谢兴山;余斌;杨小聪;郭利杰;李宗楠
【摘 要】矿山充填骨料级配对充填料浆的流动性和充填体强度有显著影响,若充填骨料级配良好,则可以改善充填料浆的流动性,提高充填体的强度.利用PFC3D研究不同泰波指数下尾矿颗粒级配对颗粒堆积体系孔隙率的影响.结果表明,在泰波指数n=0.6时,颗粒堆积体孔隙率小,密实度高,级配良好.通过PFC3D虚拟颗粒堆积试验和骨料颗粒自然堆积试验相结合,探究了充填骨料中溢流细砂含量对骨料堆积体系孔隙率的影响,随着溢流细砂含量增大,骨料颗粒堆积体的孔隙率变大,级配变差. 膜加盖【期刊名称】《有金属（矿山部分）》
【年(卷),期】2017(069)002
【总页数】4页(P10-13)
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【关键词】骨料;级配;孔隙率;配位数
【作 者】谢兴山;余斌;杨小聪;郭利杰;李宗楠
【作者单位】北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京1001603d录音
【正文语种】中 文
【中图分类】TD853.34
近年来，随着国家对矿山的环保要求日益规范和严格，充填采矿技术越来越受到矿业界工作者的重视。充填工艺需要深入研究尾砂浓缩、料浆制备、管道输送阻力、充填体质量等问题。充填骨料是充填材料的重要组成部分，充填骨料级配对充填料浆的流动性和充填体强度有显著影响。目前骨料级配优化理论主要针对多孔沥青混合料、水泥混凝土等材料，包括最大密度曲线理论、粒子干涉理论及分形理论。最大密度曲线理论[1]认为粗骨料之间形成的孔隙由细骨料充分填充以达到骨料堆积密度最大，其主要适合连续粒径分布的骨料级配优化；粒子干涉理论主要考虑粗细集料之间，细粒级是否会大于粗粒级之间形成的孔隙从而发生干涉的角度研究问题,对于连续级配和间断级配的计算都适用。分形理论是基于
分形几何学发展起来的，是研究无限复杂但具有一定意义下的自相似图形与结构的几何学，提供了一种研究不规则复杂现象中的秩序和结构的新方法。刘志祥、李夕兵[2]采用分形理论对分级尾砂的粒级组成进行了研究，结果表明，充填试块强度与其分形级配相关；充填体强度随着骨料颗粒间孔隙分维数减小而增大。孙恒虎[3]等应用RRSB方程模数进行尾砂级配优化研究，结果表明，充填物料的堆积率高，浆体流动性好，充填体质量好。
本文依据最大密度曲线理论，利用PFC3D探究不同泰波指数下颗粒堆积体系孔隙率的变化特征，以及颗粒堆积体系沿重力方向孔隙率的变化情况，同时通过PFC3D虚拟颗粒堆积试验和骨料颗粒自然堆积试验相结合，研究安庆铜矿充填骨料中不同溢流细砂含量下，骨料堆积体系孔隙率的变化特征，为安庆铜矿充填骨料级配优化提供参考依据。
PFC3D软件是美国ITASCA公司出品的商用DEM软件，适用于研究颗粒集合体(particles assemblies)的破裂和破裂发展问题，以及大位移的颗粒流问题，是一款用于模拟复杂固体力学问题和颗粒流问题的有效工具，其研究的基本对象是颗粒和颗粒之间的接触，它能直接模拟颗粒之间的运动和相互作用的物理问题，也可以通过“黏结”两个或者多个小颗粒来创建任意形状的大颗粒，其黏结而成的“组合颗粒”可作为独立的颗粒体研究。本研究采用P
FC3D是由于其可以方便地生成规定粒级组成的颗粒，使颗粒体系受重力作用下落堆积形成密实的堆积体系，同时准确地测试不同位置处颗粒堆积体的孔隙率。
需要说明的是，因 PFC3D 中没有量纲的设定，故在颗粒堆积时暂不设定颗粒粒径的量纲，如需考虑，都统一为国际制基本单位。
最大密度曲线理论认为：当骨料的孔隙率最小，密度最大时，骨料的级配为最优。最大密度曲线是富勒(Ful1er)在大量试验的基础上提出的一种理想曲线。富勒(Fuller)认为：固体颗粒按粒径大小，有规则地以一定比例搭配起来，可以得到密度最大、孔隙率最小的骨料。其表达式如下[5]：
式中：Pi—孔径为di颗粒的通过率，%；di—骨料各级粒径；D—骨料的最大粒径。
Talbot则认为Ful1er曲线指数n不应该是一个定数，对于不同的骨料对应不同的最佳n值，因此其将Fuller公式改为式(2)。
根据Talbot的理论分析和试验，表明n在0.3～0.6时，骨料的堆积密实度高，孔隙率小。因此需要研究安庆铜矿充填骨料合适的n值，使得骨料的级配最优，堆积体系孔隙率最小。
针对安庆铜矿分级尾砂，计算分别生成同样粒径数值但体积分数服从Fuller曲线的颗粒体系，各粒径尾砂颗粒的分布情况见表1。
首先，确定模拟颗粒粒径范围为20～250；其次，计算不同泰波指数下颗粒在各个粒径区间的体积分数和颗粒个数，例如，n=0.3在粒径区间20～40体积分数21%，颗粒个数62 678，在粒径区间40～60体积分数13%，颗粒个数8 615；最后，利用PFC3D模拟颗粒堆积，并计算出堆积体系的孔隙率和配位数。仙台病毒
本模拟实验假设：尾砂颗粒是圆球状；在不同的粒径区间内尾砂颗粒服从均匀分布，颗粒的平均粒径为其算术平均值。
本文PFC3D模拟计算基本过程：1)规定并生成特定大小的有效区域；2)在有效区内生成40×40×60的封闭“墙体”；3)在封闭“墙体”内，生成表1规定级配的颗粒，此时颗粒呈松散堆积状态；4)颗粒受重力下落，颗粒堆积体系达到特定条件(本研究设定aratio1e-3)，堆积体系停止循环运算，达到稳定状态；5)在颗粒堆积体系内部的指定位置测试孔隙率和配位数，详见表2。
需要说明[6]：1)颗粒体系受自重作用下落并相互接触产生力的作用，由于每个颗粒都有确定的弹性模量值，所以颗粒之间并不是纯粹的点对点接触，会形成一定大小的“重叠”，而“重叠”量则可以利用颗粒之间的作用力和颗粒的弹性模量求出来，而且与颗粒尺寸相比，接触处的“重叠”量微乎其微。2)泰波指数不同，颗粒体系的级配不同，其余设定条件均相同，确保级配是影响孔隙率的唯一因素。3)孔隙率测量位置选择在颗粒堆积体中心处，以减小“附壁效应”对孔隙率的影响。孔隙率测量位置有(0，0，-19)，(0，0，-20)，(0，0，-21)，(0，0，-22)四个位置，每一位置处生成半径为10的测量球体。下图1和图2分别表示泰波指数为0.4和0.5的颗粒堆积状态。
实验室测试安庆铜矿分级尾砂自然堆积状态下孔隙率为47.6%，从表2可知，PFC3D模拟分级尾砂的孔隙率为17.8%～20.2%，造成两者差异的主要原因有：1)实际尾砂颗粒形状很不规则，而模拟颗粒均是圆球形状；2)实际尾砂粒径区间大，颗粒分布广，而模拟选择颗粒分布较为集中的粒径区间段；3)实验室尾砂颗粒的自然堆积状态，与软件模拟颗粒受重力作用形成的堆积体系必然存在差异。从表2可知，模拟尾砂颗粒堆积体孔隙率与泰波指数n=0.3的孔隙率相差不大；n=0.6时颗粒堆积体孔隙率小，密实度高，颗粒级配最优；颗粒堆积体中孔隙率沿重力方向呈减小趋势，配位数呈增大趋势，与实践经验相符合。
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安庆铜矿采用尾砂结构流充填工艺，其主要特点是充填料浆均质性好，在管道中无浓度梯度和速度梯度，呈整体结构流动；在管道及采场中不沉降、不分层、不脱水[7]。充填骨料由分级尾砂与溢流细砂混合组成，由于分级尾砂和溢流细砂以不同的比例混合后，形成混合砂的级配差异很大，导致充填骨料堆积体的孔隙率变化较大，最终对充填料浆的流动性和充填体的强度产生影响[8]。因此研究骨料中溢流细砂含量与骨料颗粒堆积体孔隙率的关系具有重要的意义。
利用振动筛分法测试+75 μm的粒径分布，利用马尔文激光粒度测试仪测试-75 μm的粒径分布，表3是安庆铜矿尾砂颗粒的粒径分布情况。
由于需要确定分级尾砂与溢流细砂的合适混合比例，以制备尾砂结构流浆体，使充填体强度最佳。设计7组不同级配的充填骨料(溢流细砂含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%)，并计算出骨料在相应粒径区间内的颗粒个数，利用PFC3D模拟探究骨料级配对颗粒堆积体系孔隙率的影响。
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图3为不同溢流细砂含量下的充填骨料级配曲线。
图4为利用PFC3D模拟不同溢流细砂含量下和不同测量位置处，充填骨料颗粒堆积体孔隙率的变化情况。图5表示实验室测试不同溢流细砂含量下充填骨料自然堆积状态下孔隙率变化情况。
从图4和图5可知，随着溢流细砂含量增大，充填骨料孔隙率呈增大趋势，PFC3D软件模拟和试验测试具有一致性；PFC3D软件模拟颗粒堆积体孔隙率比实际尾砂自然堆积状态下的孔隙率小,密实度高。从图4可以发现，在颗粒堆积体系中，沿重力方向，颗粒堆积体孔隙率呈减小趋势，与实践经验相符合。
本文利用 PFC3D 软件模拟不同粒级组成的颗粒体系在自重作用下的堆积状态，并测试颗粒堆积体内不同位置处的孔隙率和配位数，计算结果表明：
1)Fuller粒径分布曲线在n=0.6时，颗粒堆积体具有相对低的孔隙率。
2)沿重力方向，颗粒堆积体内孔隙率呈减小趋势，配位数呈增大趋势。
3)在充填骨料中添加溢流细砂，随着溢流细砂含量的增大，骨料孔隙率增大，级配变差。
