高濃度粗骨料充填料漿抗離析特性建模與分析

高濃度粗骨料充填料漿抗離析特性建模與分析

填充開采技術(shù)具有安全、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)點，越來越多的國家將該技術(shù)應用于采礦和開采。1實驗1.1原漿體質(zhì)量泌水率式中：M為漿體泌水率，%；W為泌出清水質(zhì)量，g;m為原漿體質(zhì)量，g;C流變特性實驗選用美國Brookfield公司生產(chǎn)的R/S型軟固體流變測試儀，并配備V40-20型槳式轉(zhuǎn)子測定充填料漿的屈服應力。1.2肅某鎳礦實驗用水實驗所用的粗骨料由廢石和棒磨砂按不同質(zhì)量比混合均勻而成，兩者均來自甘肅某鎳礦，前者為井下掘進廢石經(jīng)顎式破碎機破碎后的廢石，后者為戈壁集料經(jīng)棒磨機加工后的棒磨砂，骨料形狀及級配曲線如圖1所示。膠結(jié)料為42.5硅酸鹽水泥，實驗用水為室內(nèi)自來水。實驗原材料的力學性能參數(shù)如表1所示。1.3影響砂灰比及結(jié)果分析綜合各方面因素，確定采用廢棒比(廢石與棒磨砂的質(zhì)量比)、砂灰比(骨料與水泥的質(zhì)量比)和料漿質(zhì)量分數(shù)作為實驗影響因素，測定不同漿體的泌水率與屈服應力，實驗方案如表2所示。2粗骨材料的力學分析2.1粗骨料初始離析力學模型粗骨料充填料漿沉降離析可理解為由于固體顆粒受力不平衡發(fā)生固液分層與離析的現(xiàn)象，其實質(zhì)在于漿體中未形成穩(wěn)定的空間絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)由圖2可見：當F黏滯阻力F式中：C對式(4)進行積分可得到1/4的粗骨料的黏滯阻力，進而獲得充填料漿中的粗骨料所受黏滯阻力為粗骨料所受重力G與浮力F式中：ρ聯(lián)立式(2),(5)與(6)，得到初始狀態(tài)下具備良好抗離析特性的粗骨料充填料漿的理論條件為2.2料漿初始狀態(tài)粗骨料充填料漿在管道輸送過程中，漿體處于運動狀態(tài)，內(nèi)部固體顆粒的受力情況更為復雜，不同于新拌充填料漿的初始狀態(tài)。與粗骨料初始受力分析相比，臨界離析條件下的粗骨料除受到自身重力G、浮力F由圖3可見：在臨界離析條件下，粗骨料所受到的合力為因此，在臨界條件下，粗骨料充填料漿具備良好抗離析特性的力學條件為聯(lián)立式(9),(5)與(6)，得到臨界狀態(tài)下具備良好抗離析特性的粗骨料充填料漿的理論條件為2.3粗骨料顆粒粒徑對抗離析特性的影響粗骨料初始與臨界離析力學模型表明，充填料漿的屈服應力越大，粗骨料與料漿的密度差越小以及粗骨料顆粒的粒徑越小，料漿越不容易發(fā)生離析。由于臨界條件下的粗骨料還受到兩側(cè)骨料的作用力，導致粗骨料更易發(fā)生離析，料漿不易具備基本的抗離析特性。文獻由理論分析可知，當J>1時，粗骨料不易發(fā)生沉降，粗骨料充填料漿具備良好的抗離析特性，反之粗骨料充填料漿不具備抗離析特性。3結(jié)果與分析3.1對料密度的影響文獻式中：G粗骨料由廢石和棒磨砂按比例混合而成，參照式(12)，得到粗骨料密度為由第2.1節(jié)的分析可知C由表3可知：隨著A1～A4組料漿質(zhì)量分數(shù)的增加，J增加，泌水率減小，提高料漿的抗離析特性；隨著B1～B4組砂灰比的增加或C1～C4組廢棒比的減小，J減小，泌水率增加，降低料漿的抗離析特性。3.2抗離析特性分析為進一步分析理論表征結(jié)果與實驗結(jié)果間的匹配關(guān)系，對抗離析特性決定系數(shù)與泌水率之間的關(guān)系擬合，回歸方程為復相關(guān)系數(shù)R圖4所示為抗離析特性決定系數(shù)與泌水率的擬合結(jié)果。由圖4可見：A3,B2與C2實驗組由于實驗方案相同，出現(xiàn)坐標點重合現(xiàn)象；隨著J增加，泌水率呈線性減小趨勢；料漿是否離析存在分界點，分界點位置J為1，對應泌水率為10%；當充填料漿抗離析特性差、抗離析特性良好、抗離析特性優(yōu)良時，J分別在0.4～1.0,1.0～1.8和1.8～2.5范圍內(nèi)波動，泌水率分別在12.70%～10.09%,10.09%～6.61%和6.61%～3.57%范圍內(nèi)波動。因此，提高J有利于減小料漿的泌水率，增強料漿抗離析特性，但大幅提高J不利于料漿在管道中的輸送，增加充填成本。基于上述分析，可最終得到適合甘肅省某鎳礦工程應用的粗骨料充填料漿具備抗離析特性的J范圍為1.0～1.8，對應泌水率范圍為10.09%～6.61%。值得一提的是，在實際應用中若無法獲取料漿特性相關(guān)參數(shù)的情況下，可直接用泌水率來確定料漿抗離析特性。4抗離析特性的數(shù)學模型4.1抗離析特性分析為進一步研究抗離析特性與實驗影響因素之間的關(guān)系，由式(11)可知，J取決于料漿屈服應力τ為了便于數(shù)據(jù)處理，將實驗方案中的廢棒比轉(zhuǎn)化為廢石在廢石與棒磨砂混合而成的粗骨料中的占比，對表3中的屈服應力τ式中：F考慮粗骨料與實驗影響因素的關(guān)系，對式(13)進行化簡，得到粗骨料密度為考慮充填料漿與實驗影響因素的關(guān)系，對式(12)進行化簡，得到料漿密度為：將式(15),(16)和(17)代入式(11)中，得到抗離析特性數(shù)學模型為將各實驗方案代入數(shù)學模型中，利用模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果計算模型誤差率，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見：各實驗組模型誤差率基本不超過5%，模型平均誤差率為2.05%，滿足精度要求；A4實驗組模型誤差率最小(0.10%),C4實驗組模型誤差率最大(6.17%)；隨著A1～A4組料漿質(zhì)量分數(shù)的增加，模型誤差率減?。浑S著B1～B4組砂灰比的增加或C1～C4組廢棒比的減小，模型誤差率增大。4.2充填體試塊抗離析特性分析為進一步驗證抗離析特性數(shù)學模型的準確性，從圖像細觀尺度觀察粗骨料在充填料漿中的離析情況，與模型計算結(jié)果進行對比分析。由于A3,B2與C2實驗組的材料配比相同，選取A3組為參照組，同時需要考慮廢棒比、砂灰比和料漿質(zhì)量分數(shù)對料漿離析的影響，故選取A1,B1與C1組為對比組。按照材料配比制備充填料漿，將配制好的料漿倒入長×寬×高為7.07cm×7.07cm×7.07cm的立方體試模中，靜置3d后拆模，用刀具從底部中線位置沿著立方體高的方向?qū)⒊涮铙w試樣平均切割成兩半，使用高清數(shù)碼相機觀察被切割截面粗骨料的分布情況。充填體試塊切割截面骨料分布如圖6所示，抗離析特性數(shù)學模型計算結(jié)果如表4所示。由圖6和表4可知：A3組模型J為1.59，骨料基本均勻分布在充填體試塊切割截面上，具有良好的抗離析特性；與A3組相比，A1組料漿質(zhì)量分數(shù)減小，模型J降為0.63，骨料集中于切割截面中下部，出現(xiàn)了明顯的離析分界線，料漿抗離析特性變差；與A3組相比，B1組砂灰比減小，模型J增至1.97，砂灰比的減小使得粗骨料減少，骨料均勻分布在切割截面中，優(yōu)化了料漿抗離析特性；與A3組相比，C1組廢棒比增大，模型J增至2.11，廢棒比的增大使得充填漿體中的廢石增多，骨料在切割截面上的分布更為均勻，優(yōu)化了料漿抗離析特性；隨著A1,A3,B1和C1這4組的模型J依次遞增，骨料分布由集中于切割截面中下部變?yōu)榛揪鶆蚍植歼M而轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植?，充填料漿抗離析特性由差變?yōu)榱己眠M而轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)良。5粗骨料充填料漿抗離析特性1)根據(jù)粗骨料在充填料漿中初始與臨界離析狀態(tài)下的力學模型，得到了高濃度粗骨料充填料漿抗離析特性決定系數(shù)2)對抗離析特性決定系數(shù)與泌水率進行擬合分析結(jié)果表明，隨著決定系數(shù)J增加，泌水率M呈線性減小趨勢；判定料漿離析分界點的J為1,M為10%；充填料漿抗離析特性差、良好以及優(yōu)良時，J分別在0.4～1.0,1.0～1.8和1.8～2.5范圍內(nèi)波動，M分別在12.70%～10.09%,10.09%～6.61%和6.61%～3.57%范圍內(nèi)波動。3)從抗離析特性決定系數(shù)出發(fā)，提出用廢棒比、砂灰比和料漿質(zhì)量分數(shù)量化表征屈服應力、骨料密度和料漿密度，進而構(gòu)建了抗離析特性數(shù)學模型。各實驗組模