国矿山开采不断向深部推进，具备安全、高 效、环保等优势的充填采矿法有着越来越广阔的应用 前景。充填采场本质上就是对采场的一种支护。类似 于其他支护形式，其目的在于充分调动矿体围岩的自 承能力，维护采场围岩的稳定性，从而达到安全高效回 采的目的。一方面，充填体能够改变采场围岩帮壁的 应力状态，使其应力状态从单轴或双轴应力状态转变 为双轴或者三轴应力状态，约束采场临空面上松动块 体的垮落，防止围岩在空间上由表及里的渐进破坏，大 大提高围岩自身的稳定性。另一方面，由于充填体的 让压作用机理，它能让围岩压力得到部分释放，同时施 压于围岩，相当于一种柔性支护“o 。 而影响充填采矿法效果好坏的关键性指标为充填 体强度‘4J 。在常温条件下，为提高尾砂胶结充填体 强度，改善充填效果，科技人员通过大量科学实验和探 索指出，灰砂比是影响胶结充填体强度的最主要因素， 充填料浆浓度次之【5 ] 。然而，关于低温高寒环境下尾 砂胶结充填体的强度特性和各强度控制因素对强度的 影响程度的研究较少。本文在总结前人研究成果的基 础上，通过实验研究了低温高寒环境下尾砂充填体的 强度特性，并探索了灰砂比、料浆质量浓度和养护时间 等强度影响因素对充填体强度的影响程度。 1 试验背景及试验方法 1 ．1 试验背景 山东黄金内蒙阿尔哈达铅锌矿矿体呈脉状、复杂 脉状、多层网状及透镜状产出，总体走向N W 、倾向 S W 、倾角3 0 0 ～5 0 0 。矿带走向长度21 0 0m ，倾斜延深 1 8 0 ～2 4 0m ，平均厚度1 ～1 0m 。矿体上盘节理裂隙 发育，不稳固，矿体及下盘围岩稍稳固。现行采矿方法 为留矿法和房柱法，采矿贫损率高，作业条件安全性 差，故提出了用充填采矿法取代现有采矿方法的设想。 ①收藕日期2 0 1 2 1 2 - 2 0 作者简介赵国彦 1 9 6 3 一 ，男，湖南沅江人，教授，主要从事采矿工程、矿山安全和岩石力学与工程等方面的研究工作。 通讯作者周礼 1 9 8 9 一 ，男，湖北建始人，硕士研究生，主要从事采矿工程及矿山安全方面的研究。 万方数据 第3 期赵国彦等低温高寒环境下尾砂胶结充填体强度特性研究 矿区气候属典型的大陆性季风气侯，风多雨少，最大风 力8 级以上，矿区年最低气温一3 7 ．4 ℃，元月平均气 温一1 4 ．1 ℃，冰冻期从9 月至次年4 月，长达8 个月 之久，最大冻土深度3 ．4 6n l ，为典型的低温高寒地区。 井下平均气温7 ℃，湿度9 0 ％。 1 ．2 试验方法 实验充填料中的尾砂取自内蒙古阿尔哈达铅锌矿 的分级尾砂，其主要化学成分和粒级分布分别见表1 和表2 。胶凝材料采用普通硅酸盐水泥。 ， 裹1 尾砂主要化学成分f 质量分数1 ／％ 实验采用3 因素4 水平设计安排实验点，实验指 标为充填体单轴抗压强度。实验因素为灰砂比 z 1 ， 养护时间 毖 和料浆质量浓度 z 3 。z 1 的取值为 l 4 ，1 6 ，1 8 ，1 1 0 ；z 2 取值为7d ，1 4d ，2 8d ；Z 3 的取 值为7 5 ％，7 0 ％，6 5 ％。 根据实验因数和水平的设计，共制备1 2 组试件， 试件规格为7 0 ．7m m 7 0 ．7m m 7 0 ．7m m 。试件浇 筑好以后放人H S B 一4 0 B 恒温养护箱中养护，为模拟 井下实际环境，养护箱温度设定为7 ℃，湿度设定为 9 0 ％。养护至规定龄期之后利用W H Y 一2 0 0 型万能压 力试验机测试其单轴抗压强度。 2 试验结果及分析 充填体强度特性曲线见图l 。由图可以看出 1 在低温高寒环境下尾砂胶结充填体的强度随 着灰砂比、养护时间和质量浓度的增大而增大 图l c 中灰砂比增大而强度降低为实验误差所致 。 2 当灰砂比不超过l 6 时，各龄期的充填体强度 随灰砂比增大而增大的幅度较快，而当灰砂比大于 l 6 之后，各龄期的充填体强度随灰砂比增大而增大的 幅度明显下降。这说明当灰砂比达到一定程度之后其 对充填体强度的影响逐渐降低。 一 童 蠢 秘 坦 撼 霹 暑 ■ 山 窆 ＼ 键 礤 出 辖 黎 暑 霄 “ 窆 ＼ 毽 蕊 坦 擦 霹 岳 灰砂比 图1充填体强度特性曲线 a 质量浓度7 5 ％； b 质量浓度7 0 ％； c 质量浓度6 5 ％ 3 各配比情况下尾砂胶结充填体7d 和1 4d 强 度普遍较低且7 1 4d 期间强度增幅普遍较小，而从 1 4 2 8d 期间强度有较大幅度的增长。这是因为尾 砂胶结充填体的强度很大程度上源于充填料中水泥的 水化和凝结硬化，而水泥的水化和凝结硬化与环境的 温度关系很大，当温度低于0 ℃时，水化反应基本停 止№] 。分析认为，由于养护箱温度设定为井下平均温 度7 ℃，温度较低，不利于水泥水化反应进行，故充填 体早期强度普遍较低。随着时间的延长和水化反应的 不断进行而不断放出水化热，从而加速水泥的水化和 凝结硬化，故随后充填体强度增长速度加大。 3 强度影响因素灰色关联分析 通过直观分析可以看出充填体强度随各控制因素 变化而变化的大体趋势，但是无法确定各影响因素对 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 尾砂胶结充填体强度影响程度的大小，即充填体强度 与其影响因素的关联程度。传统的关联分析大多是基 于数理统计的方法，其中又以回归分析用的最多，但回 归分析法存在着数据量大、分布典型、计算量大和有可 能出现反常情况等诸多缺点。灰色关联分析方法也可 用来进行关联分析且其要求的样本容量可以少到4 个，即使数据无明显规律时也同样适用。其基本思想 是将评价指标原始观测数进行无量纲化处理，计算关 联系数、关联度以及根据关联度的大小对待评指标进 行排序。灰色关联度的应用涉及社会科学和自然科学 的各个领域，包括在矿业工程领域，都取得很好的实际 应用效果r 7 。m ’。为此本文选取灰色关联分析方法来 探究低温高寒环境下充填体强度对各强度影响因素变 化的敏感程度。 3 ．1强度灰色关联模型的建立 选定尾砂胶结充填体的单轴抗压强度为母因素， 各强度影响因素为子因素。 母因素的观察值为{ 髫∥ o } t 1 ，2 ，3 ，⋯，m ， 子因素观察值为{ 茗， i } i 1 ，2 ，3 ，⋯，r t ；t 1 ，2 ， 3 ，⋯，m ，则由上述两组观察序列组成的原始序列矩 阵为 石∞ 0 石P ’ 0 茹 ’ 0 茹∞ 凡 算i ∞ ／ t 菇 ’ ／7 , 式中菇∞ i 是第i 个元素进行第t 次观测得到的观测 值。其中i i o ，1 ，2 ，3 ，⋯，，1 为母因素 i o 及子因 素的编号；t I 1 ，2 ，3 ，⋯，m 为观测点号；上角标 O 表示该矩阵是原始数据未经任何变换。 为消除各因素观测值在量纲上的差异对计算结果 产生影响，对原始矩阵进行均值化变换 茗- Ⅵ 梨 2 X t ⋯’ i 令 A i t k ” i 一戈” 0 l 3 △～ m 尹x { m } x ∽’ i 一菇趴o I 4 △面。m 。i n { 哑n 旧’ i 一戈1 ’ o l } 5 则各子因素与母因素之间的关联系数为 _ 。 去耋箍 ㈤ 式中i 1 ，2 ，3 ，⋯，n ；t 1 ，2 ，3 ，⋯，m ；p 为分辨率系 数，取值区间为0 到1 ，具体取值视情况而定，P 越小， 分辨率越大，本文选取P 0 ．5 。 3 ．2 模型应用及分析 将实验数据带入上述强度灰色关联模型，运用 M a t l a b 软件进行计算并得到充填体单轴抗压强度与灰 砂比、养护时间、质量浓度的灰色关联系数分别为 0 ．7 6 5 7 ，0 ．7 5 0 2 和0 ．7 2 0 6 ，这说明在低温高寒环境下 影响胶结充填体强度的最主要因素为灰砂比，其次为 养护时间，再次为料浆质量浓度。 胶结充填体的强度很大程度上源于水泥的水化和 凝结硬化。水泥颗粒遇水后发生复杂的化学反应，生 成多种水化物，其中结晶体溶解在水中，而胶凝体以极 小的质点悬浮在溶液中。其反应式为 2 3 C a O S i 0 2 6 H 2 0 3 C a O 2 S i 0 2 3 C a O H 2 2 2 C a 0 S i 0 2 4 H 2 0 3 C a O 2 S i 0 2 C a o n 2 3 C a O A 1 2 0 3 6 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 3 6 H 2 0 4 C a O A 1 2 0 3 F e 2 0 3 7 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 3 6 H 2 0 C a O F e 2 0 3 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 3 6 地0 3 C , a S 0 4 2 心O 1 9 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 3 3 C a S 0 4 3 1 H 2 0 由于水化、溶解的不断进行，溶液变成水化产物的 过饱和溶液，结晶体析出，胶凝体凝聚，并包裹在集料 尾砂颗粒 周围，形成胶结结构。随着上述过程的不 断进行，胶结结构的空隙不断被充满，结构逐渐紧密， 水泥表现为硬化，将集料胶结成为一个坚实的整体，并 具有强度。故充填料中灰沙比为影响胶结充填体强度 的最主要因素。 水泥颗粒的平均粒径为4 0 岬，水泥的水化是由 颗粒表面逐步向中心进行的。相关研究表明，常温下 水泥加水后前2 8d 水化速度较快，2 8d 后反应速度明 显下降，6 个月时水化速度为粒径的一半左右【6 】。而 在低温高寒环境下，水泥颗粒的水化速度受低温影响 明显下降，故早期 7d 、1 4d 强度普遍较低且强度增 长较小。随着养护时间延长，水化热不断累积，反应环 境温度升高，水化速度加快，1 4 2 8d 胶结充填体强 度有了显著增长。故养护时间对胶结充填体的强度也 有着显著的影响。 充填料浆的质量浓度过小，充填料浆离析严重，充 填体的强度将大大降低，且多余的水分残留在充填体 中形成水泡或蒸发后形成气孔，大大减少充填体抵抗 荷载的有效实际断面，且在孔周围应力集中而降低充 填体强度，但在实际生产过程中质量浓度超过一定范 围就存在输送方面的问题。因此，充填料浆的质量浓 度对充填体的强度也有一定影响。 下转第3 0 页 、，、，、， 1 l l ，L／L，L ∞●∞2 ∞m 茗 菇 X 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 皇 ＼ 眯 繁 图53 号泵的入口测管水头随时间的变化 4 结语 1 在建立管道浆体瞬变流控制方程与特征方程 的基础上，进行了管线安全运行仿真模拟计算软件瞬 变流计算模块的开发。 2 在多核或支持多线程C P U 的电脑上进行瞬变 流的模拟计算时，采用多线程技术可提高计算效率；采 用子线程计算时，与主线程计算相比，计算耗时明显 降低。 3 瞬变流的模拟计算结果可用于优化管线设计、 管道系统运行工艺和操作运行程序。 参考文献 [ 1 ]邹伟生．长距离管道输送发展现状及其在矿山的应用前景[ J ] ． 金属材料与冶金工程，2 0 0 9 1 5 7 - 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