新桥硫铁矿磷石膏分层胶结充填技术可靠性研究硕士学位论文.doc

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1、分类号分类号- 密级密级- UDC- 编号编号- CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕士学位论文硕士学位论文 论论 文文 题题 目目 新新桥桥硫硫铁矿铁矿磷石膏分磷石膏分层层胶胶结结 充填技充填技术术可靠性研究可靠性研究 学学科科、 、专专业业 安安 全全 管管 理理 工工 程程 分类号分类号- 密级密级- UDC- 编号编号- 硕士学位论文 新桥硫铁矿磷石膏分层胶结充填技术可靠性研究新桥硫铁矿磷石膏分层胶结充填技术可靠性研究 Reliability of Cemented Phosphgypsum Backfilling in Xinqiao Pyrite Mine 论文答辩

2、日期： 答辩委员会主席： 原创性声明原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已经在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 日期： 年 月 日 关于学位论文使用授权说明关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其

3、它手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 中南大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 为解决新桥硫铁矿充填骨料来源不足的难题，利用铜陵化工集团公司六国 公司固体废料磷石膏进行了磷石膏分层胶结充填关键技术研究，并对该技术的 可靠性进行了科学评价。 第一，在磷石膏物理力学性质和化学成分测定分析的基础上，对磷石膏用 作充填骨料的可行性进行了评价，评价分析和探索性试验均表明，陈旧磷石膏 是较好的充填骨料，但新排放磷石膏由于残留磷较高，且采装、运输困难，不 宜采用。 第二，通过大量室内配比试验，得出了磷石膏分层胶结充填的最佳配比参 数

4、，即矿柱回采时水泥：粉煤灰：旧膏=1:1:8 或 1:2:6（质量比） ，质量浓度=57%； 第二步矿房回采时水泥：旧膏=1:20（质量比） ，质量浓度=57%；分层胶面充填 采用江砂、旧膏混合骨料，配比参数为：水泥：粉煤灰：（旧膏+江砂） =1:1:6（质量比） ，其中江砂：旧膏=2:3，质量浓度=65%。 第三，测定了推荐配比充填料浆的流动参数，结果表明推荐配比充填料浆 具有良好的流动性能，完全满足管道自流输送要求。 第四，在对水泥、粉煤灰、磷石膏胶结充填体微观结构电镜扫描的基础上， 分析了磷石膏胶结充填作用机理。 第五，为适应磷石膏胶结充填需要，对新桥硫铁矿当前充填系统提出了改 造方案。

5、 第六，通过定性分析和水力计算，对磷石膏胶结充填技术的可靠性进行了 评价，认为磷石膏胶结充填技术满足环保要求，充填制备系统运行可靠，搅拌 均匀，管道输送能力满足生产要求，浆体流动平稳、可靠。 第七，对磷石膏胶结充填进行了效益分析，磷石膏胶结充填综合材料成本 33.5 元m-3，比当前矿山使用的江砂胶结充填材料成本（54.85 元m-3）降低 38.9%。 磷石膏分层胶结充填是一项创新性的矿山充填技术，研究成果不仅可以彻 底解决新桥矿充填骨料来源有限、充填质量偏低的技术难题，而且为固体废料 磷石膏提供一条新的处理途径，经济效益、环境效益和社会效益显著。 关键词：关键词：磷石膏分层胶结充填，充填材

6、料，充填机理，可靠性 中南大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT It is the best way to introduce cemented phosphgypsum backfill technology in Xinqiao Pyrite Mine(XPM), Anhui province, in order to overcome backfill aggregate shortage face to the mine and to treat solid waste of phosphgypsum produced in Liuguo Branch of To

7、ngling Chemical Industry Group Co., Ltd. Key techniques related to cemented phosphgypsum backfill were studied and reliability of the technology was evaluated in this paper. Firstly, feasibility using phosphgypsum as backfill aggregate was evaluated based on measurement of physical and mechnical fat

8、ures and chemical component of phosphgypsum. Both feasiblity study and trial experiment result indicate that old phosphgypsum is a kind of qualified backfill aggregate but newly produced phosphgypsum is not suitable for backfill due to great phosphorus content and difficult supply process. Secondly,

9、 following optimal proportion of various backfill materials was suggested by large amount of laborarorial experiment: (1)mass ratio of cement to fly ash to old phosphgypsum and mass fraction of backfill slurry are 1:1:8 or 1:2:6 and 57% for first-step pillar backfill, 1:0:20 and 57% for second-step

10、room backfill, respectively, and (2) mass ratio of cement to fly ash to old phosphgypsum and sand is 1:1:6, in which ratio of old phosphgypsum to sand is 3:2, and mass fraction of backfill slurry is 65% for surface of layer backfill. Thirdly, flow featue measurement of backfill slurry means that bac

11、kfill slurry with suggested ratio could be transported by gravity in pipeline smoothly. Fourthly mechanism of cementd phosphgypsum backfill was clarified by scan observation of electron microcope to microstructure of cemented phosphgypsum backfill body. Fifthly, improving schem of present cemented s

12、and backfill system employed in CMC was proposed for the usage of cemented phosphgypsum backfill technology. Sixthly, reliability of cemented phosphgypsum backfill technology was studied on the basis of qualitative analysis and hydraulic calculation. It is proved that the technology can meet environ

13、mental protection demand, backfill slurry can be even mixted and manufactured smoothly, backfill slurry can be transported reliably, and backfill capacity is enough. Finaly, it is computed that direct cost of backfill materials for cemented 中南大学硕士学位论文 ABSTRACT III phosphgypsum backfill is 33.5 Chine

14、se Yuan per cublic meter, 38.9 percent lower than that for cemented san backfill (54.85 Chinese Yuan per cublic meter). Cemnted phosphgypsum layer backfill is seldom used on overboard and domestic mines. Researching works carried out in this paper have obvious economical, enviormental and social ben

15、efit, because the technology can not only solve such difficultied as backfill aggregate shortage and poor backfill quality in XPM, but also supply a new way to treat solid waste of phosphgypsum in large scale. Key words：cemented phosphgypsum backfill, material of backfill, mechanism of backfill, rel

16、iability 中南大学硕士学位论文 目录 IV 目 录 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY.1 摘摘 要要I ABSTRACT.II 目目 录录.IV 第一章第一章 绪绪 论论1 1.1 研究背景.1 1.2 国内外研究现状及进展.3 1.2.1 充填工艺及材料技术研究.3 1.2.2 基本水力输送参数研究.5 1.2.3 充填体力学性能（作用机理）研究.5 1.2.4 充填系统可靠性研究.7 1.2.5 磷石膏综合利用现状.9 1.3 主要研究内容及方法.12 第二章第二章 磷石膏分层胶结充填关键技术参数研究磷石膏分层胶结充填关键技术参数研究14 2.1 磷石膏作为充填骨料

17、的物化性能分析.14 2.1.1 充填料选择.14 2.1.2 主要充填料物化性能测定.14 2.1.3 充填料充填性能初步评价.16 2.2 新、旧磷石膏胶结充填探索性试验.17 2.2.1 充填材料配比选择原则.17 2.2.2 室内配比试验方法.18 2.3 旧膏胶结充填配比及流动特性试验.20 2.3.1 强度试验安排.20 2.3.2 强度试验结果及分析.21 2.3.3 推荐配比充填浆体流动特性试验.24 2.4 新膏胶结充填配比试验.26 2.4.1 新膏预处理方法.26 2.4.2 石灰添加量确定.26 2.4.3 处理后新膏胶结充填配比试验.26 2.5 本章小结.27 第三

18、章第三章 磷石膏胶结充填作用机理研究磷石膏胶结充填作用机理研究28 3.1 磷石膏的胶凝特性.28 3.2 粉煤灰、普通水泥的矿物组成及结构.29 3.2.1 粉煤灰在充填体中的作用.29 3.2.2 粉煤灰的矿物组成及结构.29 3.2.3 普通水泥的矿物组成及结构.30 3.3 粉煤灰与普通水泥水化反应能力的热力学判断.30 3.4 粉煤灰、水泥的水化反应机理.32 中南大学硕士学位论文 目录 V 3.4.1 单矿物水化.32 3.4.2 多矿物的化合反应.33 3.4.3 活性矿物的水化速度.33 3.4.4 粉煤灰在水泥砂浆中的水化反应过程模型.34 3.5 粉煤灰、水泥、磷石膏胶结作

19、用机理.35 3.5.1 浆体结构的形成过程.35 3.5.2 浆体结构的特性.36 3.5.3 粉煤灰、普通水泥、磷石膏胶结硬化体的微观结构.37 3.5.4 硬化体的孔结构.39 3.5.5 硬化体中的水及其转移规律.40 3.5.6 粉煤灰、普通水泥、磷石膏胶结体的水化反应机理.41 3.5.7 新、旧磷石膏胶结性能的差异.43 3.5.8 江砂、旧磷石膏混合骨料胶结性能.44 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -1- 第一章 绪 论 1.1 研究背景 现代文明有三大支柱，即能源、材料和信息，而矿产资源则构成了能源和 材料两大支柱的主体。矿产资源的勘探、开发和利用是国民经济重要基础产业

20、 之一。据统计，我国 92%以上的一次能源、80%的工业原材料、70%以上的农 业生产资料都来自于矿产资源。 我国矿产资源开发经过 50 多年的发展，已经形成了较完整的工业体系，奠 定了雄厚的物质基础，相关的学科得到很大的发展。我国已成为矿产资源生产 和消费主要国家之一，自 2002 年起我国 10 种有色金属产量突破 1000 万 t，成 为世界有色金属第一生产大国；主要有色金属的消耗在世界上名列前茅，如 2002 年中国铜、锌、锡消耗量分别为 268 万 t、168 万 t 和 47 万 t，以 18%、19%和 17%的占有率具世界第一位；铅金属消耗量 92 万 t，仅次于美国具世界第二

21、位 （占世界总消耗量的 13%）1。钢铁产量早已突破 3 亿 t，位居世界第一，煤炭 储量及产量也居世界首位。矿产资源已经成为支持国民经济发展的重要物质基 础。随着我国国民经济的持续稳定快速发展，以及全球制造业向我国的进一步 集中，对矿产资源的需求还将快速增长。 与我国巨大的消费潜力相比，大多数矿产资源，尤其是金属的供应远远不 能满足国民经济快速增长的要求。如我国 2002 年铜自给率（国内铜矿山产量与 回收量之和与消费量的比率）仅为 33%2。供应的短缺固然与消费的过快增长 有关，但更多的原因在于探明储量十分有限及综合回收率偏低。我国除有限的 几种资源（如稀土、锡、钨等）在世界上占有绝对优势

22、外，大部分金属的探明 储量都偏低，根据 Mineral commodity summaries 2003 提供的数据，中国铜、钴、 镍探明储量占世界总储量的比例仅为 5%、3%和 6%。另一方面，由于多年的强 化开采，众多的老矿业基地资源相继消耗殆尽。据统计，近 15 年来我国原有的 190 座大型有色金属矿山已有 62%闭坑停产。根据保有储量和生产能力估算， 到 2010 年，196 座国有铜矿山、195 座国有铅锌矿山、106 座国有钨矿山、85 座国有锡矿山和 38 座国有锑矿山中将分别有 89、82、55、47 和 16 座关闭，分 别占矿山总数的 45%、42%、52%、55%和 4

23、2%。2001 年 6 月中国地质调查局 危机矿山资源潜力调查与评价的预测结果显示：至 2020 年，仅有不足 20% 的矿山能维持生产，全国有色金属矿山矿石产量每年将减少 68170kt，采矿能力 每年下降 82720kt，选矿能力每年丧失 76530kt，工业产值每年减少 68.3791 亿 元，企业利润税每年减少 9 亿多元，将有 14 万多人下岗或失业。按照 2001 年 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -2- 全国矿业生产总值比例计算，将损失 1.96%的 GDP，加上与矿产品关联的下游 产业产值，GDP 约减少 12%左右。因此，资源的短缺已成为我国国民经济可持 续发展的瓶颈。

24、 解决资源短缺，除了加大勘探力度，提高资源保有量外，应采用先进的采 矿方法和采矿设备，提高资源的综合回收率。 充填采矿方法，尤其是上向水平分层充填法，是提高资源回收率的重要途 径。由于充填法能够确保“三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护 地下、地表环境，特别是近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备 和技术的不断进步，在有色金属矿山和贵重金属矿山得到了广泛应用。 铜陵化工集团新桥矿业有限公司（以下简称新桥矿）是一个以铜硫为主的 大型露天地下联合开采矿山。由于矿山水文地质条件复杂，地表需要保护，地 下采矿方法为两步骤充填采矿法。采场划分为矿房和矿柱，先采矿柱，胶结充 填形成人工矿柱

25、，然后在人工矿柱保护下，回采相邻的矿房。因此，胶结充填 质量是关系第二步矿房回采安全的最关键因素之一，而胶结充填成本也是关系 矿山经济效益的重要技术经济指标。但矿山现有充填材料和充填工艺存在如下 主要技术难题需要技术攻关来加以解决： 1）新桥矿目前使用的充填工艺为卧式砂仓江砂胶结充填，由于江砂级配组 成不合理，充填时水泥离析严重，成本较高，充填体强度偏低。更重要的是由 于长江取砂受到严格限制，江砂供应比较困难，来源得不到保证。为解决充填 骨料来源问题，新桥矿虽然先后试验采用过块石和凤凰山尾矿，但由于受供料、 工艺等限制，未能进行大规模工业应用，充填材料来源仍未得到彻底解决。 2）由于江砂胶结充

26、填质量浓度偏低（质量浓度 60%左右，体积浓度更低） 、 水泥流失、分层现象严重，致使第一步人工矿柱质量不高，完整性及充填接顶 程度差，不能起到充分保证第二步矿房回采安全的作用。根据生产过程中矿房 回采时揭露的充填体情况看，充填体许多部位根本未能固结，一经揭露即行垮 落。为保证第二步矿房回采安全，不得不留设矿石护壁，造成资源的大量浪费。 另一方面，铜陵化工集团公司六国公司有大量的工业固体废料磷石膏堆放地面， 而且每年有 140150 万 t 左右的新增磷石膏产出，磷石膏地面堆放不仅占用大 量宝贵的土地资源，而且造成环境和地下水污染。为解决磷石膏出路，六国公 司开展了磷石膏综合利用技术攻关，虽然

27、取得了一定的成绩，磷石膏综合利用 率处于国内领先地位，但综合利用率也仅达到 6070%，离“十一五”末期， 磷石膏产出与处理达到平衡的目标仍有相当的差距。 如果能将六国公司产出的磷石膏作为充填骨料，代替江砂充入新桥矿井下 采场，不仅可以彻底解决新桥矿充填骨料来源有限、充填质量偏低的技术难题， 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -3- 而且为磷铵厂固体废料磷石膏提供一条新的处理途径，经济效益、环境效益和 社会效益显著。磷石膏胶结充填技术仅在开阳磷矿嗣后胶结充填中使用，而磷 石膏似膏体分层胶结充填技术尚未见成功的报导，而且六国公司磷石膏中残留 磷含量明显高于开阳磷矿，对胶结体的不利影响不容忽视，

28、因此，研究工作具 有一定的创新性。 本论文通过大量室内试验，确定了磷石膏分层胶结充填的最佳配比参数， 揭示了磷石膏胶结充填作用机理，提出了新桥硫铁矿磷石膏胶结充填工艺流程 方案，通过详细水力计算，对新桥硫铁矿磷石膏分层胶结充填技术可靠性进行 了科学评价。本研究成果不仅从根本上解决了新桥矿充填材料与充填工艺存在 的技术难题，而且对推进我国充填技术进步和磷石膏综合利用水平具有重要意 义。 1.2 国内外研究现状及进展 充填技术国内外的研究目前主要集中在四个方面，即充填工艺研究、充填 材料研究、浆体输送动力学研究及充填体的力学特性研究。在充填工艺研究方 面，对膏体充填工艺的研究较多；充填材料研究方面

29、则以全尾砂类细骨料、粉 煤灰、钢渣、化学石膏、赤泥等工业废弃物的再利用为主；在输送动力学方面 以对浆体的流型、流变特性的深入研究及输送临界流速、水力坡度、不同流速 条件下的管道安全为主；对充填体的研究以充填体的破坏特征，对岩层的支护 作用机理及不同采矿条件下的合理要求强度为主3-5。这些研究对促进充填技术 进步和安全回收资源起到了重要作用，扩大了充填法在金属、非金属乃至煤炭 矿山的应用范围。 1.2.1 充填工艺及材料技术研究 我国矿山充填工艺随着众多科研院所和矿山企业的应用研究，在宏观领域 己趋于成熟，而管道输送技术在成为国内外矿山企业充填主要工艺的同时，其 工艺和输送材料也变得多样化和个性

30、化。在工艺上有泵压输送和自流输送；在 管道的材质上有无缝钢管、增强塑料管、聚氯乙烯塑料管、陶瓷复合管、铸铁 管等；在胶结材料方面有普通硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、赤泥混合水泥、大掺 量钢渣水泥、高水固化材料等；充填骨料有选厂尾砂、黄砂、河砂、江砂、棒 磨砂、戈壁集料、水淬炉渣等。 虽然充填工艺技术不断推陈出新，总体技术水平显著提高，但存在于管道 输送中的一些根本问题还没有得到彻底解决，并随着开采条件的恶化又暴露出 了新的技术难题。因此，国内外对充填工艺和技术都高度关注，我国八五 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -4- 十五规划中连续三次将充填技术列为重点科研攻关的内容，成为矿业的前沿研 究课题

31、。 在工艺方面，主要集中于高浓度充填工艺研究。出于对高浓度管道输送技 术的渴望，近年加强了高浓度浆体输送动力学研究。金川公司率先完成了大直 径环管试验，武山铜矿、南京铅锌银矿、会泽铅锌矿也相继进行了大直径环管 和 L 型管道试验4,6-8；在对两相流和结构流的判别上，金川公司在传统的坍落 度、浓度、雷诺数等判别方法的基础上，提出了分层度综合判别法，并得到了 不同级配、密度条件下膏体的输送浓度范围4；中国矿业大学孙恒虎教授和他 的课题组对似膏体的浆体流动和输送特性和流变方程进行了研究，提出了似膏 体充填的新概念9,10。同时，为了突破膏体输送设备投资高、流程复杂的技术瓶 颈，美国、澳大利亚和加拿

32、大的一些研究机构在简化膏体制备方面取得了进展， 如美国的埃姆科（Eimco）公司研制成了一整套制备和输送设备，并在美国蒙大 拿（Montana）斯太尔（Stillwater）矿建立了一套充填系统：加拿大英科 （Inco）公司和 GL&V 公司联合研制成工业膏体生产存贮设备，并在马卡沙 （Macassa）矿首先使用，我国的铜绿山矿也试验了较为简单的膏体充填系统。 在充填材料研究方面，主要有如下成果：中国矿业大学推出了全砂土固结 充填材料11；加拿大 Louvicourt 矿采用炼铁渣降低充填成本12，用 20%水泥和 80%炼铁渣组成复合胶结剂，胶结剂的加入量（质量分数）占膏体的 4.5%- 2

33、%，复合胶结剂与尾砂的胶结效果良好；芬兰澳托基普集团公司拥有 4 座矿山 13，均采用充填采矿法。充填过程中，炉渣的使用量占全部胶结料的 90%-100%， 用矿渣代替水泥具有技术与成本上的优势；Potgieter J H 和 Potgieter S S 14试验 得到，在尾砂和废石的混合充填工艺中，采用水泥和粉煤灰胶结剂，可提高充 填体强度，再在其中加入炉渣时，可显著提高充填体早期强度；粉煤灰具有活 性胶凝作用、充填致密作用、稳定益化作用和减水增强作用，能提高尾砂胶结 充填体强度15-17，是矿山节约水泥、降低充填成本的有效途径；Petrolito J 和 Anderson R M 研究了磷

34、石膏作胶结剂的可行性18，试验发现，锻烧的磷石膏有 胶凝特性，其强度高于水泥；Archibald J F19和 De Souza E 20研究了用城市废 玻璃作充填胶结剂的可行性，废玻璃磨细后，具有胶凝活性，可用于井下采场 充填，代替部分水泥，提高充填体强度。 另外，在采用外加剂或其它物理手段改善充填浆体性能方面，也有许多值 得推广的经验：金川有色金属公司对充填料浆进行了磁化水处理对比试验4， 试验结果表明，磁化水对尾砂胶结充填体强度有显著影响，早期强度提高 30% 以上，后期强度提高 15%以上；前苏联采用加入化学添加剂（早强剂、减水剂 等） 、重磨粘结料和振动捣实等方式提高充填体强度21；

35、Amaratunga L M 和 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -5- Yaschyshyn D N 用冷凝法使细尾砂形成球团22,23，在膏体尾砂料浆中加入冷凝 处理后的细尾砂球团，不仅可以增加细尾砂用量，而且能提高充填体强度和刚 度；Kumar S 用硅酸盐溶胶使细尾砂形成球团24，实现了大规模高效处理细尾 砂，充填于采场；Sprute RH25、Mkrtchian T21和 Chappell B26,27用电极安放于 采场，在充填过程中，将电极通入直流电，该过程能促进细颗粒尾砂快速沉降 和脱水，有利于提高细颗粒尾砂的利用率。 上述方法都在一定程度上改善了充填体的质量和充填安全。 1

36、.2.2 基本水力输送参数研究 浆体水力输送所涉及的核心水力学参数有浆体流型、临界流速和水力坡度， 是国内外水力输送研究的重点，主要研究成果有： 在国际上，主要依据 Euler28的场观点，导出了两相流的连续方程、能量方 程和运动方程。Askure29采用数值解法计算了水平管道沉降性浆体的浓度和速 度分布；Monji30采用 Euler-Lagrange 模型对水平管道内固液两相流进行了数值 模拟，计算了颗粒对水流速度断面和压力降的作用；Schwarzer 用数值法求解了 层流 N-S 方程和颗粒运动方程，发现颗粒的沉降速度随容积分数的变化规律。 在国内，近年来对于固液两相流的数值计算方法研究

37、也取得了很大进展。 孟令杰31依据双流体模型理论建立了煤水混合物管内流动模型；胡志伟、徐自 立32, 33等人采用单流体模型对弯管中的浆体流动情况进行了数值模拟，分析浆 体在弯管中的“二次流”现象以及固体颗粒对管道的磨损情况：刘天宝34采用 连续介质滑动模型对扩散管内的固液两相流速度分布和浓度分布进行了数值计 算；魏家进35推导出了适用于密相固液两相流的颗粒湍动能、耗散能、温度模 型，对竖直管中的密相固液两相流进行了数值计算；费祥俊对固液混合物的流 变特性、沉降特性及管道输送理论作了系统深入的研究。 1.2.3 充填体力学性能（作用机理）研究 充填采场属于人工支护的范畴，类似于采用锚杆、喷射混

38、凝土等人工措施 支护采场巷道，其目的在于维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力， 防止采场或巷道围岩的整体失稳或局部垮冒。对于充填体的支护作用，布雷迪 和布朗36认为有下列三种充填类型： 1）表面支护作用 通过对采场边界关键块体的位移施加运动约束，充填体可以防止在低应力 条件下开挖空间周边岩体时空间上的渐进破坏。 2）局部支护作用 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -6- 由邻近的采矿活动引起的采场帮壁岩体的准连续性刚体位移，使得充填体 发挥被动抗体的作用。作用在充填体与岩体交界面上的支护压力允许在采场周 边产生很高的局部应力梯度。实践已证明，即使小的表面荷载对摩擦型介质中 的屈服区范围

39、也可能产生重大的影响。 3）总体支护作用 如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构中可以起到一种总体支护构件 的作用。也就是说，在岩体与充填体交界面上采矿所诱导的位移将引起充填体 的变形，而这类变形又导致了整个矿山近场区域中应力状态的降低。 上述三种机理代表了充填体在矿山结构中不同的支护作用，即表面的、局 部的和总体支护。在任何情况下支护的工作方式都可假说既与岩体性质也与充 填体性质有关。 北京科技大学于学馥教授针对金川矿区所采用的充填材料与充填工艺，研 究提出充填体三种作用机理37： 1）应力转移与吸收 充填体进入空区，最初是不受力的，以后随着充填体强度的提高，具备了 吸收应力和转移应力的能力

40、。从而也形成了地层“大家族”的成员，参与地层 的自组织系统和活动。 2）应力隔离机理 充填体对围岩稳定的应力隔离作用有两种情况：一种是隔离水平应力；另 一种是隔离垂直应力。 3）系统的共同作用 充填体充入地下采场后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用， 特别是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到控制，围岩能量耗散速度得以 减缓，从而可以有效控制矿山结构和围岩破坏的发展，防止发生无阻挡的自由 破坏塌落。 该作用机理提出了充填可减缓围岩能量耗散速度，而围岩系统的能量耗散 的速度决定系统稳定性的观点。 Kirsten, H.A.D.和 Stacey, T.R.研究指出38：充填在维护采场稳定的

41、作用方 式是多种形式的，因此，支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作 中充填体的稳定效果。尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的，但其积累 起的作用可大大的影响采场覆岩的稳定性，充填体的充填功能主要包括： 1）保持顶板岩层的完整性 顶板岩层因断层、节理和裂隙被切割成结构体。由于采场形成的临空面， 使得某些结构体具有滑移或冒落的可能。这些潜在冒落的拱顶岩块称之为“拱 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -7- 顶石” 。充填体的重要作用之一是在拱顶石和采场之间提供一种连接39，延缓并 最终阻止拱顶石移动的任何趋势，从而提高顶板围岩的自身承载能力。在不充 填的状况下，可能松动的拱顶石将从顶

42、板自由冒落，从而引起连锁的冒落和塌 落而最终导致整个采场失稳。 2）减轻地震波的危害 充填将在地震条件下提供最有意义的连接功能。在没有充填物的情况下， 岩爆引起的压缩冲击波将在顶板和底板岩石表面处反射，产生拉力且趋于将孤 立的顶板（或底板） “切断” 。充填后与岩石接触的充填料，使冲击波仅在岩石 与充填体界面处部分反射，降低了“切断”作用。在动态短时荷载条件下，松 软充填体还可以起到硬质充填料的作用。 3）作为节理与裂隙中的填充物 充填时，细料将进入上下盘围岩中的裂隙和节理中，起到粘结作用。此外， 充填料与岩石之间的接触还能防止在工作面推进时岩层遭受曲率逆转期间节理 中出现的任何原生细料跑出，

43、促使节理和裂隙闭合，限制拱顶石的松动，提高 顶板围岩的稳定性。 1.2.4 充填系统可靠性研究 充填系统由很多子系统组成，子系统之间相互影响，并且这些子系统都处 于比较复杂的运行环境之下，受到许多随机事件的影响，如操作失误、磨蚀破 坏、参数失控、料浆泄漏、材料变质等。这些事件的发生导致充填子系统在生 产过程中存在很大的不确定性，研究充填子系统在运行过程中的不确定性有助 于更好地分析深井充填系统的不稳定性，找出充填系统失效的因素。失效模式 与影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，简记为 FMEA）方法是研究充 填系统的主要失效模式，查找充填系统最为薄弱环节

44、的重要手段。 充填系统的可靠性取决于充填系统各主要组成环节（充填料浆制备系统、 管道输送系统）的可靠性程度。充填料浆制备系统可靠性评价主要侧重于充填 物料（固料、胶凝材料、水、外加剂）储存和供料设施的能力和运行平稳性， 以及控制系统的自动化程度，其主要研究手段是系统生产能力计算和系统运行 可靠性定性评价；管道输送系统可靠性评价主要侧重于充填料浆在垂直和水平 管道中的悬浮性能以防止堵管事故的发生、充填能力和最大输送距离以保证充 填系统满足矿山生产能力要求，其主要研究手段是水力计算，包括： 1）浆体流态和流型的研究 固液组成的料浆（两相流和结构流）的流变特性研究成果较多，目前普遍 认为，现有的充填

45、料浆属于非牛顿流体，适合于宾汉姆（Binham）塑性体模型， 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 -8- 其流变方程为： （1-1）() v b y d d 式中：剪切应力； 屈服应力； b 刚度系数； 切变率。 v y d d 管道输送的固液混合态流型分类比单相流要复杂得多，迄今尚无统一的结 论。NeWitt40是较早进行流型研究的学者，通过试验，将两相流分为均质流、 非均质流、推移层流动和沉积层流动四类；Turian41也以较多的试验观察数据 为基础，定义了流型准数，提出了相似的流型分布，分为有沉积层的流动区、 跃移质区、非均质流动区和均质流动区；Wsap42则从实际工程实际出发，提出 用

46、管道断面的垂向浓度分布作为一定量指标，即以距离管顶 0.08D 和 0.92D 处 的取样浓度 C 和管道中心取样浓度的比值 CA 的比值作为判据，提出当 C/CA 0.8 时，属于均质流，C/CA0.1 时，属于非均质流；我国学者费祥俊49在此基 础上，将 C/CA=0.1-0.8 之间的流型定义为非均质一均质复合流，并在实际工程 实例中将细粒物料的高浓度浆体流型视为伪均质流。但在我国的许多矿山实际 水力计算经验公式的推导中，仍按非均质流处理。 2）临界流速研究与计算 由于浆体输送的复杂性，到目前为止，包括临界流速的定义和计算公式在 内，还没有达到共识。Thomas43等认为临界流速是固体颗

47、粒在管道底部出现不 动的或开始滑动时的流速，也即最小输送流速；Durand44则认为固体颗粒在管 道底部开始出现淤积时的流速为临界流速，采用不淤流速来表示；Graf45等人 将固体颗粒从悬浮状态沉淀下来并形成固定底床时浆体的流速定义为临界流速， 采用淤积流速来表示；还有研究者把输送时压力损失最小时的流速称为临界流 速；我国学者多以固体颗粒开始沉淀时的流速作为临界流速46。由于对临界流 速认识上的分歧和试验手段、条件、材料的不同，出现了大量计算临界流速的 经验公式，虽然这些公式都来源于实验，但都有一定的局限性，因此在进行水 力计算时，所选公式不同，结果有时相差很大。 3）水力坡度计算 水力坡度主要用于确定管道输送的沿程阻力，水力坡度的研究现状类似于 临界流速，在国际上，Duran、Newitt、Jufin、Wasp 等都进行了相关研究并得 出了经验计算公式；国内中国矿业大学、北京科技大学、东北大学、清华大学、 中南大学硕士学位论文 第一章