混合骨料级配对充填料浆离析的影响

针对金川矿山废石-棒磨砂混合骨料充填料浆存在的离析问题,通过优化混合骨料级配来控制料浆的离析率。首先,对充填骨料进行物化分析及级配分析,通过堆积密实度试验确定混合骨料配比,以WeyMouth粒子干涉理论为基础设计8种级配的混合骨料,并以此进行料浆离析试验;其次,基于Fuller公式建立混合骨料粒径连续分布模型,结合统计学基本原理建立平均粒径和粒径分散系数2个级配表征参数。然后,根据离析试验结果,以屈服应力为条件,确定混合骨料平均粒径和粒径分散系数。最后,以金川矿山充填材料进行验证试验。研究结果表明:在废石与棒磨砂质量比为7:3,屈服应力为50～60 Pa条件下,满足混合骨料高浓度料浆管道自流输送的离析率为16.76%～21.55%,由此确定混合骨料的平均粒径为4.99～5.39 mm,粒径分散系数为1.42～1.45。当料浆质量分数为80%时,级配T1和T2的离析率分别为16.38%和17.04%,与界定值16.76%～21.55%相比较,相对误差分别为1.17%和2.28%,说明确定的混合骨料级配参数范围具有一定的可靠性。     

不同浓度料浆流变特性与混合骨料级配相关性试验

为了探究混合骨料配比及粒径级配对料浆流变特性的影响,首先对矿山充填常用的废石和棒磨砂及其混合骨料进行粒径分析,并得到相应的特征粒径.其次采用流变仪对不同骨料配比、不同质量分数条件下的料浆进行测定,采用H-B流变模型拟合出相应的流变参数.然后对流变参数和流变特性进行分析,并基于最小二乘法研究骨料粒径级配与料浆流变特性的相关性.最后对料浆稳定性进行讨论,并通过建立力学模型确定了混合骨料不沉降离析的临界粒径范围为13.8~21.6mm.试验结果表明:料浆屈服应力和表观黏度均随料浆质量分数的增大而增大;随着剪切速率的增大,料浆流变特性表现出不同的模型特性;料浆流变特性参数与骨料粒径级配的相关性随着特征粒径值的增大而增大.随着质量分数的提高,料浆屈服应力与骨料粒径级配相关性逐渐减弱,而表观黏度与之相反,质量分数和骨料粒径级配对料浆稳定性有很大影响.     

高浓度粗骨料充填料浆抗离析特性及其数学模型

为研究高浓度粗骨料充填料浆的抗离析特性,对初始与临界离析状态下的粗骨料进行受力分析,提出抗离析特性决定系数。为检验该系数,以废棒比、砂灰比和料浆质量分数为影响因素,采用泌水率测试实验和料浆流变特性实验进行验证,并对实验结果拟合。基于决定系数,构建抗离析特性数学模型,采用图像法对模型预测结果进行检验。研究结果表明:决定系数与泌水率呈明显的线性关系,判定料浆离析分界点的决定系数为1,对应泌水率为10%,决定系数大于1或泌水率小于10%时料浆具备良好的抗离析特性。模型误差率基本不超过5%,满足精度要求。充填体截面骨料分布特征与模型预测抗离析结果吻合良好,模型可合理指导制备矿山充填料浆。     

粗粒级膏体充填材料静动态抗离析性能表征

为表征粗粒级膏体充填材料的抗离析性能,基于固液两相流体力学及非牛顿流体力学,对粗颗粒的静动态受力进行分析,构建膏体充填料浆静动态抗离析力学模型。综合考虑浆体屈服应力、粗颗粒粒级分配和固液密度,提出抗离析性能表征模型,即离析判定值M。为检测该模型,以料浆浓度、粗颗粒最大粒径、尾碎比为三因素,进行9组正交实验,并对实验结果进行拟合分析。研究结果表明:离析判定值M的预测结果与实际结果一致,其中,M的最大值M_(max)和M的平均值M_(avg)的拟合复相关参数均达到0.9以上,模型具有可靠性。合理选取粗颗粒粒径计算标准,即可实现对粗粒级膏体料浆抗离析性能的准确预测。建议离析判定值M_(avg)为1.0~2.5,离析判定值M_(max)为1.0~1.2。     

废石尾砂混合料浆流变特性及充填采场流动性试验

为了在金川充填采矿中实现废弃物资源化利用,开展了废石和尾砂两种骨料的混合充填料浆流变特性以及在采场中的流动性研究.首先基于现场取样进行废石和尾砂两种骨料的粒径级配分析,获得了满足充填骨料级配的废石与尾砂的质量比分别是6∶4和5∶5.然后针对这两种混合充填料,进行高浓度充填料浆坍落度试验.结果表明,两种混合充填料浆的坍落度大于20cm,满足金川矿山充填料浆泵送输件的要求;其质量分数在78%以上时属于高流态料浆,但废石与尾砂质量比为6∶4的混合充填料浆的流动性略优于质量比为5∶5的.通过混合充填料浆环管试验,确定了废石与尾砂质量比为6∶4、管径为130mm和质量分数为78%的混合充填料浆为合理管输参数.最后根据充填采场现场调查和强度分析,发现废石与尾砂质量比为6∶4和5∶5的混合充填料浆在采场中流动的坡面角分别为0.55°~1.19°和0.38°~1.26°,但料浆在下料点存在不明显的"锥堆"现象.采场中胶结充填体强度呈现"下高上低"现象,说明废石尾砂混合充填料浆仍存在轻度的沉淀离析.     

级配对矿质颗粒体离析的影响研究及应用

 为取得不易离析的路面颗粒材料,开展了级配对矿质颗粒体离析的影响研究。首先通过实验研究,确定反映路面颗粒材料离析的试验方法;然后应用级配设计理论,设计不同级配参数的矿质颗粒体,根据各颗粒体离析试验结果,采用级配设计参数与表征颗粒体粒径分布的平均粒径与粒径分散系数,分析颗粒体级配与其离析程度的关系。研究发现,最大粒径相同的颗粒体,平均粒径和粒径分散系数存在离析程度最小的临界值,超出此临界值的颗粒体离析程度变大;临界值对应的级配为次级粒径颗粒填充上级粒径颗粒空隙时,留下适当空间的级配;且平均粒径和粒径分散系数存在良好对应关系,粒径分散系数随平均粒径的增大而减小。另外,对比分析了矿质颗粒体离析试验与沥青混合料施工离析的对应关系。     

矸石充填料浆流变特性与颗粒级配相关性试验研究

为了明确矸石充填料浆流变参数与颗粒级配指标的相关性,通过开展不同级配骨料、静置时间条件下的充填料浆流态变化规律试验,研究静置时间、颗粒级配对料浆流态变化的影响。以山西省孝义市新阳某矿矸石胶结充填采煤为工程背景,基于料浆流变特性,分析管道堵塞、磨损机理,得到最优的骨料颗粒级配(2号料浆骨料级配);建立料浆不沉颗粒临界粒径公式,明确2号料浆中不沉临界粒径为14 mm。试验结果表明:料浆的初始剪切力和表观黏度均随着静置时间的延长而增加;料浆的流变特性是个多种模型复合特性的综合体现,随着剪切速率的增加,料浆流变曲线呈上凸状;粒径d10(即粒径累积分布中累积粒径含量达到10%时对应的粒径)、d30(即粒径累积分布中累积粒径含量达到30%时对应的粒径)与料浆的表观黏度和初始剪切力相关性最强,表明0~30μm粒径颗粒对料浆的流变性能影响最大;料浆静置时间越长,表观黏度与粒径d10,d30的相关性强度逐渐降低,而初始剪切力与之相关性则增强。     

戈壁砂和棒磨砂骨料充填料浆管输特性试验

基于利用戈壁砂替代棒磨砂骨料来降低充填采矿成本的目的,开展两种骨料充填料浆管道输送特性试验。首先进行戈壁砂和棒磨砂两种骨料的粒径级配分析,结果显示两种充填骨料的粒径级配基本相同。然后采用L管试验装置,对两种骨料的充填料浆进行流变特性对比试验。结果表明:在相同条件下,当质量浓度小于82%,两种骨料充填料浆流变特性不存在本质上的差异;当料浆质量浓度大于82%时,戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂;当充填管径大于130mm时,两种骨料充填料浆流变特性基本相同;当充填管径小于130mm和质量浓度小于82%时,戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂。由试验结果可知,当料浆质量浓度小于82%和管径小于130mm的管道输送条件下,戈壁砂替代棒磨砂充填料浆的管输特性没有变化。采用高浓度和大管径管道输送时,戈壁砂充填料浆更有利于管道输送。由此表明,金川矿山充填采矿中利用廉价的戈壁砂替代棒磨砂骨料,能够降低充填成本,提高充填采矿经济效益。     

颗粒体离析性评价方法研究

为取得不易离析的路面颗粒材料,研究了不同级配颗粒体的离析性能。根据路面材料离析过程设计了颗粒体的离析试验,以四元矿质颗粒体为研究对象,建立颗粒体的粒径连续分布模型,确定表征级配的参数,分析级配参数与颗粒体离析程度的关系。研究发现,随着颗粒体平均粒径和粒径分散系数的增大,其离析程度有加剧的趋势;且粒径分散系数差与平均离析率线性相关,前者既可在离析试验中评价颗粒体的离析程度,又具有在工程中便捷评估离析材料可用性的实用意义。以上四元颗粒体的研究结果也可用于更多元颗粒体和沥青混合料的离析分析。     

基于质量分数垂线分布的粗骨料充填料浆特性表征

以扩散理论为基础,通过对充填料浆固体颗粒的受力分析,结合其在两相流中垂向脉动速度的概率分布,推导出充填料浆质量分数分布理论公式。为研究各因素对料浆质量分数分布的影响规律,开展粗骨料充填料浆工作与流变特性试验,研究结果表明:影响质量分数垂线分布的因素主要有固粒粒径、固粒密度、料浆密度、初始切应力、固粒粒形。反映固液两相特性对颗粒跳跃特征长度影响指数n为0,0.5和1.0时质量分数分布随深度变化趋势相同,对质量分数分布影响较小;当料浆质量分数大于80%时,曲线间距增大,垂线方向不同位置质量分数分布增加幅度较大,与扩展度反应的料浆工作特性一致;当料浆质量分数小于80%、废棒比(废石与棒磨砂的质量比)为3:7时,质量分数分布达到最大,此时泌水率也接近。通过改变影响质量分数垂线分布的因素即料浆质量分数、固粒密度与粒径,最终可改善质量分数垂线分布。     

基于响应面法−满意度准则的混合骨料充填体强度发展与优化分析

为研究混合骨料配比、料浆质量分数以及水泥掺量对充填体强度发展的影响,采用Talbol级配理论对骨料级配进行评价,并提出基于分形理论的混合骨料配比优化方法,确定最佳骨料配比;采用响应面法设计实验,建立不同养护龄期充填体强度的回归模型,分析各因素对充填体强度发展的影响;构建RSM-BBD-DF多目标优化法对充填体强度进行优...     

路面颗粒材料离析性的评价方法

针对路面颗粒材料因离析造成路面破坏的问题,根据路面颗粒材料离析过程设计离析试验,选择四元矿质混合料为研究对象,建立其粒径连续分布模型,取得表征材料级配的参数,以此分析颗粒材料的离析性.研究结果表明,采用粒径分散系数差可以评价颗粒材料的离析程度,而且据此可以便捷评估离析的颗粒材料是否仍然可用于路面铺筑;此外,伴随颗粒材料平均粒径和粒径分散系数的增大,颗粒材料的离析程度有明显增大的趋势.此离析性评价方法也可用于分析沥青混合料的离析.     

粗骨料高质量分数充填料浆管输水力坡度模型及其应用

基于宾汉姆流变模型和非牛顿流体力学理论,采用L管试验装置,利用3因素3水平正交设计方案,通过回归分析得到各因素对粗骨料充填料浆流变特性的影响规律,进而构建粗骨料充填料浆管道输送水力坡度数学模型,根据极差分析结果优化方案。研究结果表明:水力坡度与料浆质量分数呈正相关,与水泥添加量、粉煤灰掺量呈负相关,与流速呈线性关系;采用优化方案进行工业试验,结果显示料浆流速范围为1.91～2.13 m/s,对模型修正后水力梯度相对误差不超过4.00%。     

基于离散元法离析对混合料骨架结构特征影响

为从细观角度探究级配离析对沥青混合料内部骨架结构构成和受力特征的影响,基于离散元法建立二维混合料骨架模型,对不同离析状态的混合料骨架结构基本构成、受力特征等方面进行了研究和对比。结果表明:(1)提出了根据集料的级配生成二维离散元数字试件的方法;(2)一定粒径以上粗集料相互接触形成网络结构,构成了混合料内部基本骨架,而细集料主要起填充作用,级配离析将影响基本骨架的构成;(3)混合料中细集料的增多会降低矿料间隙率;(4)随着级配由粗到细,集料间接触点的数量急剧增加,集料间的平均接触力和最大接触力都逐渐减小,因而,当混合料发生粗集料离析时,在行车荷载作用下,混合料中粗骨料更易被压碎;(5)以粒径在2. 36 mm以上集料构成的骨架结构对抵抗压缩荷载的贡献率达70%以上,级配离析将影响不同粒径集料对抵抗荷载的贡献率,随着级配由粗到细,较粗集料贡献率下降,较细集料贡献率上升,各档集料的贡献率趋于均衡。     

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%。     

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.     

矸石充填材料压缩力学特性试验研究

矸石充填材料的压缩力学特性关系到原生矸石充填开采的充填效果,为全面研究矸石充填材料的压缩力学特性从而提高矸石充填开采的充填效果,在实验室进行了不同粒径、不同级配的矸石压缩力学试验.试验结果表明,连续级配矸石抵抗变形能力最好,不连续级配矸石次之,单粒径矸石抵抗变形能力最弱;当采用不连续级配方案时,细料含量在30%时,矸石充填材料抵抗变形能力最强;当采用连续级配方案时,n=0.4时的矸石充填材料抵抗变形能力最强.在试验基础上,提出了粗料在矸石充填材料抵抗变形的过程中,主要是起到了增加矸石颗粒间相互滑动的摩擦力的作用,而细料(粒径5 mm)则主要是起到充填矸石颗粒间空隙的作用.因此,为更好地提高矸石充填体抵抗变形的能力,应使矸石颗粒的粗料与细料相配合,从而有效提高原生矸石充填开采的充填效果.     

应用∑Δpi/di确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计,论证了级配特征参数∑Δpi/di与极限体积分数Cvm的相关性,得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论,并给出了求解极限体积分数的方程组.     

应用∑△p_i/d_i确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计,论证了级配特征参数∑Δp/d与极限体积分数G_(vm)的相关性,得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论,并给出了求解极限体积分数的方程组。     

应用∑△pi／di确定有效细粒群的最佳配比

为提高填充料浆质量及指导料浆管输设计，论证了级配特征参数∑△pi/di与极限体积分数Cvm的相关性，得出了粗、细两种充填物料混合后体积分数达到最大值时的级配最佳的结论，并给出了求解极限体积分数的方程组。