漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)充填材料堆積角度實(shí)驗(yàn)研究

白仲榮

漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)充填材料堆積角度實(shí)驗(yàn)研究

白仲榮

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

堆積角度是描述充填材料采空區(qū)內(nèi)空間堆積形態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)確定鉆孔間距、優(yōu)化漿液配置、調(diào)整注漿工藝參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。為掌握漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)充填材料堆積角度變化規(guī)律，采用尾礦自流堆積模型實(shí)驗(yàn)和流變特性實(shí)驗(yàn)，以風(fēng)積沙的質(zhì)量摻入比為變量，分別測(cè)定不同含砂率條件下漿料堆積參數(shù)和流變參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)Sofra & Boger公式進(jìn)行了回歸修正，建立適合于漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)充填材料的堆積角度計(jì)算式，為充填材料堆積角度定量評(píng)價(jià)提供了一條新途徑。

采空區(qū)；堆積角度；風(fēng)積沙；模型實(shí)驗(yàn)；流變特性

利用榆神府礦區(qū)豐富廉價(jià)的風(fēng)積沙、粉煤灰作為空洞型采空區(qū)充填材料，在榆神府地區(qū)采空區(qū)災(zāi)害治理中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣[1-2]。水泥粉煤灰漿液及風(fēng)積沙組成的介質(zhì)在空洞中的堆積形態(tài)是采空區(qū)治理工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。但前期研究方向主要集中在充填材料多樣化[3-7]、工藝改進(jìn)、充填材料流動(dòng)性能等方面[8-9][9]，而忽視充填材料在采空區(qū)內(nèi)空間堆積形態(tài)方面的研究工作，導(dǎo)致鉆孔間距和充填材料配比設(shè)計(jì)通常根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)確定，這種理論上的缺乏勢(shì)必造成實(shí)踐中的盲目性[10-11]。因此，研究充填材料在采空區(qū)內(nèi)的堆積規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，引用自流堆積模型實(shí)驗(yàn)和流變參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)來(lái)探索和研究充填材料在采空區(qū)內(nèi)的堆積規(guī)律，為后續(xù)采空區(qū)災(zāi)害治理中鉆孔間距和充填材料配比設(shè)計(jì)提供更加充分的理論依據(jù)。

1 自流堆積模型實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

尾礦流體材料與漿液–風(fēng)積沙充填材料均為雙相介質(zhì)，在流動(dòng)和堆積形態(tài)方面具有顯著的相似性。因此，本次實(shí)驗(yàn)采用Sofra & Boger 2001提出的尾礦堆積模型實(shí)驗(yàn)方法[12-15]，對(duì)不同漿砂配比條件下的充填材料堆積角度變化規(guī)律進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)裝置模型如圖1所示。

圖1 自流堆積模型實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及配比

本次實(shí)驗(yàn)所用材料有水泥、粉煤灰、風(fēng)積沙、水。其中，水泥為粉煤灰硅酸鹽水泥，粉煤灰參量34%，密度為2.8 g/cm3；粉煤灰材料產(chǎn)自電塔鎮(zhèn)陽(yáng)關(guān)燃煤電廠，材料參數(shù)性能見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中選用風(fēng)積沙作為充填骨料，產(chǎn)自府谷縣廟溝門鎮(zhèn)地區(qū)，堆積密度1.553 g/cm3，孔隙率為35.5%，其顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 粉煤灰性能參數(shù)值

圖2 風(fēng)積沙粒度分布

由圖2可知，風(fēng)積沙粒度成分以細(xì)砂(0.25~ 0.10 mm)為主，中砂(0.50~0.25 mm)次之，極細(xì)砂(0.10~ 0.05 mm)較少。大于0.50 mm和小于0.05 mm者含量極少。通過(guò)上述分析可知，本次實(shí)驗(yàn)所用天然風(fēng)積沙中細(xì)粒級(jí)顆粒所占比重較大，粗粒級(jí)含量較少，為典型細(xì)砂，屬不良級(jí)配[16-17]。

實(shí)驗(yàn)材料配比根據(jù)生產(chǎn)中常用配比及配置后料漿的性能確定，其中漿液中水固比為1︰1，水泥與粉煤灰質(zhì)量比為2︰8。為了研究不同漿砂比條件下料漿堆積角度變化規(guī)律，以風(fēng)積沙的質(zhì)量摻入比為變量，砂子的參量由0逐漸遞增至57%(表2)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)材料配比和前述實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行自流堆積模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，自流堆積角度與含砂率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 料漿堆積角度數(shù)據(jù)

圖3 料漿自流堆積角度與含砂率關(guān)系

由表2和圖3可知，隨著含砂率的增大，料漿堆積角度呈現(xiàn)出指數(shù)性增大的規(guī)律。根據(jù)變化曲線分解為3個(gè)區(qū)段：第一區(qū)段含砂率小于等于35%，在該區(qū)段內(nèi)料漿自流堆積角度由0.43°增加至1.1°，遞增趨勢(shì)緩慢；第二區(qū)段含砂率為35%~53%，該區(qū)段內(nèi)料漿自流堆積角度由1.1°增加至3.9°，遞增趨勢(shì)加快；第三區(qū)段含砂率為53%~57%，該區(qū)段內(nèi)料漿自流堆積角度由3.9°增加至11.60°，遞增趨勢(shì)急劇加快。堆積角度增加過(guò)程中存在顯著的“拐彎區(qū)間”含砂率，即料漿含砂率一旦超出該范圍后，堆積角度急劇增大。本次實(shí)驗(yàn)“拐彎區(qū)間”含砂率為35%~53%，該值可以作為生產(chǎn)中均勻投砂比例的一個(gè)控制參數(shù)[10]。

2 流變參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

流變參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用RST-CC槳式流變儀，并配備規(guī)格為V40-20的槳式轉(zhuǎn)子，槳葉直徑為20 mm，高度為40 mm，測(cè)試過(guò)程中剪切速率由0線性遞增至60 s–1，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)60 s。測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系

圖5 黏度與剪切速率關(guān)系

表3 料漿屈服應(yīng)力及黏度參數(shù)

3 自流堆積角度計(jì)算

3.1 料漿自流角度公式檢驗(yàn)

Sofra & Boger在2001年，從流變學(xué)、幾何學(xué)、流速等角度出發(fā)，考慮材料屈服應(yīng)力、黏度、密度、斜面寬度、流速等多方面的因素，結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)提出了尾礦自流堆積角度計(jì)算公式[12-15]：

式中：為自流角度，(?)；0為屈服應(yīng)力，Pa；為黏度，Pa?s；為密度，kg/m3；為流槽寬度，m；為重力加速度，m/s2；為流速，m/s。

將自流堆積模型實(shí)驗(yàn)和流變特性實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)代入式(1)中檢驗(yàn)其適用性，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，如圖6所示。

由表4及圖6可知，隨著充填料漿含砂率的增大，堆積角度實(shí)測(cè)值與Sofra & Boger理論計(jì)算值相差越來(lái)越大，說(shuō)明該公式適應(yīng)性存在一定的范圍。在引用之前需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象特性進(jìn)行回歸分析，建立適合該對(duì)象的回歸分析公式[19-20]。

表4 Sofra & Boger公式檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 回歸分析前理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 料漿自流角度公式回歸分析

由式(1)可知，影響自流堆積角度的主要因素有料漿屈服應(yīng)力、黏度以及自流堆積速度，且從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2和表3可知，上述參數(shù)隨著含砂率增大呈明顯的變化趨勢(shì)，對(duì)堆積角度產(chǎn)生較大影響。因此，必須對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行回歸分析，才能減小堆積角度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差。采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件并結(jié)合料漿參數(shù)特性對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸模型結(jié)果如式(2)：

與Sofra & Boger公式相比，該公式對(duì)其中3個(gè)參數(shù)及系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，并對(duì)回歸分析公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5，圖7為回歸分析后的自流堆積公式理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。

由表5和圖7可知，回歸分析后的自流堆積角度公式，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差0~27.04%，平均誤差僅為11.43%，具有較高的精確性。因此，以Sofra & Boger公式為基礎(chǔ)，經(jīng)回歸分析后的自流堆積角度公式，對(duì)分析和計(jì)算漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)材料的堆積角度具有一定的指導(dǎo)意義。

表5 回歸分析后的自流堆積角度公式檢驗(yàn)

圖7 回歸分析后理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)論

a. 通過(guò)自流堆積模型實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)料漿堆積角度隨著含砂率的增大呈現(xiàn)指數(shù)性增大的變化趨勢(shì)，且堆積角度在增加過(guò)程中存在明顯的“拐彎區(qū)間”含砂率35%~53%，該值可作為生產(chǎn)中均勻投砂比例的一個(gè)控制參數(shù)。

b. 通過(guò)流變參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到了不同含砂率條件下的漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)材料的流變參數(shù)屈服應(yīng)力0和黏度。

c. 通過(guò)對(duì)Sofra & Boger公式的回歸分析，建立了適合漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)材料的自流堆積角度計(jì)算式。經(jīng)誤差分析顯示，該式誤差率僅為11.43%，可作為料漿堆積角度預(yù)測(cè)的依據(jù)。

請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 冀前輝. 廢棄煤礦廢棄物地下灌注技術(shù)可行性探討[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(4)：69–76. JI Qianhui. Feasibility of waste backfilling in abandoned coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(4)：69–76.

[2] 劉浪，辛杰，張波，等. 礦山功能性充填基礎(chǔ)理論與應(yīng)用探索[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(7)：1811–1820. LIU Lang，XIN Jie，ZHANG Bo，et al. Basic theories and applied exploration of functional backfill in mines[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(7)：1811–1820.

[3] 童立元，劉松玉，邱鈺，等. 高速公路下伏采空區(qū)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7)：1198–1202. TONG Liyuan，LIU Songyu，QIU Yu，et al. Current research state of problems associated with mined-out regions under expressway and future development[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(7)：1198 –1202.

[4] 劉鵬亮，張華興，崔鋒，等. 風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填保水采煤技術(shù)與實(shí)踐[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(1)：118–126. LIU Pengliang，ZHANG Huaxing，CUI Feng，et al. Technology and practice of mechanized backfill mining for water protection with aeolian sand paste-like[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(1)：118–126.

[5] 張鵬飛，趙同彬，傅知勇，等. 矸石充填采空區(qū)頂板沉降規(guī)律及矸石承載特性分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46(11)：50–56. ZHANG Pengfei，ZHAO Tongbin，F(xiàn)U Zhiyong，et al. Analysis on roof subsidence law and gangue load bearing characteristics in gangue filling goaf[J]. Coal Science and Technology，2018，46(11)：50–56.

[6] 劉輝，何春桂，董增林，等. 高水材料充填技術(shù)在減小地表沉降中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(6)：54–57. LIU Hui，HE Chungui，DONG Zenglin，et al. Surface subsidence based on filling technology with materials of high water content[J]. Coal Geology & Exploration，2010，38(6)：54–57.

[7] 邱華富，劉浪，孫偉博，等. 采空區(qū)充填體強(qiáng)度分布規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2018，49(10)：2584–2592.QIU Huafu，LIU Lang，SUN Weibo，et al. Experimental study on strength distribution of backfill in goaf[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2018，49(10)：2584–2592.

[8] 王新民. 基于深井開(kāi)采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006. WANG Xinming. A study of filling materials and pipeline transportation systems in deep mines[D]. Changsha：Central South University，2006.

[9] 趙才智. 煤礦新型膏體充填材料性能及其應(yīng)用研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008. ZHAO Caizhi. Study on coal mine new paste filling material properties and its application[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2008.

[10] 白仲榮. 采空區(qū)內(nèi)漿料堆積規(guī)律試驗(yàn)研究[D]. 北京：煤炭科學(xué)研究總院，2016. BAI Zhongrong. Experimental study on the law of slurry packing in goaf[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2016.

[11] 陳安惠，陳壽根，張恒. 高速公路下伏采空區(qū)風(fēng)積沙充填技術(shù)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程與地下工程，2013，33(1)：57–59. CHEN Anhui，CHEN Shougen，ZHANG Heng，et al. Experimental study on filling technology of aeolian sand in mined-out area under expressway[J]. Geotechnical Engineering and Underground Engineering，2013，33(1)：57–59.

[12] SOFRA F，BOGER D V. Slope prediction for thickened tailings and paste[C]//8thinternational conference tailings and mine waste. Colorado：Colorado National University，2000：20–31.

[13] FITTON T. Tailings beach slope prediction[D]. RMIT University，2007.

[14] KWAK M. Flow behavior of tailing paste for surface disposal[J]. Mineral Processing，2005：201–227.

[15] JEWELL R J，F(xiàn)OURIE A B. Paste and thickened tailings：A Guide[M]. Perth：Australian Centre for Geomechanics，2002.

[16] 王曉東. 風(fēng)積砂質(zhì)高濃度膠凝充填材料性能與粉煤灰摻量關(guān)系分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2016，24(1)：78–86. WANG Xiaodong. Relationship between engineeringer formance and mix proportion of fly ash for cemented and high concentration backfill material with wind-blown sand as aggregate[J]. Journal of Engineering Geology，2016，24(1)：78–86.

[17] 王曉東. 風(fēng)積沙質(zhì)膠結(jié)充填材料性能對(duì)水固比響應(yīng)分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(6)：106–112. WANG Xiaodong. Influence of the performance of aeolian erinaceous cemented filling materials on response of water-solid ratio[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：106–112.

[18] 朱世彬，王曉東，許剛剛，等. 煤礦采空區(qū)充填高濃度膠結(jié)材料流變特性試驗(yàn)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(11)：69–73. ZHU Shibin，WANG Xiaodong，XU Ganggang，et al. Experimental study on rheological properties of high concentration cementing materials in coal mine goaf filling[J]. Coal Science and Technology，2017，45(11)：69–73.

[19] ADDIS P C，CUNNINGHAM E J. Comparison of beaching slopes from two centrally discharging tailings storage facilities[C]//C. Loan. I.M. Artbuthout. Proceedings of the 13thinternational seminar on paste and thickened tailings. Canada，2010：255–264.

[20] 習(xí)泳，楊盛凱，尹升華. 膏體自流坡度經(jīng)驗(yàn)公式的檢驗(yàn)與回歸[J]. 中國(guó)礦山工程，2013，42(1)：19–22. XI Yong，YANG Shengkai，YIN Shenghua. Verification and regression of empirical formula of paste gravity slope[J]. China Mine Engineering，2013，42(1)：19–22.

Stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material

BAI Zhongrong

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Stacking angle is an important parameter to describe the spatial accumulation pattern of filling material in the goaf. It has important guiding significance for determining the drilling distance, optimizing the slurry configuration and adjusting the grouting process parameters. In order to grasp the variation law of stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material, using self-flow stacking model experiment of tailings and rheological properties experiment, the mixing ratio of aeolian sand was taken as a variable to determine the slurry accumulation parameters and rheological parameters on different conditions of sand ratio. Based on this, Sofra & Boger formula was modified and the accumulation angle calculation formula suitable for slurry-aeolian sand dual-phase media filling material was established, which provided a new way for the quantitative evaluation of filling material stacking angle.

goaf; stacking angle; aeolian sand; model experiment; rheological properties

TD265.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.004

1001-1986(2020)03-0024-05

2019-01-16；

2019-04-29

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015XAYZD16)

Science and Technology InnovationFund Project of Xi’an Research Institute of CCTEG(2015XAYZD16)

白仲榮，1989年生，男，甘肅平川人，碩士，工程師，從事礦山地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究和服務(wù)工作. E-mail：baizhongrong@cctegxian.com

白仲榮. 漿液–風(fēng)積沙雙相介質(zhì)充填材料堆積角度實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：24–28.

BAI Zhongrong. Stacking angle of slurry-aeolian sand dual-phase medium filling material[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：24–28.

(責(zé)任編輯 周建軍)