CN109283026A - 一种采场内充填体强度分布特性研究的试验方法 - Google Patents

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张钦礼
齐冲冲
王浩
唐小琳
冯岩
贺严
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Abstract

本发明公开了一种采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，包括步骤：根据雷诺数相似理论建立包括相似采场在内的充填模型，然后对相似采场进行充填，根据实际采场参数进行养护，最后在充填体不同位置取样并进行压力试验，分析该充填体在采场内的强度分布特性。本发明能准确研究采场内充填体强度分布特征，而且具有工作量小、成本低、安全性高、易操作和便于重复性试验验证等优点。

Description

一种采场内充填体强度分布特性研究的试验方法
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，具体涉及一种分析矿山采场内胶结充填体强度分布特性的试验方法。
背景技术
随着充填技术的发展和社会对环保认识的提高，充填采矿法因可以有效控制井下开采特有的技术难题(其他如崩落法或空场法均存在开采资源损失贫化率高，易造成地表大范围塌陷，深井开采工作面温度高、地压高等问题)，而且还可以解决与地面尾矿库相关的一系列安全环境难题(如尾矿库建设占用大量土，尾矿库溃坝、积水翻坝或泄露等)，在世界范围内都得到了广泛的应用。
作为充填工艺的关键技术参数，充填体强度是充填法采矿设计的基础，直接影响着充填采矿法的实施效果，关系到矿体能否安全、持续地开采。目前确定充填体强度的方法主要是室内配比试验：制备的标准立方体或圆柱体试块在恒温恒湿的环境中养护28天后，测定单轴抗压强度作为充填体的强度。然而，现有的一些国内外文献发现，现场取样的充填体强度与室内试验强度相差甚远：高的甚至为室内试验强度的2倍，低的则低约20-50％左右(非专利文献1-4)。因此仅仅依靠传统的室内试验强度进行充填工艺设计无论在安全性和经济上都有所欠缺。
在配比参数固定的条件下，除了温度、湿度等外在因素，充填浆料不同粒径颗粒在采场内的运动(造成分层或离析等，即使是膏体充填在实际中都难以避免)和充填体自重应力(影响固结特性)等都影响着充填体的强度特性。显然，在采场内不同位置，上述几个指标的大小都有所变化，导致充填体在采场内的强度特性呈现不同的分布状态。这种分布不均的强度特性关系到配比参数(尤其是水泥添加量)的设计、充填钻孔的布置以及充填采矿法的实施等。因此，采场内充填体强度分布特性的准确研究势必影响着充填工艺的安全性、可靠性和经济性。
非专利文献：
非专利文献1：J.Cayouette.Optimization of the paste backfill plant atLouvicourt mine[J].Cim Bull,2013,96(1075):51-57.
非专利文献2：M.Fahey,M.Helinski,A.Fourie.Development of SpecimenCuring Procedures that Account for the Influence of Effective Stress DuringCuring on the Strength of Cemented Mine Backfill[J].Geotechnical andGeological Engineering,2011,29(5):709-723.
非专利文献3：K.Le Roux.Comparison of the material properties of insitu and laboratory prepared cemented paste backfill[C].Canada,The 104th CIMAnnual Conference,BC,2002:201-209.
非专利文献4：成祖国.矿山充填体强度与实验室充填体试件强度对比研究[J].采矿技术,2012,12(5):25-26,70.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能准确分析采场内充填体强度分布特性的研究方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，包括步骤：
S1、建立包括相似采场在内的充填模型，其中相似采场尺寸及浆料充填流量根据雷诺数相似原理确定，浆料组成及其配比与实际采场充填用料相同；
S2、利用步骤S1的充填模型对相似采场进行充填；
S3、根据实际采场参数进行养护，如养护温度和湿度与矿山实际采场内参数一致，养护28天后，拆除相似采场等，然后在充填体不同位置取样并进行压力试验，分析该充填体在采场内的强度分布特性。
优选的，相似采场的几何参数根据下式确定：
式中，L代表几何长度，下标p和m分别表示实际采场和相似采场，下标1、2、3分别代表长、宽、高。
根据雷诺数相似原理，有：
对于给定的流体，μp＝μm，假设则有：
式中，Re、ρ、v、D、μ、Q分别代表的是雷诺数、密度、速度、输送直径、动力粘度、流量。
优选的，所述步骤S1中，所述充填模型包括搅拌桶、下料漏斗、浆料输送管道和相似采场。
更优选的，所述相似采场采用钢化玻璃可拆卸组装而成，并在远离下料口一侧设置滤网，所述滤网优选采用钢丝网内衬土工布制成，以更好地模拟实际采场边界排水条件。进一步，所述滤网外侧设置有收集泌水的滤水槽。
优选的，充填材料包括水、水泥和充填骨料。
优选的，充填时浆料的配制量不小于相似采场容积的1.1倍，确保连续性充满相似采场。
优选的，取样的方法为钻芯取样，取样数目不少于5个。
更优选的，分别沿相似采场长度和宽度方向等距取相同尺寸的样品，每个样品均自充填体顶部延伸至底部，并沿延伸方向分割成至少5个尺寸相同的子样品。
更优选的，钻芯的直径为50mm。
优选的，试验项目还包括SEM和/或XRD分析。
本发明的有益效果：
本发明以相似模拟的方式还原充填料浆在采场内的流动特性和固结特性，能有效分析矿山采场内充填体强度分布特性，进一步完善了充填理论与技术。与传统的实际充填采场钻芯取样试验相比，本发明还具有工作量小、成本低、安全性高、易操作和便于重复性试验验证等优点。
附图说明
附图1是本发明具体实施例方式的总体试验布置图。
附图2是充填体钻芯取样方案示意图。
附图3是充填体在采场内的强度分布特性曲线。
图1中各标号：1-搅拌桶；2-闸阀；3-浆料输送管道；4-下料漏斗；5-相似采场；6-滤网；7-滤水槽。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明采场内充填体强度分布特性研究的试验方法包括步骤：
S1、根据雷诺数相似理论建立包括相似采场在内的充填模型；
S2、将充填材料混匀，配制成充填浆料，然后利用步骤S1的充填模型对相似采场进行充填；
S3、根据实际采场参数进行养护，如养护温度和湿度与矿山实际采场内参数一致，养护28天后，拆除相似采场等，然后在充填体不同位置取样并进行压力试验，分析该充填体在采场内的强度分布特性。
本实施例中，相似采场几何参数根据下式确定：
式中，L代表几何长度，下标p和m分别表示实际采场和相似采场，下标1、2、3分别代表长、宽、高。
根据雷诺数相似原理，有：
对于给定的流体，μp＝μm，假设则有：
式中，Re、ρ、v、D、μ、Q分别代表的是雷诺数、密度、速度、输送直径、动力粘度、流量。
下面以某矿山常见采场参数为例，进行说明。
实际采场尺寸为：长×宽×高＝60m×12m×30m，浆料充填流量为80m3/h。取λ＝30，则设计的相似采场5尺寸为长×宽×高＝2.0m×0.4m×1.0m，浆料充填流量为2.67m3/h(0.74L/min)。
本实施例中，除相似采场5外，所述充填模型还包括搅拌桶1、下料漏斗4和浆料输送管道3，并在远离下料口一侧布置滤网6，优选的，所述滤网6采用10mm×10mm网度、8mm钢丝直径的钢丝网内衬土工布制成，以更好地模拟实际采场边界排水条件。滤网6边界设置一个滤水槽7，收集充填泌水，便于在需要时进行水质分析。浆料输送管道3内径及下料漏斗4管段部分内径均设计为10mm，搅拌桶1与地面的高度取1.8m，放料口高度高于下料漏斗，如图1所示。为保证浆料连续性充满相似采场，搅拌桶1有效容积大于2×0.4×1×1.1＝0.88m3，以保证容纳的充填浆料量不小于相似采场容积的1.1倍。
根据该矿山实际充填配比参数，将水泥、水、尾砂按需称重后，在XB-1000型号搅拌桶(直径1m，高1.3m，装满系数取0.9，则有效容积0.92m3)中连续搅拌10分钟，开启闸阀2调节流量稳定至设计值后进行连续充填作业。本步骤中，搅拌桶型号可根据需要自行选择。
充填完成后，采用实验室加湿器和空调控制室内湿度大于90％，室内温度25℃左右。实验过程定期测定室内温度和湿度以控制误差。养护28天后，拆除相似采场模型，形成大充填体块，如图2所示。由于充填体脱水、固结收缩等原因，本实例采场内充填体块最高点为850mm。根据图2所示钻芯方案，采用小型混凝土钻芯机在长度方向和宽度方向分别等距离进行直径50mm的钻芯取样，每个钻芯经过加工后形成5个直径×高度为50mm×100mm的试验样品，每个样品编号为其中z为长度方向钻芯编号，取1-14；p为宽度方向编号，取1-3；i为从底部到顶部的加工试样编号，取1-5。采用压力测试机(本实例采用YAW-300C压力机)对样品进行压力试验，根据不同位置样品对应的强度绘制曲线，分析充填体在采场内的强度分布特性。分析时以长度方向规律为例进行研究，对于编号z和i均相同的样品，取和的强度均值，设为其沿长度方向的分布情况如图3所示。
可见，充填体在不同的采场长度及深度方向的强度均有显著差别，与传统的确定充填体强度的方法相比，本方法能更好地探究充填体强度的动态变化特性，而且工作量小、成本低、安全性高、易操作、便于重复验证。为探究充填体的微观形貌及其变化机理，还可选择进行SEM、XRD分析等。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，包括步骤：
S1、建立包括相似采场在内的充填模型，其中相似采场尺寸及浆料充填流量根据雷诺数相似原理确定，浆料组成及其配比与实际采场充填用料相同；
S2、利用步骤S1的充填模型对相似采场进行充填；
S3、根据实际采场参数进行养护，然后在充填体不同位置取样并进行压力试验，分析该充填体在采场内的强度分布特性。
2.根据权利要求1所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，所述相似采场的几何参数根据下式确定：
式中，L代表几何长度，下标p和m分别表示实际采场和相似采场，下标1、2、3分别代表长、宽、高；
根据雷诺数相似原理，有：
对于给定的流体，μp＝μm，取则有：
式中，Re、ρ、v、D、μ、Q分别代表的是雷诺数、密度、速度、输送直径、动力粘度、流量。
3.根据权利要求1或2所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述充填模型包括搅拌桶、下料漏斗、浆料输送管道和相似采场。
4.根据权利要求3所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，所述相似采场采用钢化玻璃可拆卸组装而成，并在远离下料口一侧设置滤网。
5.根据权利要求4所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，所述滤网外侧设置有收集泌水的滤水槽。
6.根据权利要求3所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，充填时浆料的配制量不小于相似采场容积的1.1倍。
7.根据权利要求1或2所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，取样的方法为钻芯取样，取样数目不少于5个。
8.根据权利要求7所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，分别沿相似采场长度和宽度方向等距取相同尺寸的样品，每个样品均自充填体顶部延伸至底部，并沿延伸方向分割成至少5个尺寸相同的子样品。
9.根据权利要求7所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，钻芯的直径为50mm。
10.根据权利要求1或2所述的采场内充填体强度分布特性研究的试验方法，其特征在于，试验项目还包括SEM和/或XRD分析。
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