渗流-应力场耦合作用下碱激发金属尾矿膨胀充填体蠕变损伤研究

Large scale metal tailings may result in environment pollution and safety concerns for mining companies. In the country to vigorously develop circular economy situation, the large volume metal tailings utilization demand is thirst. With the increasingly stringent national environmental protection policy, considering the widespread application of the filling mining technology in metal mines, preparation for expansive filling materials based on alkali activated metal tailings provides a viable way for both tailing dispose and filling material resource supplement, which is meaningful for cost reduction for underground mining activities. Research on creep damage behavior of such filling material will also benefit filling tightening technology. . This research will focus on mechanisms of polymerization and foaming of the expansive filling material based on alkali activated metal tailings, and explore factors in optimizing the foaming rate and homogeneity degree of the filling material, and factors controlling the material expansive rate and long-term strength. This research will also study the creep damage behavior of the filling material, especially the creep and damage characteristics under conditions of multi-field of stress and seepage flow coupling.

大量占地堆存的金属尾矿污染环境、安全隐患突出，严重制约矿山可持续发展。在国家大力发展循环经济的形势下，迫切需要实现金属尾矿的大宗资源化利用。而随着国家环保政策日益严格，在金属矿充填开采越来越广泛的背景下，研究探索利用金属尾矿通过碱激发聚合反应并添加发泡剂制成膨胀充填材料，并制备膨胀充填料浆用于井下采空区充填，提高充填接顶率，降低充填成本，是实现金属尾矿资源化利用的一条有效途径。研究膨胀充填料浆的流变性能，摸清碱激发金属尾矿膨胀充填体蠕变损伤特性和多场耦合效应，具有重要的理论意义和应用价值，有利于解决充填开采中的接顶难题。.本项目关键是探索金属尾矿制备泡沫材料的聚合反应机理以及发泡机理，优化发泡速率和泡沫均匀度，控制膨胀率和泡沫材料强度，保证膨胀充填体长期强度，并针对膨胀充填体在渗流-应力耦合作用下的蠕变损伤行为进行深入研究，探索其在渗流场、应力场耦合作用下的蠕变过程及其蠕变损伤失稳机理。

本项目着重研究了金属尾砂的活化及碱激发材料的制备，膨胀充填料浆的流动性能，常温和低温下的固化强度性能，组合充填体强度试验研究和现场应用等内容，该研究不仅可以解决金属尾矿大量堆积、充填成本过高和充填体难以接顶等问题，还将为矿山开展膨胀充填体的设计及其稳定性的理论分析奠定坚实的基础。基于此，主要进行了以下研究：.（1）对金属尾矿样品进行化学成分、物相组成、红外光谱、微观结构等分析并研究金属尾矿活化，分别比较不同活化方法对金属尾矿的活化效果，探索最佳的活化手段和碱激发材料的优化制备。.（2）研究发泡剂量、充填骨料粒径和矿物添加剂类型对膨胀充填料浆流动性的影响。评估各因素影响下的膨胀充填料浆的膨胀性能。引入水膜厚度理论，对各因素影响下的膨胀充填料浆水膜厚度进行估算，建立膨胀充填料浆水膜厚度与流动性的关系，揭示各因素对膨胀充填料浆流动性能的影响机制。.（3）结合强度试验、压汞法和X-ray CT图像测试，建立膨胀充填体强度与微观结构的关系。针对不同类型矿物添加剂引起水化反应的差异性，研究矿物添加剂对膨胀充填体强度性能的影响机制。此外，研究低温环境下各影响因素对充填体强度的影响，并基于TG、重力水测试和压汞孔隙测试等手段揭示影响机制。选择添加NaCl减小低温环境对膨胀充填体的“劣化”影响，并分析其影响机制。.（4）设计下层为普通充填体、上层为膨胀充填体的组合充填体模型，通过室内试验、理论分析和数值模拟的手段，分析组合充填体抗压强度和破坏形式的变化规律，结合太沙基松散地压理论进行组合充填体-围岩相互作用力学模型进行推导，建立组合充填体强度数值模拟计算模型。利用FLAC3D 对傲牛铁矿的开采-充填过程进行模拟，探讨膨胀充填高度和不同类型胶结制备的膨胀充填体对开采-充填过程中采场顶板和充填体应力、位移分布的影响，同时评估膨胀充填体在试验矿块中的应用效果。