漿液–風積沙雙相介質充填材料堆積角度實驗研究

白仲榮

漿液–風積沙雙相介質充填材料堆積角度實驗研究

白仲榮

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

堆積角度是描述充填材料采空區內空間堆積形態的一個重要參數，對確定鉆孔間距、優化漿液配置、調整注漿工藝參數具有重要的指導意義。為掌握漿液–風積沙雙相介質充填材料堆積角度變化規律，采用尾礦自流堆積模型實驗和流變特性實驗，以風積沙的質量摻入比為變量，分別測定不同含砂率條件下漿料堆積參數和流變參數，并以此為基礎對Sofra & Boger公式進行了回歸修正，建立適合于漿液–風積沙雙相介質充填材料的堆積角度計算式，為充填材料堆積角度定量評價提供了一條新途徑。

采空區；堆積角度；風積沙；模型實驗；流變特性

利用榆神府礦區豐富廉價的風積沙、粉煤灰作為空洞型采空區充填材料，在榆神府地區采空區災害治理中得到了廣泛的應用和推廣[1-2]。水泥粉煤灰漿液及風積沙組成的介質在空洞中的堆積形態是采空區治理工程設計的重要依據。但前期研究方向主要集中在充填材料多樣化[3-7]、工藝改進、充填材料流動性能等方面[8-9][9]，而忽視充填材料在采空區內空間堆積形態方面的研究工作，導致鉆孔間距和充填材料配比設計通常根據以往的工程經驗確定，這種理論上的缺乏勢必造成實踐中的盲目性[10-11]。因此，研究充填材料在采空區內的堆積規律具有重要的理論意義和實際價值。本文以此為出發點，引用自流堆積模型實驗和流變參數測定實驗來探索和研究充填材料在采空區內的堆積規律，為后續采空區災害治理中鉆孔間距和充填材料配比設計提供更加充分的理論依據。

1 自流堆積模型實驗

1.1 實驗原理及方法

尾礦流體材料與漿液–風積沙充填材料均為雙相介質，在流動和堆積形態方面具有顯著的相似性。因此，本次實驗采用Sofra & Boger 2001提出的尾礦堆積模型實驗方法[12-15]，對不同漿砂配比條件下的充填材料堆積角度變化規律進行研究。實驗裝置模型如圖1所示。

圖1 自流堆積模型實驗裝置示意

1.2 實驗材料及配比

本次實驗所用材料有水泥、粉煤灰、風積沙、水。其中，水泥為粉煤灰硅酸鹽水泥，粉煤灰參量34%，密度為2.8 g/cm3；粉煤灰材料產自電塔鎮陽關燃煤電廠，材料參數性能見表1。實驗中選用風積沙作為充填骨料，產自府谷縣廟溝門鎮地區，堆積密度1.553 g/cm3，孔隙率為35.5%，其顆粒級配曲線如圖2所示。

表1 粉煤灰性能參數值

圖2 風積沙粒度分布

由圖2可知，風積沙粒度成分以細砂(0.25~ 0.10 mm)為主，中砂(0.50~0.25 mm)次之，極細砂(0.10~ 0.05 mm)較少。大于0.50 mm和小于0.05 mm者含量極少。通過上述分析可知，本次實驗所用天然風積沙中細粒級顆粒所占比重較大，粗粒級含量較少，為典型細砂，屬不良級配[16-17]。

實驗材料配比根據生產中常用配比及配置后料漿的性能確定，其中漿液中水固比為1︰1，水泥與粉煤灰質量比為2︰8。為了研究不同漿砂比條件下料漿堆積角度變化規律，以風積沙的質量摻入比為變量，砂子的參量由0逐漸遞增至57%(表2)。

1.3 實驗結果

根據材料配比和前述實驗方法，進行自流堆積模型實驗。實驗結果見表2，自流堆積角度與含砂率之間的關系曲線如圖3所示。

表2 料漿堆積角度數據

圖3 料漿自流堆積角度與含砂率關系

由表2和圖3可知，隨著含砂率的增大，料漿堆積角度呈現出指數性增大的規律。根據變化曲線分解為3個區段：第一區段含砂率小于等于35%，在該區段內料漿自流堆積角度由0.43°增加至1.1°，遞增趨勢緩慢；第二區段含砂率為35%~53%，該區段內料漿自流堆積角度由1.1°增加至3.9°，遞增趨勢加快；第三區段含砂率為53%~57%，該區段內料漿自流堆積角度由3.9°增加至11.60°，遞增趨勢急劇加快。堆積角度增加過程中存在顯著的“拐彎區間”含砂率，即料漿含砂率一旦超出該范圍后，堆積角度急劇增大。本次實驗“拐彎區間”含砂率為35%~53%，該值可以作為生產中均勻投砂比例的一個控制參數[10]。

2 流變參數測試實驗

流變參數測試實驗采用RST-CC槳式流變儀，并配備規格為V40-20的槳式轉子，槳葉直徑為20 mm，高度為40 mm，測試過程中剪切速率由0線性遞增至60 s–1，測試時長60 s。測試結果如圖4和圖5所示。

圖4 剪切應力與剪切速率關系

圖5 黏度與剪切速率關系

表3 料漿屈服應力及黏度參數

3 自流堆積角度計算

3.1 料漿自流角度公式檢驗

Sofra & Boger在2001年，從流變學、幾何學、流速等角度出發，考慮材料屈服應力、黏度、密度、斜面寬度、流速等多方面的因素，結合模型實驗提出了尾礦自流堆積角度計算公式[12-15]：

式中：為自流角度，(?)；0為屈服應力，Pa；為黏度，Pa?s；為密度，kg/m3；為流槽寬度，m；為重力加速度，m/s2；為流速，m/s。

將自流堆積模型實驗和流變特性實驗所測數據代入式(1)中檢驗其適用性，檢驗結果見表4，如圖6所示。

由表4及圖6可知，隨著充填料漿含砂率的增大，堆積角度實測值與Sofra & Boger理論計算值相差越來越大，說明該公式適應性存在一定的范圍。在引用之前需要根據實際應用對象特性進行回歸分析，建立適合該對象的回歸分析公式[19-20]。

表4 Sofra & Boger公式檢驗數據

圖6 回歸分析前理論值與實測值對比

3.2 料漿自流角度公式回歸分析

由式(1)可知，影響自流堆積角度的主要因素有料漿屈服應力、黏度以及自流堆積速度，且從實驗數據表2和表3可知，上述參數隨著含砂率增大呈明顯的變化趨勢，對堆積角度產生較大影響。因此，必須對上述參數進行回歸分析，才能減小堆積角度理論計算值與實測值誤差。采用數據統計分析軟件并結合料漿參數特性對實驗數據進行回歸分析，回歸模型結果如式(2)：

與Sofra & Boger公式相比，該公式對其中3個參數及系數進行了調整，并對回歸分析公式的準確性進行了校驗，結果見表5，圖7為回歸分析后的自流堆積公式理論計算值與實測值對比。

由表5和圖7可知，回歸分析后的自流堆積角度公式，理論計算值與實測值相差0~27.04%，平均誤差僅為11.43%，具有較高的精確性。因此，以Sofra & Boger公式為基礎，經回歸分析后的自流堆積角度公式，對分析和計算漿液–風積沙雙相介質材料的堆積角度具有一定的指導意義。

表5 回歸分析后的自流堆積角度公式檢驗

圖7 回歸分析后理論值與實測值對比

4 結論

a. 通過自流堆積模型實驗，發現料漿堆積角度隨著含砂率的增大呈現指數性增大的變化趨勢，且堆積角度在增加過程中存在明顯的“拐彎區間”含砂率35%~53%，該值可作為生產中均勻投砂比例的一個控制參數。

b. 通過流變參數測試實驗，得到了不同含砂率條件下的漿液–風積沙雙相介質材料的流變參數屈服應力0和黏度。

c. 通過對Sofra & Boger公式的回歸分析，建立了適合漿液–風積沙雙相介質材料的自流堆積角度計算式。經誤差分析顯示，該式誤差率僅為11.43%，可作為料漿堆積角度預測的依據。

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

[1] 冀前輝. 廢棄煤礦廢棄物地下灌注技術可行性探討[J]. 煤田地質與勘探，2014，42(4)：69–76. JI Qianhui. Feasibility of waste backfilling in abandoned coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(4)：69–76.

[2] 劉浪，辛杰，張波，等. 礦山功能性充填基礎理論與應用探索[J]. 煤炭學報，2018，43(7)：1811–1820. LIU Lang，XIN Jie，ZHANG Bo，et al. Basic theories and applied exploration of functional backfill in mines[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(7)：1811–1820.

[3] 童立元，劉松玉，邱鈺，等. 高速公路下伏采空區問題國內外研究現狀及進展[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(7)：1198–1202. TONG Liyuan，LIU Songyu，QIU Yu，et al. Current research state of problems associated with mined-out regions under expressway and future development[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(7)：1198 –1202.

[4] 劉鵬亮，張華興，崔鋒，等. 風積砂似膏體機械化充填保水采煤技術與實踐[J]. 煤炭學報，2017，42(1)：118–126. LIU Pengliang，ZHANG Huaxing，CUI Feng，et al. Technology and practice of mechanized backfill mining for water protection with aeolian sand paste-like[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(1)：118–126.

[5] 張鵬飛，趙同彬，傅知勇，等. 矸石充填采空區頂板沉降規律及矸石承載特性分析[J]. 煤炭科學技術，2018，46(11)：50–56. ZHANG Pengfei，ZHAO Tongbin，FU Zhiyong，et al. Analysis on roof subsidence law and gangue load bearing characteristics in gangue filling goaf[J]. Coal Science and Technology，2018，46(11)：50–56.

[6] 劉輝，何春桂，董增林，等. 高水材料充填技術在減小地表沉降中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2010，38(6)：54–57. LIU Hui，HE Chungui，DONG Zenglin，et al. Surface subsidence based on filling technology with materials of high water content[J]. Coal Geology & Exploration，2010，38(6)：54–57.

[7] 邱華富，劉浪，孫偉博，等. 采空區充填體強度分布規律試驗研究[J]. 中南大學學報(自然科學版)，2018，49(10)：2584–2592.QIU Huafu，LIU Lang，SUN Weibo，et al. Experimental study on strength distribution of backfill in goaf[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2018，49(10)：2584–2592.

[8] 王新民. 基于深井開采的充填材料與管輸系統的研究[D]. 長沙：中南大學，2006. WANG Xinming. A study of filling materials and pipeline transportation systems in deep mines[D]. Changsha：Central South University，2006.

[9] 趙才智. 煤礦新型膏體充填材料性能及其應用研究[D]. 徐州：中國礦業大學，2008. ZHAO Caizhi. Study on coal mine new paste filling material properties and its application[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2008.

[10] 白仲榮. 采空區內漿料堆積規律試驗研究[D]. 北京：煤炭科學研究總院，2016. BAI Zhongrong. Experimental study on the law of slurry packing in goaf[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2016.

[11] 陳安惠，陳壽根，張恒. 高速公路下伏采空區風積沙充填技術試驗研究[J]. 巖土工程與地下工程，2013，33(1)：57–59. CHEN Anhui，CHEN Shougen，ZHANG Heng，et al. Experimental study on filling technology of aeolian sand in mined-out area under expressway[J]. Geotechnical Engineering and Underground Engineering，2013，33(1)：57–59.

[12] SOFRA F，BOGER D V. Slope prediction for thickened tailings and paste[C]//8thinternational conference tailings and mine waste. Colorado：Colorado National University，2000：20–31.

[13] FITTON T. Tailings beach slope prediction[D]. RMIT University，2007.

[14] KWAK M. Flow behavior of tailing paste for surface disposal[J]. Mineral Processing，2005：201–227.

[15] JEWELL R J，FOURIE A B. Paste and thickened tailings：A Guide[M]. Perth：Australian Centre for Geomechanics，2002.

[16] 王曉東. 風積砂質高濃度膠凝充填材料性能與粉煤灰摻量關系分析[J]. 工程地質學報，2016，24(1)：78–86. WANG Xiaodong. Relationship between engineeringer formance and mix proportion of fly ash for cemented and high concentration backfill material with wind-blown sand as aggregate[J]. Journal of Engineering Geology，2016，24(1)：78–86.

[17] 王曉東. 風積沙質膠結充填材料性能對水固比響應分析[J]. 煤田地質與勘探，2016，44(6)：106–112. WANG Xiaodong. Influence of the performance of aeolian erinaceous cemented filling materials on response of water-solid ratio[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：106–112.

[18] 朱世彬，王曉東，許剛剛，等. 煤礦采空區充填高濃度膠結材料流變特性試驗研究[J]. 煤炭科學技術，2017，45(11)：69–73. ZHU Shibin，WANG Xiaodong，XU Ganggang，et al. Experimental study on rheological properties of high concentration cementing materials in coal mine goaf filling[J]. Coal Science and Technology，2017，45(11)：69–73.

[19] ADDIS P C，CUNNINGHAM E J. Comparison of beaching slopes from two centrally discharging tailings storage facilities[C]//C. Loan. I.M. Artbuthout. Proceedings of the 13thinternational seminar on paste and thickened tailings. Canada，2010：255–264.

[20] 習泳，楊盛凱，尹升華. 膏體自流坡度經驗公式的檢驗與回歸[J]. 中國礦山工程，2013，42(1)：19–22. XI Yong，YANG Shengkai，YIN Shenghua. Verification and regression of empirical formula of paste gravity slope[J]. China Mine Engineering，2013，42(1)：19–22.

Stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material

BAI Zhongrong

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Stacking angle is an important parameter to describe the spatial accumulation pattern of filling material in the goaf. It has important guiding significance for determining the drilling distance, optimizing the slurry configuration and adjusting the grouting process parameters. In order to grasp the variation law of stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material, using self-flow stacking model experiment of tailings and rheological properties experiment, the mixing ratio of aeolian sand was taken as a variable to determine the slurry accumulation parameters and rheological parameters on different conditions of sand ratio. Based on this, Sofra & Boger formula was modified and the accumulation angle calculation formula suitable for slurry-aeolian sand dual-phase media filling material was established, which provided a new way for the quantitative evaluation of filling material stacking angle.

goaf; stacking angle; aeolian sand; model experiment; rheological properties

TD265.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.004

1001-1986(2020)03-0024-05

2019-01-16；

2019-04-29

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2015XAYZD16)

Science and Technology InnovationFund Project of Xi’an Research Institute of CCTEG(2015XAYZD16)

白仲榮，1989年生，男，甘肅平川人，碩士，工程師，從事礦山地質災害防治技術研究和服務工作. E-mail：baizhongrong@cctegxian.com

白仲榮. 漿液–風積沙雙相介質充填材料堆積角度實驗研究[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：24–28.

BAI Zhongrong. Stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：24–28.

(責任編輯 周建軍)