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全尾砂干堆充填体自然堆积角试验及失稳机制研究

姜福川  
【摘要】:随着矿业资源的日益枯竭,对矿产资源进行安全高效、充分回收开采并降低开采成本是资源开发利用中应着力解决的重点问题。尾矿地表堆存的大规模应用以及充填设备的快速发展促进了全尾砂干堆充填的发展,在干堆充填采矿技术中,全尾砂充填体自然堆积角的大小以及稳定性对于能否实现高效连续采矿至关重要。本文对全尾砂干堆充填体自然堆积角开展试验研究,主要研究内容如下:(1)分析散体材料的基本结构特征,测定了全尾砂的基本物理性质、颗粒级配、渗透系数、矿物成分等参数。(2)通过室内直剪试验,以浓度(83%、85%、87%、89%、91%)、水泥掺量(0%、3%、5%、7%、9%)两个参数为影响因素,开展全尾砂干堆充填体流动特性、抗剪强度影响因素试验。结果发现:随着干堆充填体浓度的升高,粘聚力先增大后减小,内摩擦角先增大后趋于平缓;随着水泥掺量的增多,粘聚力增幅较大,内摩擦角变化较小。通过干堆充填体剪应力—剪切位移曲线,构建了全尾砂干堆充填体抗剪强度机制模型,揭示了全尾砂干堆充填体黏着摩擦强度机制。(3)开展了全尾砂干堆充填体自然堆积角、坍落度试验,得到了不同浓度、水泥掺量条件下干堆充填体自然堆积角、坍落度的变化规律。结果发现:随着浓度提高,自然堆积角先减小后增大;随着水泥掺量提高,自然堆积角整体呈下降趋势,下降幅度较小;坍落度正好与自然堆积角试验结果相对应。研究了充填到采空区内干堆充填体沉降、压实过程中颗粒的相对移动,发现充填过程中颗粒的运动状态主要取决于持续下滑的充填料与充填体坡表形成的界面的性质,并且干堆充填体内的颗粒处于一种周期性运动状态,干堆充填体孔隙逐渐被填充、稳定性增强,能够保持一定的自然堆积角而不坍塌。(4)进行了全尾砂干堆充填体边坡变形以及破坏的室内模拟试验,分析了充填体边坡坡面曲线的变化特征,研究了颗粒牵引式和推动式的运动特征。针对干堆充填体边坡上颗粒的运动形式进行理论计算,推导了充填体边坡上颗粒滑动和滚动的起动条件。结果发现:颗粒的滚动主要取决于其受到外力的大小,颗粒间的内摩擦角和散体边坡与水平面夹角的大小对颗粒的抗滑系数有较大影响。在试验和理论推导的基础上,提出了干堆充填体边坡坍滑、滑移、剪出的破坏机制,干堆充填体边坡的破坏是内因、外因共同作用的结果,内因维持系统的整体性,外因起触发作用,共同决定全尾砂干堆充填体的稳定性。


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