高階段膠結(jié)充填體強(qiáng)度的變化規(guī)律

張立新

(安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 霍邱 237462)

高階段膠結(jié)充填體強(qiáng)度的變化規(guī)律

張立新

(安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 霍邱 237462)

根據(jù)企業(yè)降本增效要求，礦山使用的充填膠結(jié)材料由原來的P.C32.5標(biāo)號水泥改為新型膠結(jié)材料——膠固粉。按照設(shè)計(jì)要求的充填配比，發(fā)現(xiàn)地表實(shí)驗(yàn)室料漿試塊和井下充填體取芯的強(qiáng)度存在很大差異。在-400 m中段的14-1#和10-3#充填采場中，提取不同深度的地表實(shí)驗(yàn)室和井下充填體的巖芯，分析2種膠結(jié)材料在不同養(yǎng)護(hù)條件下所對應(yīng)的強(qiáng)度變化規(guī)律。對于水泥充填的采場，充填體取芯的強(qiáng)度要比實(shí)驗(yàn)室試塊的強(qiáng)度高1.8 MPa以上；對于膠固粉充填的采場，灰砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6時(shí)充填體取芯的強(qiáng)度要比實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度高2.0、1.35和0.7 MPa以上，且隨著充填灰砂比的降低而降低。研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化充填灰砂比提供了可靠的依據(jù)，進(jìn)而可減少充填材料的消耗，降低充填成本。

膠結(jié)材料 充填強(qiáng)度 灰砂比優(yōu)化 充填成本

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司新開發(fā)鐵礦是國內(nèi)大型現(xiàn)代化地下開采礦山，位于淮河中上游沖積平原，礦床為沉積變質(zhì)礦床，礦體埋深標(biāo)高為-103～-800 m，走向近南北，傾向西，長3.4 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為750萬t/a。根據(jù)礦體賦存條件及工業(yè)場地布置，為了滿足自流輸送充填倍線要求，共設(shè)置了3個(gè)充填站，充填規(guī)模為230萬m3/a。經(jīng)過幾年實(shí)踐摸索、改造、擴(kuò)建，整套充填工藝得到了完善及優(yōu)化，形成了全國比較先進(jìn)的全尾砂膠結(jié)充填工藝系統(tǒng)[1-2]。

膠結(jié)充填采礦法在提高回采率、降低貧化率、控制地壓、降低工業(yè)固體廢料排放等方面具有其他采礦法無法代替的優(yōu)勢[3-6]，但其充填成本較高，礦山原使用的充填膠結(jié)材料為PC32.5標(biāo)號水泥，改為新型膠結(jié)材料——膠固粉。隨著鐵礦石價(jià)格斷崖式暴跌，在確保充填體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低成本顯得尤為重要。因此，礦山將充填膠結(jié)材料由原來的PC32.5標(biāo)號水泥改為新型膠結(jié)材料——膠固粉，并通過分析實(shí)驗(yàn)室料漿試塊強(qiáng)度與充填體實(shí)際強(qiáng)度的變化規(guī)律，尋找合適的灰砂比，減少膠結(jié)材料消耗，從而更好地降低充填成本。

1 高階段采場充填體強(qiáng)度要求

高階段采場采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法，中段高度100 m，分段高度25 m，采場寬度20 m。根據(jù)國內(nèi)外充填強(qiáng)度研究結(jié)果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[7-8]，通過對井下高階段采場開采過程中穩(wěn)定性參數(shù)研究，在充填體周圍巖體不產(chǎn)生破壞即彈性變形的前提下，以充填體自重為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮充填體上部巖層的部分應(yīng)力傳遞、爆破的影響，對-400 m中段高階段采場不同段高充填體的強(qiáng)度分布要求如圖1所示[9]。

圖1 高階段采場一步采強(qiáng)度分布Fig.1 The first-step filling strengthdistribution of the high level stope

為掌握單倉充填料漿強(qiáng)度值，從而對采場充填體質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判，在生產(chǎn)過程中，每倉進(jìn)行取樣澆模試驗(yàn)。取樣澆模后擺放于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度控制在23±3 ℃，相對濕度控制在96%(模擬井下采場溫濕度)，待達(dá)到各齡期后測試強(qiáng)度(3 d、7 d、28 d、60 d)，每齡期做3個(gè)試塊，最終取其平均值作為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測試塊強(qiáng)度。同時(shí)，對達(dá)到養(yǎng)護(hù)條件的采場進(jìn)行充填體取芯，測試充填體取芯的強(qiáng)度。因前期充填膠結(jié)材料為水泥，經(jīng)優(yōu)化后改為膠固粉，故分別以水泥(李樓14-1#采場)及膠固粉充填采場(李樓10-3#采場)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試塊及采場充填體取芯的強(qiáng)度分析。

2 水泥充填采場取樣強(qiáng)度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室水泥取樣的強(qiáng)度

李樓14-1#采場共充填55倉，膠結(jié)材料為PC32.5標(biāo)號水泥，尾砂為鏡鐵礦尾礦，料漿濃度均在71%～72%。由于水泥和鏡鐵礦尾砂結(jié)合后實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度增長較慢，為確保充填體質(zhì)量，充填比例全部為1∶4。因其28 d強(qiáng)度值較為穩(wěn)定，故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從不同段高隨機(jī)抽檢，見表1。可以看到，在嚴(yán)格控制料漿濃度及灰砂比的前提下，試塊28 d強(qiáng)度值較穩(wěn)定，強(qiáng)度范圍在3.0～3.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 采場充填體取芯的強(qiáng)度

為了準(zhǔn)確掌握采場充填體強(qiáng)度變化情況及不同段高充填體強(qiáng)度受自重壓力變化的影響，采場充填結(jié)束90 d后對充填體進(jìn)行取芯檢測。李樓14-1#采場共取2組樣本，1#孔取芯高度67 m，2#孔取芯高度91

表1 李樓14-1#采場實(shí)驗(yàn)室充填試塊和井下充填體取芯強(qiáng)度Table 1 The strength of laboratory filling block and thecore of filling body in Lilou 14-1# stope

m，2組樣本較完整，粗細(xì)較均勻，表面光滑。與地表實(shí)驗(yàn)室料漿試塊所對應(yīng)的段高取芯強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。2組取芯強(qiáng)度基本都在4.0 MPa以上，滿足采場不同段高設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.3 強(qiáng)度對比

根據(jù)表1可知：實(shí)驗(yàn)室水泥試塊強(qiáng)度較均衡，最低強(qiáng)度為3.0 MPa，最高強(qiáng)度為3.37 MPa，平均強(qiáng)度為3.17 MPa。1#取芯樣本最低強(qiáng)度3.95 MPa，最高強(qiáng)度5.92 MPa，平均強(qiáng)度為5.16 MPa；2#取芯樣本最低強(qiáng)度4.11 MPa，最高強(qiáng)度6.86 MPa，平均強(qiáng)度4.9 MPa。2組取芯孔平均強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)室試塊平均強(qiáng)度高1.8 MPa以上。1#取芯強(qiáng)度高于2#孔，因1#取芯靠近采場充填井位置，料漿進(jìn)入采場后，自然流動(dòng)至空場另一端，在流動(dòng)過程中，料漿中粗顆粒逐步沉降，當(dāng)?shù)竭_(dá)采場另一端時(shí)，料漿中所剩顆粒基本全部為較細(xì)顆粒，且多余水也隨之到達(dá)，故造成1#充填體樣本強(qiáng)度高于2#孔。

3 膠固粉充填采場取樣強(qiáng)度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室膠固粉取樣強(qiáng)度

李樓10-3#采場共充填57倉，采用膠固粉材料進(jìn)行充填，料漿濃度均在71%～72%，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，根據(jù)膠結(jié)材料綜合性能及采場段高強(qiáng)度要求，確定其充填比例為1∶4、1∶5、1∶6、1∶4。實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為75 m以內(nèi)隨機(jī)抽檢數(shù)據(jù)，見表2。可以看到，在嚴(yán)格控制料漿濃度及灰砂比的前提下，試塊28 d強(qiáng)度基本滿足采場不同段高強(qiáng)度要求。

3.2 李樓10-3#采場充填體取芯強(qiáng)度

10-3#采場充填結(jié)束90 d后，對其進(jìn)行充填體取芯。取芯2組，鉆孔高度均為75 m，2組樣本基本完整，局部有破碎及粗細(xì)不均勻現(xiàn)象。與地表實(shí)驗(yàn)室料漿試塊所對應(yīng)的段高取芯強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。可以看到，2組取芯樣本的強(qiáng)度全部高于段高強(qiáng)度要求。

表2 10-3#采場實(shí)驗(yàn)室充填試塊和井下充填體取芯強(qiáng)度Table 2 The strength of laboratory filling blockand the core of filling body in Lilou 10-3# stope

3.3 膠固粉實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度與井下充填體取芯強(qiáng)度對比

根據(jù)表2可知：灰砂比為1∶4時(shí)，實(shí)驗(yàn)室試塊28 d平均強(qiáng)度為3.16 MPa，1#充填體取芯平均強(qiáng)度為5.37 MPa，2#孔平均強(qiáng)度為5.02 MPa，充填體取芯平均強(qiáng)度高于實(shí)驗(yàn)室試塊平均強(qiáng)度2.0 MPa以上；灰砂為1∶5時(shí)，實(shí)驗(yàn)室試塊平均強(qiáng)度為2.8 MPa，1#充填體取芯平均強(qiáng)度為4.1MPa，2#孔平均強(qiáng)度為4.2 MPa，充填體取芯平均強(qiáng)度高于實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度1.35 MPa以上；灰砂比為1∶6時(shí)，充填體取芯強(qiáng)度高于實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度0.7 MPa以上。3組強(qiáng)度較均衡，均高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且隨著充填灰砂比的降低而降低。

4 結(jié) 論

(1) 通過對水泥和膠固粉2種膠結(jié)材料實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度與井下充填體取芯強(qiáng)度的對比分析，發(fā)現(xiàn)采場充填體實(shí)際強(qiáng)度比同等灰砂比實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度高。對于水泥充填的采場，充填體取芯強(qiáng)度要比實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度高1.8 MPa以上；對于膠固粉充填的采場，灰砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6時(shí)充填體取芯強(qiáng)度要比實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度高2.0 MPa、1.35 MPa和0.7 MPa以上。

(2) 根據(jù)2種充填材料實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度與井下充填體強(qiáng)度的變化規(guī)律，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化灰砂比。考慮到目前采場全部采用膠固粉充填，在滿足采場不同段高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，建議每種段高均降低1級灰砂比進(jìn)行充填，進(jìn)而降低充填成本。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Change Laws of the Strength of High Level Cemented Backfill Body

Zhang Lixin

(AnhuiMiningDevelopmentCo.，Ltd，Huoqiu237462，China)

The cemented material，P.C32.5 cement，that was previously used in the mine is replaced by a new cementing material，named cementation powder，according to the requirement of lowering costs and improving efficiency.Based on the filling ratio required in design，there was a great difference between the blocks strength in the surface laboratory test and the core strength at filling body.At the stopes of 14-1#and 10-3#at the -400 m stage，the strength of blocks at surface laboratory and underground core at different depth was extracted，and the change law of strength for two kinds of cementing materials in different curing conditions was analyzed.For cement filling stope，the underground core strength was above 1.8 MPa higher than that of blocks in the laboratory test;For glue powder filling stope，the underground core strength at the three ratio(1∶4,1∶5,1∶6)was respectively above 2.0 MPa and 1.35 MPa and 0.7 MPa higher than that of blocks in the laboratory test，and with the decrease of the ratio，the filling strength was reduced.It provides a reliable basis for further optimizing the cement-sand ratio and thereby reducing the material consumption and filling cost.

Cemented material，F(xiàn)illing strength，The optimization of cement-sand ratio，F(xiàn)illing cost

2015-08-03

張立新(1980—)，男，高級工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-11-042-03