某凍土區礦山冰凍尾砂充填研究

門建兵

(中國瑞林工程技術股份有限公司,江西 南昌 330031)

隨著全球經濟的迅速發展,人們對礦產資源的需求不斷增加。凍土區作為礦產資源分布的重要區域之一,其開發逐漸受到重視。然而,凍土區礦山的地質條件與其他地區礦山存在明顯差異,其主要特點為氣候寒冷,地下土壤常年處于凍結狀態,導致常規的開采技術工藝在該環境的應用受到限制,因此針對凍土區礦山進行研究具有重要的實際意義。

目前,研究學者主要從凍土區礦山的巖石力學、開采工藝和開采現狀及展望等方面對凍土區進行了大量研究[1-6],其中凍土區礦山中的充填工藝引起了大量的關注。宋永曄等[7]針對在冰凍礦山中回采極富礦柱問題,提出了采用塊石膠結充填取代干式充填用于充填礦柱采空區,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,確定了結冰的水量和初始溫度、井下空氣溫度和風速、巖體溫度、破碎廢石的溫度以及體積占比等最優具體參數,并表明在此條件下可大大縮短充填體的凍結時間。M.L.杰里邁克等[9]通過利用凍結法研究了不同濕度對兩種尾砂物料的凍結充填體的抗壓強度、破裂特征以及應力-應變的影響,并從成本上分析了凍結法固結充填料的優越性。Yang等[10]研究了尾砂平均粒徑、干密度、含水量和應變速率對凍結充填體的單軸抗壓強度的影響,研究發現凍結充填體的單軸抗壓強度與平均粒徑呈對數關系,與干密度呈指數關系,與含水率呈線性關系,與應變率呈拋物線關系。

某礦山位于北極永久凍土區,礦床主要包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3個礦段,礦體呈頁狀、層狀,產狀平緩。礦區內植被稀少,夏天短且涼快,冬天長而寒冷,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間都是結冰的。根據開采設計,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。在該凍土區礦山若以常規的充填工藝采用水泥為膠凝材料對采空區進行充填,會存在以下幾點影響:① 水泥的水化反應會釋放一定的熱量,從而可能出現局部的凍融效應,增加凍土的變形和收縮,嚴重時會破壞凍土的結構,也意味著將對凍土區礦山的穩定性造成一定威脅;② 水泥成本以及運輸成本過高。根據上述分析,該凍土區礦山擬采用冰凍尾砂充填,僅以尾砂和水為原料,依靠礦區的低溫度環境對其進行固結,從而使其達到一定強度以維持采空區穩定。

為此本文以該凍土區礦山冰凍尾砂充填技術為研究對象,通過結合礦山實際條件,開展凍結充填體單軸抗壓測試,以及通過熱傳遞數值模擬分析,從冰凍尾砂充填體的抗壓強度和凍結時間兩個方面驗證該充填技術的合理性,為該礦山冰凍尾砂充填技術的應用提供有益的參考。

1 凍結充填體單軸抗壓測試

1.1 試驗方案

試驗的主要原材料為礦區選廠尾砂和水,試驗設定充填料漿的濃度為55%。試驗大致流程如圖1所示,首先按照設定的料漿濃度計算并稱取一定的尾砂和水,將二者混合并攪拌均勻;其次將料漿裝入內徑為5 cm,高度為10 cm的圓柱形模具中,并對其進行編號;隨后將裝好料漿的模具放置于設定的凍結溫度(-2、-5、-10、-12 ℃)下進行凍結養護,待凍結充填體固結后,對其進行脫膜處理,最后通過萬能試驗機對試樣進行單軸壓縮試驗。

圖1 試驗流程示意Fig.1 Test flow diagram

1.2 抗壓強度分析

為探究溫度對凍結充填體單軸抗壓強度的影響,根據上述試驗測得不同凍結溫度下凍結充填體試樣的具體物理參數如表1所示,并對各溫度下凍結充填體試樣抗壓強度的平均值進行擬合分析,如圖2所示。從圖中可以明顯發現隨著凍結溫度的持續降低,凍結充填體的抗壓強度逐漸增大,并且根據擬合結果可知凍結充填體的抗壓強度與凍結溫度呈線性關系,可通過式(1)表示,擬合曲線的相關系數達到0.997。出現該現象的主要原因為:隨著溫度的降低,水分逐漸凍結成冰晶,這些冰晶之間的連接越來越緊密,形成了一種網絡狀結構,能夠支撐更大的壓力。此外,當溫度降低到一定水平時,冰晶生長速度會減緩,而這使得冰晶之間的接觸面積增加,冰晶的結構和冰晶之間的連接隨著溫度的降低而變得更加堅固和緊密,這就使得整個凍結充填體的抗壓強度逐漸增加。

表1 凍結充填體的物理參數Table 1 Physical parameters of the frozen filler

圖2 不同溫度下凍結充填體的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of frozen fillers at different temperatures

式中,y為凍結充填體單軸抗壓強度,MPa;x為凍結溫度,-12≤x≤0,℃。

1.3 充填體的強度預測

為了驗證該配比下凍結充填體強度是否能夠滿足凍土區礦山現場安全要求,基于凍土區礦山不同礦段的實際溫度對凍結充填體進行理論抗壓強度驗證分析。

根據該凍土區礦山的開采條件以及采礦方法,礦床主要有Ⅱ、Ⅲ礦段需進行充填。其中Ⅱ礦段的最低點為211 m,其常年地表溫度為-13.6 ℃,地熱梯度為88.2 m/3 ℃;Ⅲ礦段主要開采深度范圍為275～592 m,其地表溫度為-15 ℃,地熱梯度為100 m/2.5 ℃。根據以上數據,通過利用不同礦段地熱梯度以及上述中溫度與抗壓強度的擬合公式(1),計算得到2個礦段充填環境的溫度范圍以及凍結充填體的抗壓強度范圍如表2所示。由表2中的結果可知,預計Ⅱ、Ⅲ礦段凍結充填體固結后的抗壓強度范圍分別為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度方面能夠符合該凍土區礦山要求。

表2 基于溫度凍結充填體的強度預測Table 2 Strength prediction of frozen fillers based on temperature conditions

2 基于熱傳遞的凍結時間分析

2.1 分析方法

冰凍尾砂充填的固結機理主要是通過周圍環境的低溫度效應對充填料漿進行凍結,這實際上是一個溫度傳遞的過程。因此,為了確定不同體積的充填區中冰凍尾砂漿液的凍結時間,進而對尾砂料漿進行了熱傳導分析。

為了將問題的三維性質簡化為二維分析,選擇傅里葉熱傳導方程的一般形式:

式中,dQ/dt為單位時間內傳遞的熱量;k為尾礦漿的傳導率;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。

假設凍結開始時,料漿在充填區邊緣的溫度為0℃,此時y=0 m。因此,將式(2)簡化為

凍結層傳遞的熱量為

式中,y為凍結層的厚度;dm為漿料的質量差。

隨著漿料的凍結,凍結漿料的厚度將隨著時間的推移而增加。此時,凍結層的質量為

式中,ρ為料漿的密度;A為橫截面積(平面圖);dy為變化的凍結厚度。

將式(5)代入式(4),并除以dt,則可得到:

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

圖3為建立模型的大致流程圖,具體可分為以下幾個步驟:① 根據充填區尺寸繪制模型區域,本次充填區模型尺寸設定與計劃的實際相同,主要評估3種尺寸,其長、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 根據尾砂漿液的材料屬性,輸入相關參數,其具體參數如表3所示;③ 對已繪制的充填區域繪制尾砂漿液;④ 輸入并繪制邊界條件,模型假設尾砂漿液輸送到充填區的初始溫度為2 ℃,充填區環境溫度為-2 ℃;⑤ 進行穩態分析,確定整個計算網格的初始溫度;⑥ 進行為期5 a的瞬態分析。根據上述的操作步驟,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 凍結時間分析

為了確保充填體達到凍結狀態,要求尾砂漿液的表面溫度需要達到-2 ℃,且巖芯至少凍結。根據上述條件,分別通過對3個尺寸模型的為期5 a瞬態分析中尋找充填料漿溫度達到上述條件的瞬態模型時間,以此得出尾砂充填的凍結時間。圖7～圖9則分別顯示了3種不同充填區尺寸輸出的瞬態模型,從這3種尺寸輸出的瞬態模型中可以得知:在同等條件下,隨著充填區體積的增大,充填料漿的凍結時間逐漸延長。對于150 m×10 m×7 m的充填區,尾砂料漿預計在75 d內完全凍結;對于150 m×10 m×14 m的充填區,預計充填料漿將在200 d內完全凍結;對于150 m×10 m×28 m的充填區,預計充填料漿將在355 d內完全凍結。

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

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

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

在實際采礦計劃中充填區的規模大小不等,從而導致充填體的凍結時間也存在較大的差異。當充填區體積較大時,尾砂漿液的凍結時間較長且無法一次性完全充填,因此為了利用冰凍尾砂充填技術,則需要設置充填隔離墻,以減少一次充填體積,以便在采礦設計周期內進行凍結處理。因此,總結該礦山充填體的凍結時間與充填區體積相關的經驗公式能在一定程度上優化采礦計劃的布置。結合上述3種不同尺寸充填區及其對應的凍結時間,可以發現充填區的體積與尾砂漿液的凍結時間呈線性相關,其擬合公式為y=0.008 6x,相關系數為0.99,即尾砂料漿的凍結天數等于充填區體積的0.008 6倍,如圖10所示。

圖10 充填區的體積與凍結時間關系Fig.10 Relationship between volume of filling area and freezing time

3 結 論

(1)隨著凍結溫度的降低,凍結充填體的抗壓強度逐漸增大,凍結溫度與凍結充填體的抗壓強度呈線性關系。

(2)基于溫度與凍結充填體抗壓強度的擬合公式,對不同礦段中的凍結充填體強度進行了預測,預測結果表明冰凍尾砂充填技術在抗壓強度方面能夠符合該凍土區礦山要求。

(3)針對冰凍尾砂漿液固結時間分析,提出尾砂料漿的凍結時間和充填區空間大小相關,并基于模擬結果總結了該凍土區礦山充填區體積與充填料漿凍結時間二者之間關系的經驗公式。