某凍土區(qū)礦山冰凍尾砂充填研究

門建兵

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西 南昌 330031)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求不斷增加。凍土區(qū)作為礦產(chǎn)資源分布的重要區(qū)域之一,其開發(fā)逐漸受到重視。然而,凍土區(qū)礦山的地質(zhì)條件與其他地區(qū)礦山存在明顯差異,其主要特點(diǎn)為氣候寒冷,地下土壤常年處于凍結(jié)狀態(tài),導(dǎo)致常規(guī)的開采技術(shù)工藝在該環(huán)境的應(yīng)用受到限制,因此針對(duì)凍土區(qū)礦山進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。

目前,研究學(xué)者主要從凍土區(qū)礦山的巖石力學(xué)、開采工藝和開采現(xiàn)狀及展望等方面對(duì)凍土區(qū)進(jìn)行了大量研究[1-6],其中凍土區(qū)礦山中的充填工藝引起了大量的關(guān)注。宋永曄等[7]針對(duì)在冰凍礦山中回采極富礦柱問題,提出了采用塊石膠結(jié)充填取代干式充填用于充填礦柱采空區(qū),可不留永久支承礦柱或底柱,并得出礦石回收率大大提高。周正濂等[8]基于水-巖石體系的能量守恒定律,確定了結(jié)冰的水量和初始溫度、井下空氣溫度和風(fēng)速、巖體溫度、破碎廢石的溫度以及體積占比等最優(yōu)具體參數(shù),并表明在此條件下可大大縮短充填體的凍結(jié)時(shí)間。M.L.杰里邁克等[9]通過利用凍結(jié)法研究了不同濕度對(duì)兩種尾砂物料的凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度、破裂特征以及應(yīng)力-應(yīng)變的影響,并從成本上分析了凍結(jié)法固結(jié)充填料的優(yōu)越性。Yang等[10]研究了尾砂平均粒徑、干密度、含水量和應(yīng)變速率對(duì)凍結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度的影響,研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度與平均粒徑呈對(duì)數(shù)關(guān)系,與干密度呈指數(shù)關(guān)系,與含水率呈線性關(guān)系,與應(yīng)變率呈拋物線關(guān)系。

某礦山位于北極永久凍土區(qū),礦床主要包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3個(gè)礦段,礦體呈頁(yè)狀、層狀,產(chǎn)狀平緩。礦區(qū)內(nèi)植被稀少,夏天短且涼快,冬天長(zhǎng)而寒冷,幾乎所有的降水為雪,年積雪量約30 cm,地表水體一年中大部分時(shí)間都是結(jié)冰的。根據(jù)開采設(shè)計(jì),Ⅰ礦段采用露天開采方式,Ⅱ和Ⅲ礦段采用充填采礦法開采。在該凍土區(qū)礦山若以常規(guī)的充填工藝采用水泥為膠凝材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,會(huì)存在以下幾點(diǎn)影響:① 水泥的水化反應(yīng)會(huì)釋放一定的熱量,從而可能出現(xiàn)局部的凍融效應(yīng),增加凍土的變形和收縮,嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞凍土的結(jié)構(gòu),也意味著將對(duì)凍土區(qū)礦山的穩(wěn)定性造成一定威脅;② 水泥成本以及運(yùn)輸成本過高。根據(jù)上述分析,該凍土區(qū)礦山擬采用冰凍尾砂充填,僅以尾砂和水為原料,依靠礦區(qū)的低溫度環(huán)境對(duì)其進(jìn)行固結(jié),從而使其達(dá)到一定強(qiáng)度以維持采空區(qū)穩(wěn)定。

為此本文以該凍土區(qū)礦山冰凍尾砂充填技術(shù)為研究對(duì)象,通過結(jié)合礦山實(shí)際條件,開展凍結(jié)充填體單軸抗壓測(cè)試,以及通過熱傳遞數(shù)值模擬分析,從冰凍尾砂充填體的抗壓強(qiáng)度和凍結(jié)時(shí)間兩個(gè)方面驗(yàn)證該充填技術(shù)的合理性,為該礦山冰凍尾砂充填技術(shù)的應(yīng)用提供有益的參考。

1 凍結(jié)充填體單軸抗壓測(cè)試

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的主要原材料為礦區(qū)選廠尾砂和水,試驗(yàn)設(shè)定充填料漿的濃度為55%。試驗(yàn)大致流程如圖1所示,首先按照設(shè)定的料漿濃度計(jì)算并稱取一定的尾砂和水,將二者混合并攪拌均勻;其次將料漿裝入內(nèi)徑為5 cm,高度為10 cm的圓柱形模具中,并對(duì)其進(jìn)行編號(hào);隨后將裝好料漿的模具放置于設(shè)定的凍結(jié)溫度(-2、-5、-10、-12 ℃)下進(jìn)行凍結(jié)養(yǎng)護(hù),待凍結(jié)充填體固結(jié)后,對(duì)其進(jìn)行脫膜處理,最后通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)流程示意Fig.1 Test flow diagram

1.2 抗壓強(qiáng)度分析

為探究溫度對(duì)凍結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響,根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)得不同凍結(jié)溫度下凍結(jié)充填體試樣的具體物理參數(shù)如表1所示,并對(duì)各溫度下凍結(jié)充填體試樣抗壓強(qiáng)度的平均值進(jìn)行擬合分析,如圖2所示。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)溫度的持續(xù)降低,凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,并且根據(jù)擬合結(jié)果可知凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度與凍結(jié)溫度呈線性關(guān)系,可通過式(1)表示,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因?yàn)?隨著溫度的降低,水分逐漸凍結(jié)成冰晶,這些冰晶之間的連接越來越緊密,形成了一種網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),能夠支撐更大的壓力。此外,當(dāng)溫度降低到一定水平時(shí),冰晶生長(zhǎng)速度會(huì)減緩,而這使得冰晶之間的接觸面積增加,冰晶的結(jié)構(gòu)和冰晶之間的連接隨著溫度的降低而變得更加堅(jiān)固和緊密,這就使得整個(gè)凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度逐漸增加。

表1 凍結(jié)充填體的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the frozen filler

圖2 不同溫度下凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of frozen fillers at different temperatures

式中,y為凍結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;x為凍結(jié)溫度,-12≤x≤0,℃。

1.3 充填體的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證該配比下凍結(jié)充填體強(qiáng)度是否能夠滿足凍土區(qū)礦山現(xiàn)場(chǎng)安全要求,基于凍土區(qū)礦山不同礦段的實(shí)際溫度對(duì)凍結(jié)充填體進(jìn)行理論抗壓強(qiáng)度驗(yàn)證分析。

根據(jù)該凍土區(qū)礦山的開采條件以及采礦方法,礦床主要有Ⅱ、Ⅲ礦段需進(jìn)行充填。其中Ⅱ礦段的最低點(diǎn)為211 m,其常年地表溫度為-13.6 ℃,地?zé)崽荻葹?8.2 m/3 ℃;Ⅲ礦段主要開采深度范圍為275～592 m,其地表溫度為-15 ℃,地?zé)崽荻葹?00 m/2.5 ℃。根據(jù)以上數(shù)據(jù),通過利用不同礦段地?zé)崽荻纫约吧鲜鲋袦囟扰c抗壓強(qiáng)度的擬合公式(1),計(jì)算得到2個(gè)礦段充填環(huán)境的溫度范圍以及凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度范圍如表2所示。由表2中的結(jié)果可知,預(yù)計(jì)Ⅱ、Ⅲ礦段凍結(jié)充填體固結(jié)后的抗壓強(qiáng)度范圍分別為2.5 MPa至4.4 MPa、1.0 MPa至3.0 MPa,由此看來該配比下的冰凍尾砂充填體在抗壓強(qiáng)度方面能夠符合該凍土區(qū)礦山要求。

表2 基于溫度凍結(jié)充填體的強(qiáng)度預(yù)測(cè)Table 2 Strength prediction of frozen fillers based on temperature conditions

2 基于熱傳遞的凍結(jié)時(shí)間分析

2.1 分析方法

冰凍尾砂充填的固結(jié)機(jī)理主要是通過周圍環(huán)境的低溫度效應(yīng)對(duì)充填料漿進(jìn)行凍結(jié),這實(shí)際上是一個(gè)溫度傳遞的過程。因此,為了確定不同體積的充填區(qū)中冰凍尾砂漿液的凍結(jié)時(shí)間,進(jìn)而對(duì)尾砂料漿進(jìn)行了熱傳導(dǎo)分析。

為了將問題的三維性質(zhì)簡(jiǎn)化為二維分析,選擇傅里葉熱傳導(dǎo)方程的一般形式:

式中,dQ/dt為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量;k為尾礦漿的傳導(dǎo)率;A為橫截面的表面積(平面圖);dT/dy是垂直方向上橫跨礦漿的溫差。

假設(shè)凍結(jié)開始時(shí),料漿在充填區(qū)邊緣的溫度為0℃,此時(shí)y=0 m。因此,將式(2)簡(jiǎn)化為

凍結(jié)層傳遞的熱量為

式中,y為凍結(jié)層的厚度;dm為漿料的質(zhì)量差。

隨著漿料的凍結(jié),凍結(jié)漿料的厚度將隨著時(shí)間的推移而增加。此時(shí),凍結(jié)層的質(zhì)量為

式中,ρ為料漿的密度;A為橫截面積(平面圖);dy為變化的凍結(jié)厚度。

將式(5)代入式(4),并除以dt,則可得到:

將式(3)與式(6)結(jié)合,從而可消除橫截面積。此時(shí)則可以通過使用二維有限元軟件GeoStudio中的TEMP/W模塊對(duì)其進(jìn)行熱傳遞分析,以充填料漿溫度的改變來確定充填料漿的凍結(jié)時(shí)間。

圖3為建立模型的大致流程圖,具體可分為以下幾個(gè)步驟:① 根據(jù)充填區(qū)尺寸繪制模型區(qū)域,本次充填區(qū)模型尺寸設(shè)定與計(jì)劃的實(shí)際相同,主要評(píng)估3種尺寸,其長(zhǎng)、寬、高分別為150 m×10 m×7 m、150 m×10 m×14 m和150 m×10 m×28 m;② 根據(jù)尾砂漿液的材料屬性,輸入相關(guān)參數(shù),其具體參數(shù)如表3所示;③ 對(duì)已繪制的充填區(qū)域繪制尾砂漿液;④ 輸入并繪制邊界條件,模型假設(shè)尾砂漿液輸送到充填區(qū)的初始溫度為2 ℃,充填區(qū)環(huán)境溫度為-2 ℃;⑤ 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,確定整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的初始溫度;⑥ 進(jìn)行為期5 a的瞬態(tài)分析。根據(jù)上述的操作步驟,3種尺寸模型配置分別如圖4～圖6所示。

表3 尾砂漿液的材料特性Table 3 Material properties of tailing mortar liquid

圖3 建模流程Fig.3 Modeling process

圖4 7 m×150 m模型Fig.4 Model with the size of 7 m×150 m

圖5 14 m×150 m模型Fig.5 Model with the size of 14 m×150 m

圖6 28 m×150 m模型Fig.6 Model with the size of 28 m×150 m

2.2 凍結(jié)時(shí)間分析

為了確保充填體達(dá)到凍結(jié)狀態(tài),要求尾砂漿液的表面溫度需要達(dá)到-2 ℃,且?guī)r芯至少凍結(jié)。根據(jù)上述條件,分別通過對(duì)3個(gè)尺寸模型的為期5 a瞬態(tài)分析中尋找充填料漿溫度達(dá)到上述條件的瞬態(tài)模型時(shí)間,以此得出尾砂充填的凍結(jié)時(shí)間。圖7～圖9則分別顯示了3種不同充填區(qū)尺寸輸出的瞬態(tài)模型,從這3種尺寸輸出的瞬態(tài)模型中可以得知:在同等條件下,隨著充填區(qū)體積的增大,充填料漿的凍結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。對(duì)于150 m×10 m×7 m的充填區(qū),尾砂料漿預(yù)計(jì)在75 d內(nèi)完全凍結(jié);對(duì)于150 m×10 m×14 m的充填區(qū),預(yù)計(jì)充填料漿將在200 d內(nèi)完全凍結(jié);對(duì)于150 m×10 m×28 m的充填區(qū),預(yù)計(jì)充填料漿將在355 d內(nèi)完全凍結(jié)。

圖7 7 m×150 m充填區(qū)75 d瞬態(tài)模型Fig.7 75 day transient model of a 7 m × 150 m filling area

圖8 14 m×150 m充填區(qū)200 d瞬態(tài)模型Fig.8 200 day transient model of a 14 m×150 m filling area

圖9 28 m×150 m充填區(qū)355 d瞬態(tài)模型Fig.9 355 day transient model of a 28 m×150 m filling area

在實(shí)際采礦計(jì)劃中充填區(qū)的規(guī)模大小不等,從而導(dǎo)致充填體的凍結(jié)時(shí)間也存在較大的差異。當(dāng)充填區(qū)體積較大時(shí),尾砂漿液的凍結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)且無法一次性完全充填,因此為了利用冰凍尾砂充填技術(shù),則需要設(shè)置充填隔離墻,以減少一次充填體積,以便在采礦設(shè)計(jì)周期內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)處理。因此,總結(jié)該礦山充填體的凍結(jié)時(shí)間與充填區(qū)體積相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式能在一定程度上優(yōu)化采礦計(jì)劃的布置。結(jié)合上述3種不同尺寸充填區(qū)及其對(duì)應(yīng)的凍結(jié)時(shí)間,可以發(fā)現(xiàn)充填區(qū)的體積與尾砂漿液的凍結(jié)時(shí)間呈線性相關(guān),其擬合公式為y=0.008 6x,相關(guān)系數(shù)為0.99,即尾砂料漿的凍結(jié)天數(shù)等于充填區(qū)體積的0.008 6倍,如圖10所示。

圖10 充填區(qū)的體積與凍結(jié)時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between volume of filling area and freezing time

3 結(jié) 論

(1)隨著凍結(jié)溫度的降低,凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,凍結(jié)溫度與凍結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系。

(2)基于溫度與凍結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的擬合公式,對(duì)不同礦段中的凍結(jié)充填體強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果表明冰凍尾砂充填技術(shù)在抗壓強(qiáng)度方面能夠符合該凍土區(qū)礦山要求。

(3)針對(duì)冰凍尾砂漿液固結(jié)時(shí)間分析,提出尾砂料漿的凍結(jié)時(shí)間和充填區(qū)空間大小相關(guān),并基于模擬結(jié)果總結(jié)了該凍土區(qū)礦山充填區(qū)體積與充填料漿凍結(jié)時(shí)間二者之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。