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2023年  第30卷  第8期

膏体充填前沿与进展专刊

客座主编:尹升华, 齐冲冲, Erol Yilmaz, 曹帅, 陈秋松

封面故事矿产资源作为人类生存和发展的重要保障,随着人类对矿产资源的不断利用,产生了大量的尾矿和矿渣。但随着固体废物资源化利用、可持续发展等绿色理念的深入推广,在尾矿中添加添加剂作为充填材料,既可以提高资源利用效率,防止地表塌陷,又可以减少固体废物向地表排放,是充分利用尾矿资源,实现省地节能、环保、废物利用的有效途径。在碳中和背景下,迫切需要创新、智能化的方法来推动尾矿充填材料、地下工程尾矿充填、矿山采空区应用等新技术的发展。然而,先进能源的发展在很大程度上依赖于材料创新的进步。因此,开发高性能的绿色尾矿充填材料已成为化学、物理、材料科学等研究领域的中心课题,以促进这些有前景的应用。在这里,我们推出了膏体充填前沿和进展专刊,专刊共收录论文15篇,其中研究论文11篇,综述论文4篇。专刊中涵盖多个热点话题,如新型脱碳技术产品、碳中和背景下高耗能行业面临的挑战、促进可持续发展的创新和智能方法等。此外,专刊还重点关注了CPB/CTB(胶结膏体/胶结尾砂充填)技术的关键问题,如新的软硬件解决方案或应用升级、基于传感器的地下监测、绿色尾砂充填技术在地下工程和矿山采空区的应用等。多数论文主要围绕优化开发绿色高效尾砂充填材料,推动CPB/CTB技术不断创新发展进行研究,旨在促进跨学科交流与协作,加强基础研究与工程应用的衔接,为实现全球可持续发展做出更大贡献。

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社论
Editorial for special issue on frontiers and advances in cemented paste backfill
Shenghua Yin, Chongchong Qi, Erol Yilmaz, Shuai Cao, and  Qiusong Chen
2023, 30(8): 1427-1429. doi: 10.1007/s12613-023-2686-6
摘要:
特约综述
中国矿山膏体充填搅拌技术系统综述
杨柳华, 李金仓, 刘洪斌, 焦华喆, 尹升华, 陈新明, 余洋
2023, 30(8): 1430-1443. doi: 10.1007/s12613-023-2609-6
摘要:
工业发展离不开矿业的支撑,然而采矿不仅消耗了大量能源,且产生的尾矿对生态环境影响极大。针对尾矿的处置难题,在过去几十年中,采矿业发展了多种与之相关处理技术,其中膏体充填是最具代表性技术之一。目前,膏体充填技术已成功应用于矿山开采工程。在膏体充填技术中,搅拌效果的优劣直接影响膏体质量以及其充填性能。然而,在膏体制备过程中,由于全尾砂粒度细、料浆浓度高且粘度大,实现均质搅拌难度大。而目前膏体充填领域,大多数研究集中于尾砂料浆配比对膏体充填特性的影响,极少涉及膏体搅拌技术及装备。因此,通过优化搅拌工艺来提高膏体充填性能并降低生产成本显得尤为重要。本文通过总结目前中国膏体搅拌技术研究及其应用现状,分析对比各类膏体搅拌设备的优劣,探讨了在膏体制备领域最新研究成果及研究热点。最后,介绍了几类中国膏体搅拌技术工艺的应用案例,提出了膏体搅拌技术及工艺面临的挑战与发展趋势,以促进水泥基材料搅拌技术的发展。
特约综述
膏体搅拌过程中多尺度颗粒体系的流变特性:综述
李翠平, 李雪, 阮竹恩
2023, 30(8): 1444-1454. doi: 10.1007/s12613-023-2601-1
摘要:
膏体充填技术是实现矿山绿色开采的有效手段,搅拌是膏体充填技术的关键环节。搅拌环节的目标是制备满足不分层、不离析、不脱水特性的膏体。膏体作为一种多尺度颗粒体系,膏体均质化制备是搅拌环节面临的挑战之一。搅拌制备过程中的高剪切、高浓度与多尺度,使充填料浆表现出复杂的流变特性。为此,通过系统综述多尺度颗粒体系的颗粒间细观力学与结构演化的研究进展,探讨了不同影响因素对膏体流变特性的作用效果,从宏观与细观层面梳理了膏体的流变模型,明确了细观力学作用与结构演化是膏体流变特性发生变化的根本原因,由此提出了膏体制备存在的问题与未来发展趋势,以期改变膏体充填实践先行理论滞后的局面。
特约综述
中国金属矿山充填采矿的研究进展和未来展望
薛改利, Erol Yilmaz, 王永定
2023, 30(8): 1455-1473. doi: 10.1007/s12613-023-2663-0
摘要:
矿业是现代工业发展的基础。在“碳达峰、碳中和”的时代背景下,我国明确提出了“坚持人与自然和谐共生”的发展战略。随着充填采矿技术的不断发展和完善,充填开采具有“绿色、安全、高效、低碳”等显著优势,对实现矿山固体废弃物的综合利用、环境保护、安全回采至关重要。本文阐述了我国金属矿山充填采矿的发展历程及各阶段的时代特征;其次,介绍了利用高炉矿渣和其他工业废弃物制备胶凝材料的激发机制和研究现状,并提出了基于全固废研发充填胶凝材料的学术理念。针对胶结充填体力学特性的研究进展,从静态力学、动态力学、力学影响因素和多尺度力学共4个层面展开详细阐述。鉴于充填材料输送环节的重要性,介绍了充填料浆的工作性能和流变特性。最后,根据现代充填理念的核心特征,探讨了胶结充填开采的未来发展图景,以期为充填采矿提供必要的理论研究价值。
特约综述
诱导养护压力下纤维增强水泥基复合材料界面过渡区的多物理过程以及其对膏体充填技术发展的启示:综述
Brett Holmberg, 崔亮
2023, 30(8): 1474-1489. doi: 10.1007/s12613-023-2640-7
摘要:
本文旨在深入探讨纤维-基质界面过渡区诱导养护压力的形成机理及其对纤维增强水泥基复合材料效能的控制作用。通过对最新研究成果的深入剖析,建立了诱导养护压力(即外部加载条件)、热–水–力–化多场耦合过程(即内在控制机制)以及过渡区行为(即材料行为)之间的联系。在力学过程中,诱导养护压力会改变过渡区应力状态,增强了其多裂纹行为,从而改善了过渡区的稳定性。从渗流过程来看,诱导养护压力能够提高过渡区的渗透性,造成有效应力减弱,并强化了基质与过渡区之间的保水能力的差异。在传热过程中,诱导养护压力会在过渡区中产生陡峭的温度梯度,从而影响温度变化过程,并加剧过渡区微裂纹的萌生。在水化反应过程中,诱导养护压力可以提高水化反应的动力学过程,进而在过渡区中形成更多的水化产物。本综述提供了深入理解纤维增强水泥基复合材料中过渡区行为的一个新视角,并且基于这些发现,提出了热–水–力–化多场耦合建模的方法、多场参量的确定手段及多场耦合研究的未来展望。这些建议对于膏体充填技术的发展具有指导意义,对于纤维增强水泥基复合材料的研究与应用也具有推动作用。
研究论文
排水条件和水泥用量对尾砂料浆固结行为影响的物理模型试验研究
马青海, 刘光生, 杨小聪, 郭利杰
2023, 30(8): 1490-1501. doi: 10.1007/s12613-023-2642-5
摘要:
采场尾砂充填料浆自重固结过程中,料浆孔隙水压力和总应力随时间连续变化。掌握充填料浆固结行为及固结过程中料浆应力状态,对评估采场充填挡墙承载能力和优化制定采场充填方案十分重要。排水条件和水泥用量是影响尾砂料浆固结行为的关键因素。利用自制的料浆固结柱物理模型,考虑三种排水条件(不排水、部分排水和完全排水),试验研究了不同水泥用量(0%、4.76wt%和6.25wt%)尾砂料浆的自重固结过程,系统测试了不同时刻料浆孔隙水压力、下沉量、排水量及试验完成后料浆含水量,分析了排水条件和水泥用量对尾砂料浆固结行为的影响规律。结果表明:改善排水边界条件或提高水泥添加量均有助于尾砂料浆孔隙水压力消散,但前者相对更有利于促进料浆排水固结;在同一排水条件下,水泥用量从0wt%增加至6.25wt%,模型底部料浆孔隙水压力消散速度显著加快,但料浆孔隙水压力最终稳定值无明显差异;料浆最终下沉量与模型的排水条件无关,但增大水泥用量会明显减小料浆最终下沉量;在同一排水条件下,胶结料浆在自重固结过程中能够比非胶结料浆排出更多的孔隙水。
研究论文
聚合物改性膏体单轴压缩过程声发射响应及损伤演化特征
欧阳神央, 黄艳利, 周楠, 李明, 李晓彤, 李俊孟, 柯飞, 刘亚辉
2023, 30(8): 1502-1514. doi: 10.1007/s12613-023-2617-6
摘要:
膏体(CPB)的力学性能在一定程度上影响了采空区充填控顶效果。本文通过单轴压缩试验测试了聚合物改性膏体 (PCPB)的力学强度,分析了其承载压缩过程的破坏特征;同时利用声发射技术(AE)对28 d养护龄期试样的开裂过程进行实时监测和记录,并采用双AE指标方法(上升角和平均频率)对不同加载过程的开裂模式进行了分类。结果表明:聚合物能够显著增强PCPB的力学强度(当聚灰比为0.30时,28 d强度提高了102.6%),并且随着聚合物掺量的增加,PCPB的力学强度越高。单轴压缩条件下,PCPB的宏观破坏裂纹多沿轴向方向,主裂纹贯穿试样,且主裂纹周围还分布大量小裂纹。整个加载过程中PCPB的AE响应可分为四个时期:平静期、缓慢增长期、急剧增长期和缓解期,且它们与应力-应变曲线的微孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段的同步性较高。AE事件主要集中在塑性变形阶段和破坏失稳阶段,且PCPB在上述四个阶段均发生了剪切破坏和拉伸破坏,但主要为拉伸破坏。
研究论文
基于非接触式实验探测的胶结膏体料浆在管道中的壁滑移行为
薛振林, 孙海宽, 甘德清, 闫泽鹏, 刘志义
2023, 30(8): 1515-1523. doi: 10.1007/s12613-023-2610-0
摘要:
壁面滑移是胶结膏体充填料浆在管壁附近的微观现象,它对管壁处的料浆流动形态和速度分布有重要影响。用常规的实验方法直接探测壁面滑移特性是较为困难的。因此,本文基于粒子图像测速技术,建立了料浆管道输送微观滑移层独立监测的非接触式实验平台,分析了料浆温度、管径、固相浓度、料浆流量等因素对料浆壁滑移速度的影响,完善了壁滑移特性对管道输送影响的理论体系。结果表明:料浆在管壁处存在广泛的滑移层,且壁面滑移现象显著;料浆温度的提升增大了颗粒间的布朗运动程度,增强了壁面滑移效应。增大管径不利于料浆滑移层的形成,导致料浆流动模式发生转变。固相浓度的增加提高了料浆流动的层间剪切效应和滑移速度。固相含量从55wt%增加到65wt%时,滑移速度值从0.025增加到0.056 m·s−1。流量增大后,料浆的絮凝结构发生变化,从而对滑移速度产生影响;当输送流量为1.01 m3·h−1时,滑移层减阻效果最佳。研究结果对提高膏体充填料浆在管道中的稳定性和经济性具有重要的理论意义。
研究论文
柱旁双侧充填复合承载结构的破坏特征及损伤演化
崔博强, 冯国瑞, 白锦文, 薛改利, 王凯, 史旭东, 王善勇, 王泽华, 郭军
2023, 30(8): 1524-1537. doi: 10.1007/s12613-022-2545-x
摘要:
柱旁双侧充填所形成的“充填体-煤柱-充填体”协同承载结构(BPB煤充结构体)在承担覆岩载荷、保障煤矿安全开采方面发挥着重要的作用,其破坏特征及损伤演化值得进一步探索。本文开展了六组不同类型的BPB煤充结构体单轴压缩试验,结合数字图像相关技术(DSCM)监测了试样表面的变形特征,建立了基于峰值应力时能量耗散特征的BPB煤充结构体损伤模型,并探讨了充填体对煤柱的失稳防控机理。研究结果表明:BPB煤充结构体的应变集中带和宏观裂纹首先出现在煤–充界面处,然后在充填体元件中扩展,最终出现在煤体元件上。BPB煤充结构体的弹性应变能在加载初期逐渐累积,峰值应力处达到最大值,在峰后阶段迅速释放;耗散能在加载初期累积较少,加载后期迅速增加。基于峰值应力时能量耗散特征所建立的BPB煤充结构体损伤模型与试验结果吻合良好,可为BPB煤充结构体的失稳防控提供依据。结合BPB煤充结构体破坏形态可知,充填体具有抑制煤柱变形的作用,随着充填体元件体积占比的减小,其对煤柱的约束作用逐渐减弱,BPB煤充结构体更容易失稳,破坏也更加严重。
研究论文
金属矿山尾矿浓密微观机理
焦华喆, 杨文博, 阮竹恩, 余建新, 刘娟红, 杨亦轩
2023, 30(8): 1538-1547. doi: 10.1007/s12613-022-2587-0
摘要:
超细尾矿颗粒形成的锁水絮体会破坏膏体制备过程中浓密机底流浓度。当研究深度脱水阶段时,尾砂浆体的微观结构和渗流特性之间的关系通常会被忽略。文章利用铜尾矿展开了全尾砂堆积床层剪切渗透性测试,借助CT扫描技术分析了微观孔隙的形态和几何分布情况,运用三维重构方法真实还原了浆料内部孔隙结构和渗流通道剪切演化对底流料浆脱水性能的影响。结果表明伴随剪切作用的发生,样品孔隙率有较大幅度的降低。添加剪切作用且搅拌时间为10 min时,样品连通孔隙比及吼道平均半径达到最大,分别为0.79和31.38μm。但在添加剪切作用后样品流速和绝对渗透性有不同幅度的降低,最大流速达到1.537μm/s,绝对渗透率提高了14.16%。剪切作用改变了导水通道的形成阶段和孔隙结构,孤立的孔隙与周围絮体连接形成分支通道,继而成为主渗流通道,形成了优势导水通道。
研究论文
辅助材料改性碳酸盐激发充填胶凝材料及其对重金属的固化效应
戴星航, 顾效忠, 郑静茹, 赵亮, 周乐, 姜海强
2023, 30(8): 1548-1559. doi: 10.1007/s12613-022-2540-2
摘要:
尾砂胶结充填(CPB)是尾砂资源化利用的有效手段,但是硅酸盐水泥(OPC)的高成本限制了其应用。考虑到Na2CO3激发胶凝材料的性能较差,本研究采用CaO、MgO和煅烧层状双氢氧化物(CLDH)等辅助材料对其性能进行改性,以寻找OPC的替代胶凝材料。在本研究中,等温量热仪、X衍射以及热重分析用来探索胶凝材料的水化动力学以及反应产物的物相组成,同时研究了CPB料浆的流动性、抗压强度演化以及胶结充填体对重金属的固化效果。研究结果表明,MgO与CLDH的耦合利用效果最好,Mg2-CLDH3养护56 d后的强度约为2.94 MPa,高于OPC样品。此外,改性的Na2CO3激发胶凝材料的成本低于OPC,并且具有良好的重金属固化效果。这些结果表明,辅助材料改性的碳酸盐激发胶凝材料适用于CPB。
研究论文
粉煤灰对胶结充填材料性能影响的分子机理
杨朔, 吴疆宇, 靖洪文, 张新国, 陈伟强, 王逸鸣, 尹乾, 马丹
2023, 30(8): 1560-1572. doi: 10.1007/s12613-023-2658-x
摘要:
胶结充填材料面临的巨大挑战是难以同时保障其优异的力学特性和低成本。粉煤灰有可能解决这个问题,并进一步替代水泥,有利于低碳发展。然而,它对低水泥用量和低钙体系胶结充填材料的作用机制尚不清楚。因此,本研究进行了单轴压缩、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜-能谱测试(SEM-EDS),以研究粉煤灰掺量对胶结充填材料力学特性和微观结构的影响。基于试验结果,构建了粉煤灰-水化硅酸钙的分子模型,以再现胶结充填材料的分子结构演变。分析了粉煤灰用量和钙/硅比(Ca/Si比)对胶结基质强度和破坏模式的影响,揭示了粉煤灰对水化硅酸钙的作用机制。结果表明,随着粉煤灰掺量的增大,胶结充填材料的强度先增加后降低,并导致粉煤灰颗粒周围的氢氧化钙衍射强度和Ca/Si比降低。XRD和SEM–EDS结果表明,粉煤灰影响下水化硅酸钙的Ca/Si比随着水化的进行而降低。粉煤灰-水化硅酸钙分子模型表明粉煤灰可以增强水化硅酸钙的硅链,以提高基质强度。然而,过量的粉煤灰将导致这种增强作用的弱化。此外,水分子间的氢键劣化也导致基质强度的降低。低Ca/Si比诱导水分子增加和与Ca2+结合离子键的减少。水分子之间的氢键不能承受高应力,导致强度降低。粉煤灰-水化硅酸钙分子模型的吸水率与粉煤灰用量和Ca/Si比呈负相关。最佳粉煤灰掺量和Ca/Si比的耦合作用导致了合适的吸水率,这进一步影响了煤灰-水化硅酸钙分子结构的失效模式。
研究论文
基于LSTM深度学习网络的充填管道运行状态检测
肖柏林, 苗胜军, 夏道洪, 黄华桃, 张靖宇
2023, 30(8): 1573-1583. doi: 10.1007/s12613-022-2560-y
摘要:
管道的运行状态,尤其是堵塞和泄漏的检测,对保障充填的连续性和安全性至关重要;粗骨料高浓度自流充填的管网系统具有高度复杂性,鲜有一种专用、高效、精准的管道异常检测方法。本文以金川高浓度自流充填为例,提出了一种基于长短期记忆深度学习模型的管道堵塞和泄漏诊断方法。首先,通过压力和流量传感器构建工业管道的实时监测系统;针对负样本匮乏问题,设计开展堵管、泄漏工业实验;分析不同工作状态下管道的压力流量统计特征;接着,基于长段时记忆网络,建立了管道运行状态检测的深度学习模型,并对模型进行对比检验评价。研究结果表明:充填工艺具有间歇性、周期性、多段性等特征;正常工况内的压力和流量信号整体波动稳定,但不同周期差异较大。堵塞时的区间信号特征突变大,泄漏的区间特征变化持续时间长、波动范围广。将本文提出的LSTM-DL模型与其他4种常用先进方法对比,LSTM-DL模型在所有状态下具有98.31%的最高预测准确率,且在堵塞和泄漏状态下具有3.21%的最低误判或虚警率。本文的LSTM-DL模型可以准确识别复杂高浓度自流充填管道系统中的各种运行状态。
研究论文
单因素及相互作用项对风积沙胶结充填体力学与微观特性分析
王树帅, 杨仁树, 李永亮, 徐斌, 路彬
2023, 30(8): 1584-1595. doi: 10.1007/s12613-022-2574-5
摘要:
采用风积沙(AS)作为骨料制备煤矿胶结充填材料,可以解决煤矸石不足、风积沙堆积过多的问题。由于对风积沙胶结充填体(CASB)力学机理研究不足,本文采用响应面法(RSM)分析了普通硅酸盐水泥(PO)掺量(x1)、粉煤灰(FA)与风积沙掺量比值 (灰沙比,FA –AS ratio) (x2)、质量浓度(x3)对CASB力学和微观特性的影响。通过热重分析、压汞法和扫描电镜对充填体水化特性和内部孔隙结构进行了评价。RSM结果表明,各因素及相互作用项对CASB力学特性的影响极为显著。单轴抗压强度(UCS)随PO掺量、FA–AS比和质量浓度的增加而增加。分析了交互作用项x1x2x1x3x2x3对CASB的UCS的影响,影响结果表明,一个因素的增加会促进另一个因素对强度的增强效应。养护时间、PO掺量、FA–AS比对充填体的增强机理表现为水化产物的增加和孔隙结构的优化,而浓度的增强机理主要是孔隙结构的优化。UCS与热重损失量、微孔含量呈正相关,与总孔隙度呈负相关。强度与失重量、微孔含量和总孔隙度拟合函数的R2值均超过0.9,补充了基于热重分析和孔隙结构对UCS增强机理的表征。得出了PO掺量、FA–AS比、浓度以及相互作用项对CASB力学性能的影响规律和机理,为CASB充填提供了一定的理论和工程指导。
研究论文
脉冲泵压环境膏体管道输送阻力特性研究
程海勇, 刘泽民, 吴顺川, 李红, 朱加琦, 孙伟, 姜关照
2023, 30(8): 1596-1607. doi: 10.1007/s12613-023-2644-3
摘要:
膏体充填是消除矿山工程地质灾害,实现矿山固废绿色处置及支撑深地资源安全回采的关键技术。但膏体浓度高、材料组成复杂,长距离管网输送存在输送阻力大、堵管爆管频发。文章基于复杂环管实验、流固耦合数值模拟和微观电镜扫描实验等,对脉冲泵压环境膏体流态和微观颗粒结构进行了深入分析。结果表明:复杂管网布置下,膏体流动阻力与管道曲率、角度存在紧密联系,采用竖直下行+直管+倾斜下行的组合形式,减少弯管数量或提高弯管曲率半径,可有效减小管道阻力损失。利用最大速度比和速度中心偏移值两流态参数可以对管道布置形式的差异性对阻力特性影响规律进行量化表征,相关性达到96%。颗粒分布状态、颗粒接触作用力会对膏体流动阻力产生影响,均匀的颗粒状态和较弱的颗粒间作用力有利于稳态输送。泵压脉冲环境,颗粒间接触作用显著增强,颗粒力链结构更加稳定,阻力损失有所增加,但弯管段颗粒偏移集聚现象减弱,膏体流态均匀性和颗粒运动稳定性显著提高。研究成果对实现安全、高效地膏体充填具有重要的工程意义。
研究论文
尾矿浆输送过程中弯管处的冲蚀磨损数值研究:考虑入口速度、颗粒粒径和弯管角度
陈秋松, 周海龙, 王运敏, 王道林, 张钦礼, 刘一锴
2023, 30(8): 1608-1620. doi: 10.1007/s12613-023-2672-z
摘要:
管道水力运输是一种高效、低能耗的固相运输方式,常用于采矿业中的尾矿浆运输环节。而冲蚀磨损是造成尾矿浆管道系统失效的主要原因,尤其在弯管处。与此同时,管道的冲蚀磨损属于多因素影响下的复杂流固耦合作用,鲜有学者对其进行研究。本文结合计算流体力学,粒子追踪以及冲蚀磨损模型,构建弯管处料浆输送数值模型。在验证该模型可靠性的基础上,从粒子动能和入射角度两个方面重点研究了入口速度(1.5–3.0 m·s-1)、颗粒粒径(50–650 μm)以及弯管角度(45°–90°)对弯管处冲蚀磨损的影响。结果表明,在给定的参数范围,料浆在弯管处的最大冲蚀磨损速率随着入口速度和颗粒粒径的增加而呈指数级增长,随着弯管角度的增加先增大后减小,转折点为60°。同时,三个因素对弯管的最大冲蚀磨损速率影响程度为颗粒粒径>入口速度>弯管角度。其中,当入口速度为3.0 m·s-1,颗粒粒径为650 μm,弯管角度为60°时,弯管磨损最为严重,最大冲蚀磨损速率为5.68 × 10-6 kg·m-2·s-1。此外,在颗粒粒径不高于450 μm时,弯管处最大磨损位置在弯管出口附近;颗粒粒径高于450 μm时,弯管处最大磨损位置逐渐由弯管出口向弯管中心偏移。因此,在实际工程中,可以通过降低入口速度、使用较细粒径的尾矿浆来减轻弯管的冲蚀磨损。