某冻土区矿山冰冻尾砂充填研究

门建兵

(中国瑞林工程技术股份有限公司,江西 南昌 330031)

随着全球经济的迅速发展,人们对矿产资源的需求不断增加。冻土区作为矿产资源分布的重要区域之一,其开发逐渐受到重视。然而,冻土区矿山的地质条件与其他地区矿山存在明显差异,其主要特点为气候寒冷,地下土壤常年处于冻结状态,导致常规的开采技术工艺在该环境的应用受到限制,因此针对冻土区矿山进行研究具有重要的实际意义。

目前,研究学者主要从冻土区矿山的岩石力学、开采工艺和开采现状及展望等方面对冻土区进行了大量研究[1-6],其中冻土区矿山中的充填工艺引起了大量的关注。宋永晔等[7]针对在冰冻矿山中回采极富矿柱问题,提出了采用块石胶结充填取代干式充填用于充填矿柱采空区,可不留永久支承矿柱或底柱,并得出矿石回收率大大提高。周正濂等[8]基于水-岩石体系的能量守恒定律,确定了结冰的水量和初始温度、井下空气温度和风速、岩体温度、破碎废石的温度以及体积占比等最优具体参数,并表明在此条件下可大大缩短充填体的冻结时间。M.L.杰里迈克等[9]通过利用冻结法研究了不同湿度对两种尾砂物料的冻结充填体的抗压强度、破裂特征以及应力-应变的影响,并从成本上分析了冻结法固结充填料的优越性。Yang等[10]研究了尾砂平均粒径、干密度、含水量和应变速率对冻结充填体的单轴抗压强度的影响,研究发现冻结充填体的单轴抗压强度与平均粒径呈对数关系,与干密度呈指数关系,与含水率呈线性关系,与应变率呈抛物线关系。

某矿山位于北极永久冻土区,矿床主要包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3个矿段,矿体呈页状、层状,产状平缓。矿区内植被稀少,夏天短且凉快,冬天长而寒冷,几乎所有的降水为雪,年积雪量约30 cm,地表水体一年中大部分时间都是结冰的。根据开采设计,Ⅰ矿段采用露天开采方式,Ⅱ和Ⅲ矿段采用充填采矿法开采。在该冻土区矿山若以常规的充填工艺采用水泥为胶凝材料对采空区进行充填,会存在以下几点影响:① 水泥的水化反应会释放一定的热量,从而可能出现局部的冻融效应,增加冻土的变形和收缩,严重时会破坏冻土的结构,也意味着将对冻土区矿山的稳定性造成一定威胁;② 水泥成本以及运输成本过高。根据上述分析,该冻土区矿山拟采用冰冻尾砂充填,仅以尾砂和水为原料,依靠矿区的低温度环境对其进行固结,从而使其达到一定强度以维持采空区稳定。

为此本文以该冻土区矿山冰冻尾砂充填技术为研究对象,通过结合矿山实际条件,开展冻结充填体单轴抗压测试,以及通过热传递数值模拟分析,从冰冻尾砂充填体的抗压强度和冻结时间两个方面验证该充填技术的合理性,为该矿山冰冻尾砂充填技术的应用提供有益的参考。

1 冻结充填体单轴抗压测试

1.1 试验方案

试验的主要原材料为矿区选厂尾砂和水,试验设定充填料浆的浓度为55%。试验大致流程如图1所示,首先按照设定的料浆浓度计算并称取一定的尾砂和水,将二者混合并搅拌均匀;其次将料浆装入内径为5 cm,高度为10 cm的圆柱形模具中,并对其进行编号;随后将装好料浆的模具放置于设定的冻结温度(-2、-5、-10、-12 ℃)下进行冻结养护,待冻结充填体固结后,对其进行脱膜处理,最后通过万能试验机对试样进行单轴压缩试验。

图1 试验流程示意Fig.1 Test flow diagram

1.2 抗压强度分析

为探究温度对冻结充填体单轴抗压强度的影响,根据上述试验测得不同冻结温度下冻结充填体试样的具体物理参数如表1所示,并对各温度下冻结充填体试样抗压强度的平均值进行拟合分析,如图2所示。从图中可以明显发现随着冻结温度的持续降低,冻结充填体的抗压强度逐渐增大,并且根据拟合结果可知冻结充填体的抗压强度与冻结温度呈线性关系,可通过式(1)表示,拟合曲线的相关系数达到0.997。出现该现象的主要原因为:随着温度的降低,水分逐渐冻结成冰晶,这些冰晶之间的连接越来越紧密,形成了一种网络状结构,能够支撑更大的压力。此外,当温度降低到一定水平时,冰晶生长速度会减缓,而这使得冰晶之间的接触面积增加,冰晶的结构和冰晶之间的连接随着温度的降低而变得更加坚固和紧密,这就使得整个冻结充填体的抗压强度逐渐增加。

表1 冻结充填体的物理参数Table 1 Physical parameters of the frozen filler

图2 不同温度下冻结充填体的抗压强度Fig.2 Compressive strength of frozen fillers at different temperatures

式中,y为冻结充填体单轴抗压强度,MPa;x为冻结温度,-12≤x≤0,℃。

1.3 充填体的强度预测

为了验证该配比下冻结充填体强度是否能够满足冻土区矿山现场安全要求,基于冻土区矿山不同矿段的实际温度对冻结充填体进行理论抗压强度验证分析。

根据该冻土区矿山的开采条件以及采矿方法,矿床主要有Ⅱ、Ⅲ矿段需进行充填。其中Ⅱ矿段的最低点为211 m,其常年地表温度为-13.6 ℃,地热梯度为88.2 m/3 ℃;Ⅲ矿段主要开采深度范围为275～592 m,其地表温度为-15 ℃,地热梯度为100 m/2.5 ℃。根据以上数据,通过利用不同矿段地热梯度以及上述中温度与抗压强度的拟合公式(1),计算得到2个矿段充填环境的温度范围以及冻结充填体的抗压强度范围如表2所示。由表2中的结果可知,预计Ⅱ、Ⅲ矿段冻结充填体固结后的抗压强度范围分别为2.5 MPa至4.4 MPa、1.0 MPa至3.0 MPa,由此看来该配比下的冰冻尾砂充填体在抗压强度方面能够符合该冻土区矿山要求。

表2 基于温度冻结充填体的强度预测Table 2 Strength prediction of frozen fillers based on temperature conditions

2 基于热传递的冻结时间分析

2.1 分析方法

冰冻尾砂充填的固结机理主要是通过周围环境的低温度效应对充填料浆进行冻结,这实际上是一个温度传递的过程。因此,为了确定不同体积的充填区中冰冻尾砂浆液的冻结时间,进而对尾砂料浆进行了热传导分析。

为了将问题的三维性质简化为二维分析,选择傅里叶热传导方程的一般形式:

式中,dQ/dt为单位时间内传递的热量;k为尾矿浆的传导率;A为横截面的表面积(平面图);dT/dy是垂直方向上横跨矿浆的温差。

假设冻结开始时,料浆在充填区边缘的温度为0℃,此时y=0 m。因此,将式(2)简化为

冻结层传递的热量为

式中,y为冻结层的厚度;dm为浆料的质量差。

随着浆料的冻结,冻结浆料的厚度将随着时间的推移而增加。此时,冻结层的质量为

式中,ρ为料浆的密度;A为横截面积(平面图);dy为变化的冻结厚度。

将式(5)代入式(4),并除以dt,则可得到:

将式(3)与式(6)结合,从而可消除横截面积。此时则可以通过使用二维有限元软件GeoStudio中的TEMP/W模块对其进行热传递分析,以充填料浆温度的改变来确定充填料浆的冻结时间。

图3为建立模型的大致流程图,具体可分为以下几个步骤:① 根据充填区尺寸绘制模型区域,本次充填区模型尺寸设定与计划的实际相同,主要评估3种尺寸,其长、宽、高分别为150 m×10 m×7 m、150 m×10 m×14 m和150 m×10 m×28 m;② 根据尾砂浆液的材料属性,输入相关参数,其具体参数如表3所示;③ 对已绘制的充填区域绘制尾砂浆液;④ 输入并绘制边界条件,模型假设尾砂浆液输送到充填区的初始温度为2 ℃,充填区环境温度为-2 ℃;⑤ 进行稳态分析,确定整个计算网格的初始温度;⑥ 进行为期5 a的瞬态分析。根据上述的操作步骤,3种尺寸模型配置分别如图4～图6所示。

表3 尾砂浆液的材料特性Table 3 Material properties of tailing mortar liquid

图3 建模流程Fig.3 Modeling process

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

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

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

2.2 冻结时间分析

为了确保充填体达到冻结状态,要求尾砂浆液的表面温度需要达到-2 ℃,且岩芯至少冻结。根据上述条件,分别通过对3个尺寸模型的为期5 a瞬态分析中寻找充填料浆温度达到上述条件的瞬态模型时间,以此得出尾砂充填的冻结时间。图7～图9则分别显示了3种不同充填区尺寸输出的瞬态模型,从这3种尺寸输出的瞬态模型中可以得知:在同等条件下,随着充填区体积的增大,充填料浆的冻结时间逐渐延长。对于150 m×10 m×7 m的充填区,尾砂料浆预计在75 d内完全冻结;对于150 m×10 m×14 m的充填区,预计充填料浆将在200 d内完全冻结;对于150 m×10 m×28 m的充填区,预计充填料浆将在355 d内完全冻结。

图7 7 m×150 m充填区75 d瞬态模型Fig.7 75 day transient model of a 7 m × 150 m filling area

图8 14 m×150 m充填区200 d瞬态模型Fig.8 200 day transient model of a 14 m×150 m filling area

图9 28 m×150 m充填区355 d瞬态模型Fig.9 355 day transient model of a 28 m×150 m filling area

在实际采矿计划中充填区的规模大小不等,从而导致充填体的冻结时间也存在较大的差异。当充填区体积较大时,尾砂浆液的冻结时间较长且无法一次性完全充填,因此为了利用冰冻尾砂充填技术,则需要设置充填隔离墙,以减少一次充填体积,以便在采矿设计周期内进行冻结处理。因此,总结该矿山充填体的冻结时间与充填区体积相关的经验公式能在一定程度上优化采矿计划的布置。结合上述3种不同尺寸充填区及其对应的冻结时间,可以发现充填区的体积与尾砂浆液的冻结时间呈线性相关,其拟合公式为y=0.008 6x,相关系数为0.99,即尾砂料浆的冻结天数等于充填区体积的0.008 6倍,如图10所示。

图10 充填区的体积与冻结时间关系Fig.10 Relationship between volume of filling area and freezing time

3 结 论

(1)随着冻结温度的降低,冻结充填体的抗压强度逐渐增大,冻结温度与冻结充填体的抗压强度呈线性关系。

(2)基于温度与冻结充填体抗压强度的拟合公式,对不同矿段中的冻结充填体强度进行了预测,预测结果表明冰冻尾砂充填技术在抗压强度方面能够符合该冻土区矿山要求。

(3)针对冰冻尾砂浆液固结时间分析,提出尾砂料浆的冻结时间和充填区空间大小相关,并基于模拟结果总结了该冻土区矿山充填区体积与充填料浆冻结时间二者之间关系的经验公式。