金属矿充填固化过程监测研究现状及展望

随着采矿科学技术的不断发展与创新,矿业正朝着绿色化、深部化、智能化的方向发展。充填采矿技术因其“绿色、安全、经济、高效”等特点被越来越多的矿山企业所采用,同时也是国家极力推行的采矿技术,该技术符合国家可持续发展理念以及绿色矿山建设要求。

过去数十年,众多学者和研究人员针对充填体力学行为开展了大量研究,但大多是对其终端强度展开分析,忽略了充填料流固转变和固化过程的力学行为。虽然,国内学者研究了集料构成、水泥掺量、质量分数、粒级组成等因素对充填料固化性能的影响,但都是采用单一指标(如单轴抗压强度)来表征其强度,无法对空区充填料的固化过程和效果进行评价。并且,当充填料到达采场后,现场取样进行强度测试难度较大,导致充填料浆到达采场后的固化强度完全依赖室内试验结果和工程经验,无法科学指导矿山采充方案的制定。国外有学者认为充填料是一种以尾砂为载体的水泥基材料,传统的单轴抗压强度提供的信息有限,无法帮助设计者全面理解水化反应过程和影响因素。GHIRIAN 等的研究证实了充填体中的热—水—力—化行为取决于胶结剂水化过程,认为排水、养护压力、养护时间和充填速率对充填体的力学和变形行为有影响;WANG 等研究发现,不同灰砂比对于充填体固化过程的基质吸力、体积含水率、电导率等性能会产生较明显的影响,最终影响充填体的强度。此外,数值模拟在充填固化过程中的研究主要集中在采场尺寸、形态、倾角、有无充填挡墙、充填速率以及充填次序等方面。

充填料流固转变的力学行为对于充填体安全服役至关重要,目前关于充填体固化过程监测理论和技术的研究相对匮乏。长期以来,充填固化过程多场性能研究的重要性被忽略,造成充填固化过程的“黑箱”问题,严重影响了采充策略的精准制定以及充填成本的有效控制。

实际上,充填体固化过程是多场性能同时演绎的复杂行为,连接各性能之间的核心纽带为“水化反应”。基于此认识,本研究课题组自2013年开始自行研发试验装置,研究充填体固化过程中的多场性能,在矿山充填领域提出并逐渐形成了“充填固化过程监测”分支研究方向。研究思路由传统的充填体“终端强度”向“过程性能”转变,引入“过程性能”连续监测技术手段,从试验装置研发、监测技术制定、理论模型构建、全域数值模拟以及矿山工程实践等方面进行系统阐述,对充填固化过程的多场性能演化规律、发生机理、关联表征进行深入研究,有助于解决充填固化过程认识不清、固化理论匮乏、监测技术短缺、固化过程数值仿真局限等问题,可为缩短采充周期,确保充填体结构安全,实现矿山精准充填、精准开采提供有力支撑,同时也丰富了充填理论体系。

本研究针对金属矿充填固化过程提出了一个较为完整的研究思路,如图1所示。目前,金属矿充填固化过程的理论和研究方法尚属起步阶段,处于不断研究和丰富的过程。温度、质量浓度和灰砂比等是充填料固化过程分析最常被考虑的影响因素,这些因素也是充填体终端强度的主要影响因素。其中,温度影响充填料固化过程水泥的水化进程,质量浓度影响充填料的流动性和强度,灰砂比则是影响充填料固化性能的重要因素。研究这些因素条件下的充填固化过程的多场性能相关理论及技术对于矿山具有实际指导意义。

通过传统的充填体试块强度测试,联合多场性能监测试验以及微观分析试验对充填固化过程进行研究,并引入数值模拟的研究方法,对多场性能试验数据进行模拟分析及对比,验证试验结果的正确性。通过对多场性能监测数据进行分析,发现不同影响因素条件下的多场性能随着养护时间的演化规律以及同一养护时间条件下多场性能随着不同影响因素的演化规律;结合微观分析结果,对充填体试块的强度以及多场性能的演化机理进行分析,解释其内在的水化作用机理以及孔结构的演化机理等微观作用。通过分析基质吸力、体积含水率、温度、电导率等多场性能之间的关联性,最终建立充填固化过程的热—水—力—化多场性能关联机制,并采用多场性能表征充填体强度,建立多场性能—强度协同表征模型。

数值模拟对于大尺寸真实采场充填固化过程的研究也是一种十分有效的手段,通过数值模拟分析采场结构、形态、采充策略等对于充填体强度等性能的影响,对于指导充填策略制定具有重要的借鉴意义。

在以上理论研究的基础上,进行多场性能监测的半工业试验和真实采场的原位多场性能监测,于实践层面验证与完善充填固化过程监测技术,对于确保充填体结构安全、拆除挡墙、缩短采充周期等具有重要意义。最后,对金属矿充填固化过程监测的未来研究方向进行展望。

鉴于目前市场上缺乏标准化的充填料多场性能研究试验装置,本研究团队于2013年研制了充填料固化过程热—水—力—化多场性能试验装置(图2),该装置主要由盛料系统、数据采集系统和监测系统组成。该装置制作简单、体积较小、智能性高,适用于有色、黑色、煤矿等各种矿山企业添加胶凝材料的充填料多场性能测试。

图2所示的试验装置采取了保温设计,主要用于研究温度对充填料固化过程的影响,而在研究质量浓度、灰砂比等因素时往往是在恒温条件下进行,无需隔热及保温。因此,本研究团队于2019年研制了一种无保温功能的简易试验装置,如图3所示。该装置能够精确测量模拟充填料在采场养护过程中的热—水—力—化等性能。主要优点有:① 充填料采用分体式料盒密封隔热盛放,模拟充填料原位固化过程,获取的数据更贴近采场实际,且试验结束后取出传感器更加方便;② 料盒采用小高径比,减少了纵向应力对试验的影响,有利于采场多场性能研究;③ 两枚传感器布置在充填料浆中同一高度位置,并形成60°夹角,减少了传感器间的相互影响等,试验精度更高。

基于上述试验装置,充填料浆的多场性能宏观监测试验主要由装置组装、料浆填入和养护监测三部分组成。

(1)装置组装。将隔热材料密实地填满于固定环与箱体之间,传感器固定在固定板上并放置于料盒中。充填料浆倒入料盒后,导出料浆中空气,并使传感器连接数据采集器并接至计算机。

(2)料浆填入。制备的料浆一部分用于充填体试块制备,用于测试充填体强度;另一部分灌入分体式料盒内;灌入过程需要确保传感器与料浆充分接触,并将料盒放入固定环中,连接好传感器与数据采集器。

(3)养护监测。将数据采集器与计算机相连,利用ECH2O Utility 软件进行数据采集。设定采集间隔与养护时间,定时导出数据。结束后取出料盒,清理设备,为下一组试验做好准备。

灰砂比是充填体强度以及充填成本的重要影响因素,本研究以1∶4、1∶8、1∶12、1∶16 这4 个灰砂比水平为研究对象,通过宏观监测得到其基质吸力、体积含水率和电导率演化特征,如图4所示。结果表明:不同灰砂比条件下,基质吸力、体积含水率和电导率的演化规律有所不同。综合来看,随着灰砂比不断增大,充填体的含水率下降,进而使得基质吸力不断提高,同时电导率的峰值也不断增大,充填体基质吸力、体积含水率和电导率到达临界点的时间也越早。

充填体是一种水泥基构成的多孔介质材料。从其固—液—气三相组成的结构入手,通过分析其水化产物的种类、数量和空间分布,以及充填体的孔隙结构,并根据这些微观因素解释宏观充填体强度和固化过程性能演化机理。现阶段主要采用XRD(Xray Diffraction,X 射线衍射)、热重分析TG/DTA(Thermogravimetry/Differential Thermal Analysis)以及扫描电镜SEM(Scanning Electron Microscope)分析等手段,对充填体水化产物及孔隙结构演化进行分析。本研究开展了不同微观分析试验,结果如图5～图8所示。

XRD 是一种用于分析物质中的物相种类以及内部结构的常用手段,通过不同的衍射角度能够确定充填体在不同养护时间内其水化产物的种类以及数量的变化,进而解释不同养护条件对充填体强度的影响机理。如图5所示,本研究团队通过XRD 分析了充填体在不同灰砂比水平下养护7 d 后的水化产物。随着灰砂比增大,其CH(氢氧化钙)含量增多、AFt(钙矾石)含量减小,表明水化反应速率更快,并能够佐证“充填体前7 d 养护中单轴抗压强度增长速率与灰砂比大小呈正相关”的结论。

TG/DTA 分析包括热重分析和差热分析,是研究材料热稳定性和组分的有效热分析手段,对不同质量浓度、不同养护龄期的充填体试块进行热重分析和XRD 分析,能够揭示充填料固化过程中水化产物的变化特征。在图6所示的不同灰砂比养护下的热重曲线图中,加热温度在200 ℃之前,灰砂比1∶4 的热重曲线一直处于最上方,再次验证了“充填体在前7 d 养护中,水化反应速率、单轴抗压强度增长速率与灰砂比大小呈正相关”这一结论。

压汞测孔试验是测量孔隙结构最常用的方法之一,通过对水银施加足够的压力从而使其进入待测材料的孔隙中。由于孔隙结构变小,压入水银所需的压力也就越大,因此通过测量压入水银所需的压力即可测得孔隙大小,通过压入待测材料中的水银量能够测出孔体积和孔径分布。图7定量展示了不同灰砂比的累计孔径百分比分布,发现灰砂比越大,其大孔径百分比越小,能够从微观孔隙分布角度解释灰砂比越大充填体强度高的原因。

SEM 分析试验是通过扫描电子显微镜对材料微观结构形态和结构进行观察的重要手段,其通过高能电子束与物质之间的相互作用,能够展现材料微观层面的各项物理信息。例如,对不同养护条件的充填体进行SEM 分析试验,进而可以获取其各阶段的水化产物、孔隙变化等信息。图8展示了不同灰砂比条件下养护至28 d 的充填体表观形态的SEM 图像,表明灰砂比越高,其表面形态越规则,水化反应程度越高,从而充填体的强度越大。

充填料在养护期间,其自身作用过程是一个热—水—力—化多场性能同时演绎的复杂行为,彼此之间存在着一定的关联性。本研究将全尾充填料热—水—力—化(T—H—M—C)行为的关联机制进行了归纳,结果如图9所示。

图9反映了充填料固化过程多场性能的内在联系,具体阐述如下:

(1)充填料强度性能的演化主要是由于其内部水泥与水发生水化反应,生成C—H(Calcium Hydroxide,氢氧化钙)和C—S—H(Calcium Silicate Hydrate,水化硅酸钙)等水化产物。充填料的质量分数、灰砂比、初始温度、养护温度、化学成分等因素影响着充填料的水化反应速率。水化反应速率越快,生成的水化产物则越多,充填料内部的水分和孔隙的位置将逐渐被替换,造成充填体内部孔隙结构越来越密实,最终形成具有一定强度的充填体。

(2)水泥水化反应过程将不断吸水,充填料的体积含水率随之越来越小,其内部基质吸力越来越大,表明基质吸力与充填体强度之间存在一定的联系。

(3)水泥水化反应过程中,通过电导率可以表征充填料内部离子浓度的变化过程。因此,电导率也是一个可以反映充填料水化反应速率的指标,且与充填料凝结性能有一定的关联。

以充填料不同初始温度的影响因素为例,分别展示了充填料的温度、电导率、体积含水率、单轴抗压强度和基质吸力的同时演绎关联机制,如图10所示。温度效应对水化反应影响明显,初始温度越高,电导率到达峰值越早,基质吸力发生明显增长的时间间隔不断缩短,表明高温能够促进水化反应的发生。同时,强度与其他因素之间均有一定的关联性,其中与基质吸力的关联性最强,这为充填固化过程强度的协同表征提供了依据。

根据上述分析结果,考虑热(温度—时间历史)、化(水泥水化进程)、水(自干燥行为导致的基质吸力演化)耦合效应对于充填体早期强度的发展、充填体结构设计和优化具有重要的应用价值和工程意义。

传统的充填体强度通常利用终端强度进行表征,其中养护至特定龄期的充填体单轴抗压强度是最常用的评价指标。上述充填体表征方法忽略了充填体强度的过程演化,不能真正反映充填料固化过程中的强度演化规律。实际工程中,如何连续真实表征“固化过程强度”则更为重要。由于充填料水化反应、流固转变、力学发展等过程必然导致充填体内部体积含水率、基质吸力、电导率等性能的改变;反之,通过这些性能的演变反馈,也可以对充填体强度发展进行判别,将传统的终端强度评价手段转化为连续的过程强度表征方法。所以通过建立基于多场性能的充填体强度协同表征方程,即可以通过多个维度性能演变判定和表征强度大小,为充填料固化过程原位强度连续识别提供重要的理论依据。

充填体协同表征方程的建立一般会考虑多个性能,包括基质吸力、体积含水率和电导率等固化过程性能演化规律。本研究引入时间变量以表征固化过程,引入不同的影响因素表征不同因素影响条件下的充填料的固化过程强度,一般的影响因素包括质量浓度、灰砂比、温度等。以上述参量作为自变量,以充填体强度为因变量建立的多元线性回归方程为

式中,UCS 为单轴抗压强度,kPa;t 为固化时间,d;f为影响因素(质量浓度、灰砂比、温度等);V 为体积含水率,m3/m3;fs 为基质吸力,kPa;E 为电导率,mS/cm。

不同初始温度条件下的充填体强度协同表征模型可表示为

式中,A1=20.093 kPa/d;A2=1.132;A3=392.743 kPa;A4=59.839 kPa·(mS/cm);A5=22.542。

不同质量浓度条件下的充填体强度协同表征模型可表示为

式中,C 为质量浓度,%;A1=0.171kPa/d;A2=1793.176 kPa;A3=12.828;A4=1579.974;A5=245.425 kPa·(mS/cm);A6=1372.780 kPa。

不同灰砂比条件下的充填体强度协同表征模型可表示为

式中,r 为灰砂比;A1=35.29 kPa/d;A2=15808.16 kPa;A3=2918.69 kPa;A4=8.91;A5=190.52 kPa·(mS/cm);A6=3 500.15 kPa。

上述不同因素效应下的方程,进一步证实了固化过程多性能协同表征强度的可行性,由于固化过程监测获得的性能指标是连续的,因而也就实现了“固化过程强度”的连续表征。

数值模拟可以对整个采场进行全域仿真模拟,能够有效地获取充填体任何位置相应性能的演化规律,对于充填料固化过程多场性能的研究是一种技术上可行、精确度较高的研究手段。

充填体的固化过程以热—水—力—化多物理场耦合过程为主,如图11所示。为了建立描述充填体固化特性的多物理模型,采用以下假设:① 假定尾矿颗粒是不可压缩的,而多孔充填材料是可变形的;② 压缩应力和压缩应变被认为是负值;③ 充填体组分的渗流是由达西定律驱动的;④ 充填材料在某一时刻的多相态服从局部热力学平衡原理,即局部相态处于同一温度。

充填料作为多相多孔介质,通过应用质量、能量和动量守恒定律以及构建相应的本构关系,根据孔隙空间的连续性建立方程,经过推导得到的热—水—力—化全耦合固结模型可表示为

式中,w/c 为水灰比;Cm 为胶结剂含量,%;vw,vn,vab-w,vc 和vtailings 分别为孔隙水、化学结合水、物理吸附水、水泥和尾砂的比容,m3/kg;Rn-w/hc 为化学结合水与水化水泥的质量比;αBiot 为Biot 的有效应力系数;σ 为总应力,kPa;S 和Se 分别表示饱和度、有效饱和度;Pw 和Pa 分别为孔隙液体水压和孔隙空气压力,kPa;E 为弹性模量,MPa;υ 为泊松比;ξ 为胶结剂水化程度;θr 为残余含水率;e 为孔隙比;λ 为非负塑性比例系数;g 为塑性势函数;I1 为偏应力的第一应力,kPa;Ma 为空气的分子质量,0.000 29 kg/mol;R为通用气体常数,8.314 J/(mol·K);T 为局部相态温度,K;ρa 为孔隙内部空气密度,kg/m3;k 为固有渗透率;krw 为相对于每种流体的相对渗透率;μw 为相对于每种流体的流体动力黏度,Pa·s;αTs 和αTw 分别为充填体固相与液相的热膨胀系数,K-1;βPw 为水的等温压缩模量,Pa-1。

通过多物理场固结模型来模拟充填体的全域原位固结过程,研究充填体在不同因素下的原位固结行为,如不同的养护龄期、采场几何形状等,具有重要的工程意义。

图12展示了充填体和采场的几何形状和网格划分案例。监测点分别位于距采场底板29.5、7.0、0.5 m 处。利用这3 个监测点研究充填体固结行为随养护时间的变化规律,以及对采场几何形状、岩壁粗糙度、充填料配比、充填和排水等条件对固化效果的影响进行数值仿真研究。

由于不同矿体采用的回采方法不同,其采场条件将有所区别,如采场几何形状、充填速率以及挡墙排水条件等,这些因素将对充填体的固化过程产生影响。

采场高宽比和倾角对采场形状的影响较为关键。以高宽比不同的3 个采场为例,数值模拟得到其充填体平均固结程度的变化特征如图13所示。在初始层充填阶段,不同高宽比的固结曲线遵循相似的变化趋势;在充填后的阶段,高宽比大的采场固结速率较低。

以3 种不同的充填速率为例,数值模拟结果如图14所示。随着充填速率降低,充填结束时固结程度不断增加,这将使得充填体变得更加坚固。此外,对其他不同采场条件下充填体的固结特性进行数值模拟,对于设计充填体强度、优化充填策略等方面有着重要的参考价值。

充填料配比对充填体结构的稳定性具体关键作用。以3 种不同水泥掺量为例,模拟得到其平均固结程度的变化特征如图15所示。水泥含量越少的充填体在充填结束前固结速率越快,而充填完成后,水泥含量越高的充填体固结效果越好。同时,随着水泥掺量增加,充填体的覆盖层应力增加会导致固结程度降低。

随着养护时间延长,胶结剂水化作用将促进充填体固结过程。对3 种不同高度充填体的平均固化程度变化进行了数值模拟,结果如图16所示。充填体固结过程的变化特征可总结为:固结程度的变化速率随养护时间的延长而递减;充填阶段和初始层固化阶段之间具有明显的固结行为;充填体呈现出空间非均匀固结过程的特性,相同养护时间下高度较大的充填体固结程度更大。

上述通过自制监测试验装置开展的多场性能监测试验,以及开展采场充填料固化过程的数值仿真属于理论研究范畴,对于真实采场充填过程的相关多场性能的演化过程仍需验证。为此,本研究团队将多场性能监测理论与工程实践相结合,在安徽罗河铁矿某采场开展了原位监测试验。

在地表开展相似模拟试验,能够进一步探明充填料浆在养护过程中泌水、沉缩、固化性能等特性,为井下充填体固化性能分析提供参考。地表半工业试验装置如图17所示,该装置主要由监测设备和盛料容器两部分组成。通过安装在盛料容器内的3 个不同高度的传感器,能够监测充填体养护过程中的孔隙水压力、泌水、沉降和温度变化,并经过数据采集器收集后由计算机进一步处理。

通过地表半工业试验装置模拟采场,能够测量不同条件(排水情况、不排水情况)下,不同充填高度充填料浆孔隙水压力、温度、泌水率、沉缩率等多场性能参数。试验主要步骤为:首先确定深锥浓密机底流的质量浓度,以明确一定质量料浆中的尾砂含量;再根据所需灰砂比分别计算所需胶固粉和水的质量,并与料浆搅拌均匀后加入试验装置;定时测量充填料的泌水与沉缩高度;通过渗压和温度数据采集装置定时获取充填体内部的孔隙水压力和温度数据。排水条件下充填体的孔隙水压力变化特征如图18所示。由图18可知:不同高度下的孔隙水压力均是先增大后减小且最后趋于0,因此,通过完善采场内的排水设施,能够降低充填挡墙所受的压力;孔隙水压力由“正”变“负”时为充填料的流固转变节点,通过该时间点监测能够判断采场内充填料是否开始凝固。

充填作业过程中,充填体内部土压力、孔隙水压力和温度均随着充填高度的变化而变化,监测上述3个物理量能够及时判断采空区内的充填状态,便于及时修正充填策略。

采场原位监测所用装置如图19所示。为保证传感器能正常工作,测得准确数据,传感器需要用沙袋进行包裹,并固定在钢架上。根据现场采空区实际情况连接好电缆、传感器、数据采集器以及测量系统等,调节好测量参数,定期下井采集试验数据并进行分析。罗河铁矿某采场不同水平的原位应力监测结果如图20所示。由图20可知:在-540 m 水平,充填高度未达充填挡墙顶部之前,充填体内部应力在水平和垂直方向均不断增大,当充填高度超过挡墙之后,应力基本没有变化,因此超过挡墙后充填高度可以大幅提高;在-508 m 水平,分为两阶段充填,其中停止充填的过程中,垂直方向应力基本不变,而水平方向应力逐渐减小至0,说明适当暂停充填作业能够缓解挡墙压力,并促进充填体排水固结。