低溫對膠結(jié)充填體特性影響的數(shù)值模擬研究

曹俊 戈凱 李洪彥 陳金剛

西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，中國·西藏 拉薩 850200

1 引言

西藏甲瑪銅多金屬礦是中國較為典型的高海拔低溫礦井，其井下溫度年均3～4 個月處于10℃以下，局部中段5℃以下[1-2]。該礦山部分采用充填采礦法進(jìn)行開采，生產(chǎn)過程中由于環(huán)境溫度較低，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期條件下的全尾砂膠結(jié)充填體試件強(qiáng)度相對較小[3]。為保障充填體實際強(qiáng)度達(dá)到其需求強(qiáng)度，論文采用數(shù)值模擬的手段揭示低溫環(huán)境對充填體特性的影響規(guī)律，為充填體強(qiáng)度設(shè)計提供參考和依據(jù)。

2 模型建立及模型方案

2.1 模型建立

采用數(shù)值模擬軟件內(nèi)置的模塊，建立充填體試件幾何模型（0.3×0.3×0.3m）及其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 膠結(jié)充填體試件模型

2.2 邊界條件

為了盡量確保與充填體在井下所處的實際環(huán)境相接近，幾何模型除了頂部為自由條件外，其余五個面均為固定約束條件。充填體試件模型其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 充填體試件模型參數(shù)設(shè)置

2.3 模擬方案

充填體的強(qiáng)度主要來源于水化反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物聚集，而充填體的水化反應(yīng)又受周圍環(huán)境溫度的影響，對于高海拔地區(qū)的充填體來說，其所處的環(huán)境溫度較低（如部分礦井采場溫度最低可達(dá)到11℃），較低的環(huán)境溫度通過影響充填體內(nèi)部水化反應(yīng)過程，來間接影響充填體特性。以下將通過對比四組環(huán)境溫度（10℃、15℃、20℃和25℃）下充填體的溫濕度演化、溫濕度分布、強(qiáng)度演化和最大膨脹變形值演化來研究低環(huán)境溫度對充填體特性的影響。

3 充填體特性參數(shù)演化規(guī)律

3.1 濕度特性演化規(guī)律

圖2顯示了低環(huán)境溫度對充填體內(nèi)部相對濕度演化的影響，由圖2可知當(dāng)充填體所處的環(huán)境溫度由25℃逐步降低到10℃時，充填體中心部位的相對濕度也逐步推遲進(jìn)入“急速下降階段”，且最終達(dá)到穩(wěn)定時的相對濕度也逐漸升高。這是由于較低的環(huán)境溫度減緩了充填體內(nèi)部水化反應(yīng)的進(jìn)行，充填體中的水化反應(yīng)耗水速率也因此降低。

圖2 低環(huán)境溫度對充填體內(nèi)部相對濕度演化的影響

為了進(jìn)一步揭示充填體在低溫度環(huán)境下濕度的分布規(guī)律，現(xiàn)對不同環(huán)境溫度（10℃和25℃）下的膠結(jié)充填體部分時刻的濕度分布進(jìn)行對比分析（如圖3和圖4所示）。

圖3 低溫對充填體內(nèi)相對濕度分布演化規(guī)律（10℃）

圖4 低溫對充填體內(nèi)相對濕度分布演化規(guī)律（25℃）

從如圖3和圖4可知：與較低環(huán)境溫度（10℃）下的充填體濕度分布，如圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）相比，充填體在25℃的環(huán)境溫度下，各個時刻的濕度分布也與前者的類似，即充填體中心處的濕度最高，其次是四周和底面的濕度，最后是頂部的濕度，不同的是，后者各個時刻的濕度值要低于前者，這主要是因為更高的環(huán)境溫度有利于促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，充填體內(nèi)部的濕度因此下降更快，濕度值更低。

3.2 溫度特性演化規(guī)律

圖5顯示了低環(huán)境溫度對充填體內(nèi)部溫度演化的影響，由圖5可知隨著環(huán)境溫度的降低，充填體內(nèi)部溫度演化的峰值也隨之降低，這是因為充填體內(nèi)部溫度升高是水化反應(yīng)產(chǎn)熱的結(jié)果，較低的環(huán)境溫度不利于充填體內(nèi)部水化放熱反應(yīng)的進(jìn)行。同時，環(huán)境溫度越低，充填體對外散失的熱量也就越多，充填體能達(dá)到的峰值也就越低。

圖5 低環(huán)境溫度對充填體內(nèi)部溫度演化的影響

為了進(jìn)一步揭示充填體在低溫度環(huán)境下溫度的分布規(guī)律，現(xiàn)對環(huán)境溫度分別為10℃（如圖6所示）和25℃（如圖7所示）的充填體部分時刻的溫度分布情況進(jìn)行對比分析。

圖6 低溫對充填體內(nèi)溫度分布演化規(guī)律（10℃）

圖7 低溫對充填體內(nèi)溫度分布演化規(guī)律（25℃）

從圖6和圖7可知：與較低環(huán)境溫度（10℃）下的充填體溫度分布相比，充填體在25℃的環(huán)境溫度下，1d 時的溫度分布與前者的相反，即充填體中心處的溫度最低，其次是頂部的溫度，最后是四周和底面的溫度，這主要是因為周圍環(huán)境溫度高于充填體初始溫度，兩者之間存在熱交換，且“圍巖”熱傳導(dǎo)效果比空氣對流傳熱效果更明顯。充填體在25℃的環(huán)境溫度下，各個時刻的溫度值要高于在10℃的環(huán)境溫度下各個時刻的溫度值，這主要是因為更高的環(huán)境溫度有利于促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，充填體內(nèi)部因此積累了更多的熱量，溫度值也更高。

3.3 力學(xué)特性演化規(guī)律

圖8顯示了低環(huán)境溫度對充填體強(qiáng)度和最大膨脹變形的影響，從圖8（a）可知當(dāng)充填體所處的環(huán)境溫度由25℃逐步降低到10℃時，無論是在哪個齡期，充填體的強(qiáng)度都發(fā)生下降。這是因為較低的環(huán)境溫度不利于充填體內(nèi)部水化反應(yīng)的進(jìn)行，充填體的環(huán)境溫度越低，內(nèi)部產(chǎn)生的水化反應(yīng)產(chǎn)物越少，這也就越不利于充填體強(qiáng)度的形成。因此，在實際充填過程中，需要注意低環(huán)境溫度對充填體強(qiáng)度的不利影響。

由于充填體在受到重力作用和濕度梯度應(yīng)力作用時也會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，研究環(huán)境溫度對充填體最大膨脹變形的影響時，需要排除重力變形和濕度變形的影響，此條件下的模擬結(jié)果如圖8（b）所示。由圖8（b）中可知：充填體的環(huán)境溫度越低，其內(nèi)部的最大膨脹變形增幅越小，這有利于充填體保持穩(wěn)定。充填體的最大膨脹變形變化趨勢與其內(nèi)部溫度變化趨勢相類似。在初期，水化反應(yīng)產(chǎn)生了大量熱量，導(dǎo)致充填體溫度上升，并且由于此時充填體處于塑性狀態(tài)，熱量對變形的影響明顯；在后期，充填體的溫度逐漸穩(wěn)定到環(huán)境溫度，充填體的最大膨脹變形也逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖8 低溫對充填體力學(xué)特性的影響

4 結(jié)論

①充填體內(nèi)部材料的水化反應(yīng)速率和強(qiáng)度均受溫度影響，其具體表現(xiàn)為充填體試件水化反應(yīng)過程中的內(nèi)部溫度峰值及強(qiáng)度峰值都隨著環(huán)境溫度的降低而減小。

②充填體所處的環(huán)境溫度越低，其內(nèi)部的最大膨脹變形增幅越小，且充填體的最大膨脹變形變化趨勢與其內(nèi)部溫度變化趨勢相類似，即都經(jīng)歷了從初期的快速增長到中期的平穩(wěn)下降以及最后穩(wěn)定到固定值的過程；充填體在由溫度變化引起變形的同時，也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。