Effect of thickeners on the flow characteristics of paste filling slurry and its engineering application
-
摘要: 充填采矿法因其具有大量处置固体废弃物、控制地表沉陷、管理地压等优势广泛应用于地下矿山开采。充填料浆的流动性不仅影响其管道输送,也与充填料浆在空区内的自立性和封堵漏风性能密切相关。本文利用坍落度和稠度测试研究了增稠剂含量和浓度变化对充填料浆流动性的影响,进而分析了增稠充填料浆的自立和防堵漏风性能。在此基础上,开展了增稠膏体充填隅角的工业试验,评估了增稠膏体充填效果。结果表明：20万分子量的羟丙基甲基纤维素（20万HPMC）增稠剂可在10 s内快速溶解,满足连续充填作业的需求。随着20万HPMC含量增加,充填料浆的坍落度和稠度均呈二次多项式函数递减的变化趋势。当增稠剂含量一定,略微提高充填料浆的浓度将显著降低其流动性,改善其在采空区内部的自立能力。依据试验结果,考虑充填料浆在采空区内的自立性和封堵漏风功能,充填料浆的浓度为78%,20万HPMC含量为总固体质量的1‰效果更佳。工业试验结果证实了推荐的配比参数制备的充填料浆在隅角处满足自立性和封堵漏风的要求,隅角充填后CH4和CO浓度减少。研究结果可为充填料浆的增稠和充填技术应用提供参考依据。Abstract: The filling mining method is widely used in underground mining due to its advantages of disposing of a large amount of solid waste, controlling surface subsidence, and managing ground pressure. The flowability of the filling slurry not only affects its pipeline transportation, but also is closely related to its self-sufficiency and sealing performance in the empty area. This article uses slump and consistency tests to study the effects of thickener content and concentration changes on the flowability of filling slurry, and further analyzes the self-supporting and anti blocking and air leakage performance of thickened filling slurry. On this basis, industrial experiments were conducted on thickening paste filling corners to evaluate the filling effect of thickening paste. The results show that the 200 000 molecular weight hydroxypropyl methyl cellulose (200 000 HPMC) thickener can quickly dissolve in 10 seconds, meeting the needs of continuous filling operations. As the content of 200 000 HPMC increases, the slump and consistency of the filling slurry show a decreasing trend as a quadratic polynomial function. When the thickener content is constant, slightly increasing the concentration of the filling slurry will significantly reduce its fluidity and improve its self-sustaining ability inside the goaf. Based on the experimental results, considering the self-sufficiency and sealing function of the filling slurry in the goaf, the concentration of the filling slurry is 78%, and the effect is better when the content of 200 000 HPMC is 1 ‰ of the total solid mass. The industrial test results have confirmed that the recommended ratio parameters for preparing the filling slurry meet the requirements of self-sufficiency and sealing air leakage at the corner, and the CH4 and CO concentrations decrease after corner filling. The research results can provide a reference basis for the thickening of filling slurry and the application of filling technology.
-
Keywords:
- thickener /
- filling /
- hydroxypropyl methylcellulose /
- flowability
-
0 引言
对于地下转露天开采的矿山,地采遗留下的隐伏采空区是露天开采工作的重大隐患[1],为了保证矿山持续发展和安全[2]开采,找出露采平台安全厚度与隐伏采空区跨度之间的规律[3]愈发重要,尤其对于危险采空区,难以实行地下实时安全监测[4],数值模拟[5]可作为分析露采平台安全厚度的一种有效手段.薛涛等[6]从应力和位移多角度,考虑空区与相邻空区相互之间的影响作用,分析开采境界下空区的稳定性状态;李地元等[7]综合采用结构力学梁法､鲁佩涅依特理论估算法等多种方法计算,并对理论计算结果和三维数值模拟分析结果进行比较,得出露采平台安全厚度与隐伏采空区跨度的对应关系,等等[8].国内外对于露采平台安全厚度与隐伏采空区[9]跨度关系的相关研究并不多,了解隐伏空区跨度与露采平台安全厚度的关系对实际工程具有一定的指导意义.
以珠江某钨钼矿为例,运用FLAC3D软件[10]进行数值模拟稳定性分析,得出露采平台临界安全厚度隐伏空区跨度之间的对应关系,提出了采空区跨度与露采平台安全厚度对应线性拟合关系.
1 岩石物理力学参数测定
矿区内的岩体主要是在燕山旋回早期第2阶段第3次岩浆侵入形成的花岗岩,岩性多为中细粒白云母花岗岩及少量黑云母花岗岩,成为钨､钼､铋､铍､钽､铌等有色金属和稀有金属矿床的成矿母岩.根据室内岩石力学参数试验测试与分析结果,可获得典型岩样物理参数及力学参数,拟取用5种岩体不同的抗拉强度参数进行研究,如表 1所示.
表 1 矿岩物理力学参数岩石名称 天然密度/（kg·m-3） 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 黏结力/MPa 内摩擦角/（°） 花岗岩1# 2561.007 142.058 6.775 33.643 0.2255 3.146 32.18 花岗岩2# 2576.515 139.459 6.859 24.219 0.213 3.217 32.34 花岗岩3# 2541.284 146.722 5.918 26.569 0.222 3.212 32.20 花岗岩4# 2547.718 143.564 6.021 68.556 0.241 3.189 33.11 花岗岩5# 2541.714 138.488 6.339 15.230 0.226 3.168 32.37 2 数值模拟方案
2.1 模型建立
根据计算精度与计算机计算能力的要求,选择数值计算模型[11]区域范围,如图 1所示.网格划分采用四面体单元[12].为便于找出隐伏空区几何参数与露采平台厚度关系规律,计算模型略作简化.如图 2所示,模型四面体单元数为472635个,节点数80551个.模型底面和四周均受链杆约束,顶面受荷载约束.
2.2 方案设计
一般情况下完整顶板其破坏方式有拉伸破坏和剪切破坏2种.由于岩体抗拉强度很低,一般会先发生拉伸破坏,然后拉裂隙扩展并与地表贯通而后发生冲剪破坏[13-15].实际空区形状很不规整,为了简化计算,这里将采空区视为矩形洞室进行考虑,设计计算方案如表 2所示.
表 2 计算方案参数表方案 空场跨度 走向长度 空区开挖进度/m 编号 /m /m 步骤1 步骤2 步骤3 1 6 30 10 20 30 2 10 30 10 20 30 3 16 30 10 20 30 4 20 30 10 20 30 5 30 30 10 20 30 6 60 30 10 20 30 由于钻孔设备､运输汽车､人员及辅助设备等外部荷载的存在,采空区中央上部平台载入合计0.5MPa荷载,以摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度理论准则[16]为数值模拟计算的本构模型,依据岩体的强度指标对顶板安全状况进行判别.观测和采集模型中破坏区关键点数据.
3 数值模拟结果与分析
3.1 空区顶板应力和位移分析
(1)主应力分布规律.限于篇幅原因,仅将方案6各步骤结果示列如下.如图 3所示给出了方案6各开挖进度完成后的最大与最小主应力σ1,σ3分布情况.从模拟结果看出,主应力场具有以下特征:①空区形成后,与周围环境应力场比较,附近围岩应力释放明显.在空区顶板出现明显的拉应力集中区,且随着采空区高度的增加,顶板的拉应力逐渐增大,顶板拉应力大部分位于顶板中间附近.各开采步所形成空区都具有这种规律性;②空区顶板中央形成圆弧状的应力等值线拱,靠近顶板中央为拉应力,往上等值线拱径逐渐变大,拉应力减小,最终变为压应力.
(2)剪应力分布规律.在空区周边产生剪应力集中,所不同的是最大应力集中区域不是分布在顶部或侧壁的中央,而是在空区的4个隅角处.在空区的右上角和左下角为正剪应力集中,左上角和右下角为负剪应力集中.
(3)围岩变形与位移特征.空区变形随空区空间的增大而不断加剧,甚至出现顶板冒落.分布特征为:空区周边围岩的位移最大,往外距离空区边界越远,围岩位移就越小,且顶部围岩位移比底部的要大得多,围岩移动方向均指向空区.
3.2 露采平台安全厚度与隐伏空区跨度关系分析
一般来说,隐伏采空区上覆岩体的破坏方式主要有2种:一种为在上部荷载作用下顶板两端围岩产生大变形导致上部覆岩发生剪切破坏,顶板整体滑落;一种为顶板中央产生拉应力超出岩体抗拉强度,出现冒顶､累积性破坏最后发展到地表形成大面积塌陷.根据模拟结果,采空区顶板破坏方式起决定性作用的是拉伸破坏.方案6各开采步围岩的拉伸不安全度等值云图如图 4所示.
拉伸不安全度是指岩体的拉应力与抗拉强度的比值乘以储备安全度,用Ft表示.当Ft＞1时,露采平台将发生破坏;当Ft＜1时,露采平台处于稳定状态,当Ft=1时,露采平台处于临界状态.各方案结果如表 3所示.
表 3 各计算方案结果方案号 开挖 露采平台厚度 空区跨度 空区高度 拉伸不安全度 编号 步骤 /m /m /m 花岗岩1# 花岗岩2# 花岗岩3# 花岗岩4# 花岗岩5# 1 1 30 6 10 0.587 56 0.580 48 0.672 64 0.661 16 0.031 39 1 2 20 6 20 0.709 4 0.700 84 0.812 12 0.798 24 0.586 656 1 3 10 6 30 1.494 68 1.477 28 1.715 48 1.686 44 1.138 922 2 1 30 10 10 0.782 264 0.772 8 0.790 48 0.738 44 0.029 39 2 2 20 10 20 0.756 72 0.747 56 1.106 08 0.832 64 0.587 656 2 3 10 10 30 1.341 12 1.324 88 1.680 36 1.078 44 1.151 922 3 1 30 16 10 0.739 96 0.731 0.895 52 0.696 096 0.069 03 3 2 20 16 20 0.958 44 0.946 84 0.866 32 0.833 84 0.646 944 3 3 10 16 30 1.725 92 1.726 88 1.535 28 1.509 04 1.221 859 4 1 30 20 10 0.559 92 0.895 8 0.474 4 0.560 48 / 4 2 20 20 20 0.906 8 1.097 2 0.641 0.811 48 0.648 03 4 3 10 20 30 1.110 64 1.644 04 1.038 12 1.490 16 1.331 66 5 1 30 30 10 0.498 08 0.492 08 0.570 24 0.630 04 0.050 02 5 2 20 30 20 0.721 16 0.712 44 0.825 6 1.020 36 1.178 6 5 3 10 30 30 1.324 32 1.308 28 1.516 04 1.249 72 2 6 1 30 60 10 0.870 096 0.859 56 0.996 096 0.979 056 0.636 94 6 2 20 60 20 1.010 412 0.998 184 1.156 728 1.136 94 1.865 17 6 3 10 60 30 1.033 86 1.021 344 1.183 572 1.163 328 1.995 29 注：“/”表示数据异常. 利用FLAC3D数值模拟软件计算,地下空区储备安全度取值2.0时,分别对6种方案用线性插值法求出Ft=1时对应露采平台的临界安全厚度值和空区跨度值,5组数据6种方案的线性回归函数关系曲线如图 5所示.
露采平台的临界安全厚度值与隐伏空区跨度及抗拉强度的线性回归函数如式(1)所示.
(1) 式(1)中:x为隐伏采空区跨度(m);y为露采平台临界安全安度(m);σc为岩体抗拉强度，MPa.
由此,可以得出露天平台安全厚度与隐伏采空区跨度及抗拉强度的关系,如式(2)所示.
(2) 4 结论
(1)针对矿山地下转露天开采生产中存在隐伏采空区的安全隐患问题,应用FLAC3D数值计算软件,提出了露采平台安全厚度与空区跨度关系的线性拟合公式,为类似岩性和生产条件矿山的采矿工作提供借鉴意义.
(2)由于矿山现场存在地下水､雨水､自然风化等不确定因素,会使岩石的各项力学强度有所减弱,对研究结果造成一定的影响;同时论文仅做了静荷载分析,对于动态荷载作用(如爆破震动)未进行分析,需要在今后的工作中深入研究.
赵中波 -
![]()
图 3 实验设备：（a） 坍落度桶；（b） 稠度仪
Fig 3. Experimental equipment：（a） slump bucket； （b） consistency meter
![]()
图 5 坍落度测试后充填料浆的形态：（a） 0；（b） 1‰
Fig 5. Morphology of the filled slurry after slump test：（a） 0；（b） 1‰
![]()
图 7 浓度为77%充填料浆的稠度变化过程示意
Fig 7. Variation of slurry consistency of filled slurry with a concentration of 77%
表 1 HPMC基本参数
Table 1 Basic parameters of HPMC
名称 平均分子量 黏度 /（MPa·s） 甲基 羟丙基 取代度 含量/% 取代度 含量/% 20万HPMC 200 000 40 000 1.1~1.6 17.0~24.0 0.1~0.3 4.0~12.0 
下载: 导出CSV
表 2 增稠膏体试验方案
Table 2 Experimental scheme of thickening paste
编号 水泥∶粉煤灰∶山砂（质量比） 质量浓度/% 20万HPMC添加量/‰ 编号 水泥∶粉煤灰∶山砂（质量比） 质量浓度/% 20万HPMC添加量/‰ 1 1∶3∶6 77 0 5 1∶3∶6 78 0 2 1∶3∶6 77 1 6 1∶3∶6 78 1 3 1∶3∶6 77 2 7 1∶3∶6 78 2 4 1∶3∶6 77 3 8 1∶3∶6 78 3
下载: 导出CSV
表 3 22122工作面上隅角处空气浓度测量
Table 3 Air concentration measurement at the upper corner of 22122 working face
班次 次数 检查时间 含量 T/℃ CH4/% CO2/% CO/（mg/L） O2/% 夜班 1 0∶41 0.14 0.06 2 20.7 21 2 3∶16 0.22 0.06 2 20.7 21 3 6∶18 0.26 0.06 4 20.7 21 早班 1 9∶06 0.28 0.06 4 20.7 21 2 12∶07 0.22 0.06 4 20.7 21 3 14∶16 0.22 0.06 4 20.7 21 中班 1 16∶42 0.12 0.06 3 20.6 21 2 19∶43 0.12 0.06 3 20.6 21
下载: 导出CSV
-
[1] 谢和平, 任世华, 谢亚辰, 等. 碳中和目标下煤炭行业发展机遇[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2197-2211. [2] 陈浮, 于昊辰, 卞正富, 等. 碳中和愿景下煤炭行业发展的危机与应对[J]. 煤炭学报,2021, 46(6): 1808-1820. [3] 谢和平, 王金华, 姜鹏飞, 等. 煤炭科学开采新理念与技术变革研究[J]. 中国工程科学,2015,17(9):36-41. [4] 中国煤炭地质总局. 中国煤炭资源赋存规律与资源评价[M]. 北京：科学出版社,2016. [5] 朱吉茂, 孙宝东, 张军, 等. “双碳”目标下我国煤炭资源开发布局研究[J]. 中国煤炭,2023,49(1):44-51. [6] 轩大洋, 许家林, 王秉龙. 覆岩隔离注浆充填绿色开采技术[J]. 煤炭学报,2022,47(12):4265-4277. [7] 邓雪杰, 刘浩, 王家臣, 等. 煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求[J]. 煤炭学报,2022,47(12):4250-4264. [8] 高永涛,张梦,季毛伟, 等.煤矿新型充填胶凝材料研发与工业应用[J]. 矿业研究与开发,2023,43(2):55-61. [9] 罗伙根,刘海双,李鹏, 等. 神东矿区山砂基膏体充填材料配比优化试验[J]. 煤炭技术,2023,42(1):45-49. [10] WANG S S, LI Y L, YANG R S, et al. Rheological behavior with time dependence and fresh slurry liquidity of cemented aeolian sand backfill based on response surface method[J]. Construction and Building Materials, 2023, 371: 130768.
[11] LI H, WU A X, CHENG H Y. Generalized models of slump and spread in combination for higher precision in yield stress determination[J]. Cement and Concrete Research, 2022, 159: 106863.
[12] 杨纪光, 王义海, 吴再海, 等. 某金矿全尾砂高浓度充填流变特性与微观结构的分析[J].有色金属科学与工程, 2023,14(2):249-256. [13] 邝泽良, 郑小龙, 陈军,等. 循环荷载作用下胶结充填体声发射特征试验研究[J]. 有色金属科学与工程, 2017, 8(4):91-97. [14] JIANG H Q, FALL M, YILMAZ E, et al. Effect of mineral admixtures on flow properties of fresh cemented paste backfill: assessment of time dependency and thixotropy[J]. Powder Technology, 2020, 372: 258-266.
[15] YANG L, YILMAZ E, LI J F, et al. Effect of superplasticizer type and dosage on fluidity and strength behavior of cemented tailings backfill with different solid contents[J]. Construction and Building Materials, 2018, 187: 290-298.
[16] 杨志强, 高谦, 王永前, 等. 废石尾砂混合料浆流变特性及充填采场流动性试验[J]. 厦门大学学报（自然科学版）,2017,56(2):294-299. [17] 朱磊, 宋天奇, 古文哲, 等. 矸石浆体输送阻力特性及采空区流动规律试验研究[J]. 煤炭学报,2022,47(增刊1):39-48. [18] 刘音, 王凯, 李浩, 等. 大掺量粉煤灰浆体充填材料流动特性研究[J]. 矿业研究与开发, 2019,39(5): 110-114. [19] REN W C, GAO R G, ZHANG Y Z, et al. Rheological properties of ultra-fine tailings cemented paste backfill under ultrasonic wave action[J]. Minerals,2021,11(7):718.
[20] ZHU L L, JIN Z H, ZHAO Y, et al. Rheological properties of cemented coal gangue backfill based on response surface methodology[J]. Construction and Building Materials,2021,306:124836.
[21] 李兆宇, 孙伟, 张盛友, 等. 全尾砂物理特性对絮凝沉降性能影响规律的研究[J]. 黄金科学技术,2022,30(1):63-71. [22] 牛永辉, 程海勇, 吴顺川, 等. 动态剪切环境超细全尾砂絮凝沉降特性[J]. 有色金属工程,2022,12(8):139-148. [23] MA B G, PENG Y, TAN H B, et al. Effect of hydroxypropyl-methyl cellulose ether on rheology of cement paste plasticized by polycarboxylate superplasticizer[J]. Construction and Building Materials, 2018, 160: 341-350.
[24] 唐明, 李晓明. 羟丙基甲基纤维素对水泥基材料的改善效应[J]. 混凝土,2009,240(10):50-52. [25] 蔡良, 吴枚良, 罗发胜, 等. 羟丙基甲基纤维素对透水混凝土性能影响[J]. 公路, 2021,66(12):355-362.
计量
- 文章访问数: 83
- HTML全文浏览量: 4
- PDF下载量: 5
