金属矿山充填膏体多相/多场流动沉降规律及力学响应研究

The goaves of metal mines are complicated and changeable. Studies will be conducted in the aspects of the flow and sedimentation as well of mechanical properties of paste filling material, primarily including: 1) studying the rheology mechanism and behavior of the paste filling material to build the model of constitutive equations of the rheology for the paste filling material; proposing the relationship between the microstructure and the macroscopical rheology based on molecular motion theory; 2) building the multiphase, multi-scale and multi-field models of the microstructure and macroscopical mechanical properties after the concretion of the paste filling material; 3) studying the sedimentation and stratification characteristics as well as the nonuniform properties of the paste filling material and analyzing the flow and sedimentation mechanisms in order to build the dynamic model of the movement of the paste filling material. The study can provide guidelines for improving he mine filling design and for promoting the development of the filling technology.

针对复杂多变的金属矿山采空区特点，以膏体充填料浆流动沉降规律及力学响应为研究对象，主要开展：①充填膏体流变结构及流变机理入手，从宏观和微观的角度研究充填膏体的流变行为，建立准确反映充填膏体流变特性的本构关系模型，同时从分子运动的角度出发，对充填膏体的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出充填膏体微观结构与宏观流变行为的联系；②从充填材料本质出发，建立采空区复杂应力环境下，充填膏体固结后的微观组织、结构与宏观力学行为响应间的多相、多尺度、多场理论模型，并分析其耦合作用机理；③以充填膏体在采场的流动沉降规律研究为突破口，进行料浆在流动过程中的沉降分层规律及充填体的不均匀特性的研究，分析充填料浆的流动沉降机理，建立充填料浆运动力学模型及浆体运动规律模型，通过对充填膏体流动沉降规律的研究，可为矿山改善充填设计提供依据，推动充填技术的不断发展。

胶结充填作为突破传统充填技术屏障、实现矿床安全清洁高效开采的重要技术载体，其料浆的流动沉降规律等成为研究高浓度胶结充填技术的理论基础。本研究在借鉴流体力学、泥沙运动学、沉降学、润滑力学等研究成果基础上，以固-液两相流理论为基础，采用理论分析建模、试验测试及数值模拟相结合的方法，同时引入电阻层析成像、核磁共振(NMR)等新型技术对胶结充填料浆在管道中的流动沉降，以及胶结充填料浆在采空区流动沉积特点等胶结充填关键技术展开研究。.考虑水化反应因素的影响，运用Fluent计算流体力学软件，研究了两种不同粒径组合的充填料浆在不同浓度和粒径等条件下的流动沉降规律。采用有限元方法建立16电极ERT传感器模型，引入电阻层析成像技术对多相流的电导率分布进行反演成像，实现充填输送管道内液-固两相流的可视化。实验结果表明重建图像可以准确的反映固结块在检测平面所处位置。.根据润滑理论与沉积理论构建胶结充填料浆流动沉降几何结构预测模型，依据相似理论建立胶结充填料浆流动沉降物理实验平台。基于建立的模型与实验平台，研究了胶结充填料浆流动沉降过程中粒径分布和充填体强度分布不均匀性等特性，预测结果与实测结果基本一致，为研究胶结充填料浆流动沉降规律提供理论基础。.将核磁共振、电镜扫描和无侧限抗压强度测试技术应用于充填体力学响应研究中。分析胶结充填体（CPB）微观孔隙结构特征，如孔隙度和分形维数，与宏观力学性能之间的内在联系，揭示了充填体力学强度变化的机理。 .建立胶结充填体的水化动力学模型，结合实验研究了砂灰比和养护温度对早期胶结充填体的水化热流和累积热的影响规律，揭示了胶结充填体的水化动力学和水化机理。 .本研究为矿山胶结充填基础理论研究提供了新的技术方法、思路和理论支撑，符合国家矿产资源绿色可持续开发等要求，具有重要的理论和现实意义。