废石破碎胶结充填配比优选及在寒冷气候条件下的应用

为解决金英金矿外购铁矿尾砂在寒冷气候条件下充填存在充填体强度低、稳定性差以及井下产出废石大量堆积的难题,开展废石破碎用于井下充填的室内实验。研究结果表明:在充填倍线为2.0~6.0的前提下,废石充填料浆质量分数可达75%以上;当废石与尾砂的质量比为3~6时,对充填料浆流动性和充填体强度无明显影响;粒径d≤5 mm废石+压滤尾砂的充填骨料可获得最大充填体强度,充填骨料的充填体强度从大到小依次为d≤5 mm废石、d≤8 mm废石+压滤尾砂、d≤5 mm废石+铁矿尾砂、铁矿尾砂和d≤8 mm废石+铁矿尾砂;料浆质量分数是确保充填体强度和降低水泥掺量的关键,采用d≤5 mm废石+水泥充填时,料浆质量分数每提高1%,水泥掺量可降低1.2%;当养护温度由10℃提升至15℃时,充填体充填时间为7 d及28 d强度分别提高109.52%和58.46%;经现场工业试验,推荐采用的d≤5 mm废石胶结充填料浆实际质量分数为75%,水泥掺量为11%,充填能力为110 m~3/h,充填成本降低15%~18%。     

碎石和磷石膏联合胶结充填最佳配比及应用

针对四川汉源县石沟石膏矿充填骨料来源不足的情况,提出将该矿碎石和附近某磷化企业磷石膏作为充填骨料的联合胶结充填方案。分别分析粒度在10 mm和5 mm以下碎石和磷石膏的物理化学性质,验证碎石和磷石膏作为联合充填骨料的可行性。通过充填配比试验,分析不同配比似膏体浆体的流动性能和充填体强度特性,得出矿山不同区域和不同时期的最佳充填配比。研究结果表明:充填体强度随似膏体浆体质量分数的增加而增加;往粒度在10 mm以下碎石骨料中加入磷石膏,充填体的单轴抗压强度显著提高;在碎石骨料中添加磷石膏可改善浆体的流动性,有利于减少水泥用量,节约成本;塌落度和扩散度可以很好地反映浆体的可泵性;推荐充填配比的浆体输送性能良好,可以实现泵送要求,充填体强度满足该矿无轨机械化生产的要求,充填泄水对环境几乎没有影响。     

全尾砂胶结充填体的强度敏感性及破坏机制

以大冶铁矿全尾砂为原材料,采用水泥为胶结材料制作全尾砂胶结充填体,采用单因素五水平设计试验,研究了全尾砂胶结充填体强度与料浆中固相质量分数、灰砂配比及龄期之间的关系,并对敏感性进行了分析.胶结充填体强度随着料浆中固相质量分数的增加遵循指数函数增长,随灰砂配比的增加呈线性增长,随龄期增加遵循指数函数的增长,其中胶结充填体强度对龄期的敏感性最高,料浆中固相质量分数次之,灰砂配比最弱.胶结充填体抗压破坏试验结果显示,充填体的破坏经历了四个阶段,分别为微裂隙闭合阶段、线弹性阶段、微裂纹扩展阶段及裂纹贯通破坏阶段.     

连续级配胶结充填体力学特性及声发射特征

基于程潮铁矿尾砂胶结充填背景,配制7组不同Talbol指数n的连续级配胶结充填体试样,开展了单轴压缩胶结充填体声发射(AE)监测试验,获取了胶结充填体强度及声发射特征参数.研究结果表明:连续级配胶结充填体的强度随n的增大呈震荡上升,达到最大值后骤然下降,当n=0.5时,连续级配胶结充填体强度最优,连续级配胶结充填体试样破坏后表壁以主裂纹为主,主裂纹发育完整,属于单一裂纹贯穿破坏,当n≠0.5时,主裂纹沿扩展方向发生偏转,属于裂纹绕行扩展破坏;当n=0.5时,声发射能率与累积能量均呈现出明显与全应力应变曲线对应的阶段性变化特征,当n≠0.5时,声发射能率呈现周期性间断峰值变化规律,累积能量表现为明显的阶梯性变化特征.     

基于均匀设计实验的膏体配比优化

 某铅锌矿使用膏体充填中出现了缓凝现象,添加促凝剂后效果良好。为优化添加促凝剂条件下的膏体物料配比,开展了均匀设计实验。考察了膏体质量分数、砂灰比对泌水率、流动度、充填倍线、膏体强度的影响。实验结果表明,膏体的泌水率、流动度和充填倍线主要受质量分数影响,且均与浓度成负相关。砂灰比对流动度的影响很小,但其是膏体强度的主要影响因素,砂灰比越小,膏体的强度越大。综合考察泌水率、流动度、充填倍线、膏体强度4 种指标对应的配比范围,得出推荐配比为质量分数75%~76%、砂灰比7:1~8:1。     

不同骨料固结粉胶结充填体强度试验与对比分析

为了将固结粉新型胶凝材料在金川矿山推广应用,针对目前矿山采用的4种充填骨料,开展固结粉胶结充填体强度试验研究.首先,针对龙首矿充填系统以及工业技术参数,进行4种充填骨料、3种胶凝材料和5种充填料浆浓度的试验方案设计.然后,针对4种充填骨料开展不同料浆浓度的充填体强度试验,获得了不同配比条件下胶结充填体强度.最后,针对固结粉胶凝材料进行4种骨料胶结充填体强度分析和对比研究.结果显示,除了戈壁粗砂骨料的胶结充填体3d和28d强度低于矿山设计强度外,其他3种骨料胶结充填体强度均满足金川矿山充填体设计强度.由此可见,固结粉新型胶凝材料可以替代水泥在金川矿山推广应用.     

基于超静定理论及数值模拟的胶结矿柱稳定性分析

 为科学、精确地评价井下胶结矿柱的稳定性,提出基于超静定理论及数值模拟的矿柱稳定性分析方法。将人工胶结矿柱简化为超静定结构,建立超静定理论模型,计算矿柱在尾砂充填体不均匀侧压载荷、自重和顶部冒落拱压力综合作用下的最大应力,并采用Midas 有限元软件模拟分析矿柱的有效应力及应变位移,结合废石块胶结模型的单轴抗压强度试验值对矿柱的稳定性进行评价。以大红山铜矿人工胶结矿柱为例的分析结果显示,超静定理论模型计算的最大应力为6.27 MPa,数值模拟的最大应力、最大位移为3.55 MPa 和40.46 mm,试验测得的胶结废石块模型单轴抗压强度为10.9 MPa,表明采用超静定理论计算与数值模拟相结合评价矿柱稳定性的方法可行。     

金川全尾砂棒磨砂新型充填胶凝材料试验研究

利用矿渣、粉煤灰等固体废弃物,开展新型充填胶凝材料试验,是解决金川矿山固体废弃物资源化利用和降低充填成本的重要途径。对金川矿区可以利用的尾砂、棒磨砂等充填骨料的物化特性进行分析和颗粒级配研究;进行新型充填胶凝材料配比正交试验。在此基础上,采用统计回归分析和参数拟合方法,建立新型充填胶凝材料胶结充填体强度与激发剂掺量的函数关系,并以胶结充填体强度为优化目标,以激发剂掺量范围作为约束条件,建立新型充填胶凝材料配比的优化模型。求解优化模型获得全尾砂-棒磨砂混合充填料的新型充填胶凝材料优化配比。最后,对新型充填胶凝材料进行验证试验。结果表明,开发的新型充填胶凝材料满足金川矿山对胶凝材料的要求,从而为金川矿山固体废弃物利用提供了依据。     

尾砂胶结充填体损伤软-硬化本构模型

针对灰砂比分别为1∶4,1∶8和1∶10的尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其在单轴压缩条件下的物理力学特性。根据统计损伤理论,在材料微元强度服从Weibull分布规律的基础上,引入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力,建立尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软-硬化本构模型。经对比验算,尾砂胶结充填体损伤软-硬化模型与实验结果相吻合。该模型在体现尾砂胶结充填体损伤随机性、应变软化过程的同时,反映了尾砂胶结充填体峰后应变硬化过程及规律,为充填体强度设计提供了依据。     

基于RSM-BBD的混合骨料充填料浆配比优化

针对混合骨料充填矿山,为了确定充填料浆优化配比,首先进行充填材料物化特性分析,在此基础上,根据泰波级配理论和最大堆积密实度理论,确定棒磨砂-废石配比;然后采用BBD响应面法设计13组试验,研究料浆质量分数、胶砂比(胶凝材料与骨料的比值)、混合骨料配比对充填体强度影响规律.最后以各龄期强度为响应值构建响应面模型,揭示各响应参数与目标响应量相关关系及多目标条件下充填料浆优化配比.研究结果表明,充填体强度不仅受单因素影响,而且各因素间交互作用对充填体也有很大影响.其中料浆质量分数与骨料配比的交互作用对充填体早期强度起决定性作用,胶砂比与骨料配比的交互作用对充填体中期强度影响显著,充填体后期强度受料浆质量分数和胶砂比交互作用影响较大.以充填成本作为目标建立优化模型进行优化,由此获得充填料浆的优化配比为:料浆质量分数80%,胶砂比为1∶6,棒磨砂-废石配比为3∶7.通过试验验证满足金川矿山充填体强度要求.     

铀尾砂胶结充填体三轴压缩试验及非线性强度准则研究

充填采矿法是矿山开采的重要施工方法,探究尾砂胶结充填体回填采空区后的强度特性具有重要的理论研究和工程实际意义。以铀尾砂胶结充填体为研究对象,研究砂灰比和围压对胶结充填体力学性能的影响。随后基于三种强度理论,以试验数据为基准,对不同砂灰比铀尾砂胶结充填体强度进行预测。研究结果表明砂灰比对尾砂胶结充填体的力学特性有较大的影响;（1）砂灰比为4,围压小于4MPa时,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变软化型,砂灰比大于4.铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变硬化型（2）粘聚力和内摩擦角随着砂灰比的增大而减小,并逐渐趋于平稳。并呈指数下降趋势,（3）Rocker准则公式简单,能精准的预测不同砂灰比条件下铀尾砂胶结充填体的强度。并提出考虑砂灰比的铀尾砂胶结充填体的Rocker强度准则,并验证其具有良好的预测效果,上述研究将为矿山充填开采提供有益的参考。     

粉煤灰在下向分层胶结充填采矿中的应用试验

针对粉煤灰替代水泥的充填体强度普遍偏低和充填体脆性增大,对安全生产带来安全隐患的问题.采用粉煤灰替代水泥的胶结充填配比试验.研究结果表明:粉煤灰替代水泥的充填料浆流动性好,有利于充填料浆管道输送.但充填体强度随着粉煤灰替代量增加而降低,对于早期强度尤为突出根据金川镍矿下向进路式采矿对充填体强度要求,确定了粉煤灰最高掺入质量分数为13%.同时还对掺入粉煤灰的水泥特性和技术标准开展研究,制定掺粉煤灰水泥的技术标准,为粉煤灰在金川镍矿的安全、高效和经济的心用奠定基础.     

崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析

借助修正后的RMR方法对和睦山铁矿工程岩体进行了分级.分别采用厚跨比法、结构力学梁理论以及普氏拱理论对矿柱进行了研究,获得了嗣后采场破坏模型以及采场失稳演化过程.分析了采场尺寸、矿岩坚固性系数、抗拉强度以及内摩擦角对崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性的影响.通过极限平衡法建立了阶段嗣后充填法矿柱安全系数方程.研究结果表明:矿岩的坚固性系数和抗拉强度对顶板临界厚度影响明显;矿岩的内聚力对矿柱的安全系数影响最为显著.最后将上述结果应用到和睦山铁矿嗣后采场稳定性分析中,得到了块矿地带的采场顶板临界厚度和矿柱安全系数,并从理论角度分析19~#矿房跨塌的原因.     

全尾砂新型充填胶凝材料开发及其水化机理探讨

针对司家营铁矿全尾砂,利用石灰、脱硫石膏、矿渣等固体废弃物开展替代水泥的新型充填胶凝材料试验研究,并通过电镜扫描(SEM)和X射线衍射(XRD)分析,研究新型充填胶凝材料激发剂的水化机理,确定激发剂优化配比。研究表明,当料浆质量分数为68%、胶砂比为1∶8、石灰质量分数为3.5%、脱硫石膏质量分数为16.0%时能够满足司家营铁矿南区嗣后充填法采矿对充填体强度的要求。结果显示,新型充填胶凝材料胶砂体与水泥胶砂体相比,结构更致密、产状更粗大,水化产物主要为AFt晶体和无定型C-S-H凝胶,从而大幅度提高了新型充填胶凝材料胶砂体的龄期强度。     

胶结充填开采两端固定岩梁模型及梁式断裂分析

考虑采空区胶结体在强度形成区内对顶板的支撑载荷与距离工作面长度呈线性关系,基于垮落法两端固定梁模型,建立胶结充填开采两端固定岩梁力学模型,得到岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式;提出充填开采极限跨距概念,从岩梁抗拉、抗剪强度推导出极限跨距表达式;提出充填开采工作面极限推进速度概念,并推导出其表达式。应用模型和概念公式对某矿2414工作面进行计算。研究结果表明:充填开采时,岩梁最大剪切力、弯矩位于煤壁处,与垮落法开采相比,剪切力和弯矩更小;增加支柱(架)的支撑力,可减小岩梁两端剪切力和弯矩;按抗拉和抗剪强度计算充填开采极限跨距分别为24.6 m和85.8 m,胶结体须在12.5 d内形成抵抗上覆岩层载荷的强度;岩梁剪切力和弯矩分布均为非对称性;煤壁处的支座反力、弯矩分别为采空区侧岩梁端2.28和1.49倍;充填开采有利于采空区后部沿空巷道的维护。     

松散破碎矿体采矿方法探讨

在地表不允许崩落的情况下,松散破碎矿体回采,不能采用崩落法和空场法,而胶结充填成本又太高.文章以大宝山矿2#主井②矿体为例提出采用胶结充填回采矿柱、干式充填回采矿房,连续采矿、分步实施的采矿方法,就采矿工艺、充填方法、安全保障措施进行探讨,与传统方法相比,在安全、效率、成本、回采率、最低可采品位等多项安全、技术经济指标上取得了成效,具有一定的推广应用价值.     

云南某铅锌矿全尾砂膏体室内实验研究

对云南某铅锌矿采用全尾砂膏体充填方案开展了室内实验研究,分析了全尾砂基本物理化学性质(粒级组成、化学成分),并进行了全尾砂自然沉降试验、坍落度试验、全尾砂试块单轴强度试验,获得了全尾砂及全尾砂胶结料的自然沉降特性、流动性能、析水性能及强度特性.试验结果显示:全尾砂自然沉降2~3 h后,重量浓度达到72%~76%,需要添加絮凝剂加快沉降;全尾砂胶结料的重量浓度为78%~79%时,坍落度为24~17 cm,基本无析水(1%~0.6%),充填料呈膏体状态,适合长距离输送;全尾砂膏体配合比在1∶4~1∶12时,28 d单轴抗压强度达到1~4 MPa.室内实验初步表明该矿山可以采用全尾砂膏体充填方案.     

尾砂级配的混沌优化

采用分形理论研究分级尾砂的级配.计算国内外大量矿山尾砂材料的分形参数,研究尾砂的分形级配与其胶结强度的关系.采用神经网络建立尾砂胶结强度与水泥质量分数、料浆浓度、尾砂颗粒分维数、孔隙分雏数及分维数相关率的知识库模型.研究结果表明,尾砂胶结强度与其分形级配相关;随着尾砂颗粒间孔隙分雏数减小,充填体强度增高;尾砂分雏数相关率越大,充填体强度越大.用所建立的神经网络知识库模型,利用Logistic迭代方程的混沌遍历特性,采用混沌优化方法研究使充填体达到最佳强度的选矿尾砂最优分级.根据采场脱水工艺,应用该方法,获得安庆铜矿选矿尾砂的最佳级配参数.工程应用结果显示,该方法年增加尾砂用量2.87万t,胶结充填体强度提高8%,为矿山年节约充填成本55.8万元.     

铀矿尾渣胶结充填体塌落度影响因素及预测模型

采用生石灰中和后的铀矿尾渣为试验骨料,水泥为胶结剂,试验了不同渣浆质量浓度和灰渣质量比条件下尾渣胶结充填体试件塌落度。利用自适应神经模糊推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)预测不同渣浆质量浓度和灰渣质量比条件下塌落度。试验结果和模型预测结果表明,在同等条件下,铀矿尾渣胶结充填体的塌落度与渣浆质量浓度和灰渣质量比均成反比;随着渣浆质量浓度变小,铀矿尾渣胶结充填体流动性变大,如果再降低灰渣质量比,铀矿尾渣胶结充填体会出现明显离析现象;铀矿尾渣胶结充填体塌落度ANFIS模型的预测精度较高,结果唯一且可靠;如果不同矿山铀尾渣物理参数相似性较高,则已知的铀矿尾渣胶结充填体塌落度ANFIS模型可以预测该矿山尾渣胶结充填体的塌落度。     

基于BP网络的某矿山充填料浆配比优化

针对目前某矿山残矿回采充填体质量所存在的问题,提出采用分级尾砂胶结充填的方案.分析分级尾砂的物化特性,得出分级尾砂作为充填骨料的可行性.通过配比试验,初步确定影响料浆质量的因素.为了得到最优配比,采用神经网络进行优化,以料浆浓度及各组分添加量作为输入因子,塌落度、7d抗压强度及28 d抗压强度作为输出因子,并以配比实验数据为训练和检验样本来建立BP神经网络预测模型.对比隐含层节点数对模型训练过程及预测精度的影响,选取最佳预测模型结构为4-9-3.将配比参数细化输入到预测模型中,从而搜索出优选样本,得到最优配比为所(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(尾砂)=1∶3∶8.优化结果表明:在保证强度的前提下,粉煤灰的添加可有效地降低充填成本,经济效益显著.