某鐵礦采掘石渣注漿膠結(jié)充填試驗

楊銘竹　王海龍　鄭宇煒　張啟軍

(1.青島業(yè)高建設(shè)工程有限公司；2.青島理工大學(xué)理學(xué)院；3.青島大學(xué)附屬醫(yī)院)

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某鐵礦采掘石渣注漿膠結(jié)充填試驗

楊銘竹1王海龍2鄭宇煒3張啟軍1

(1.青島業(yè)高建設(shè)工程有限公司；2.青島理工大學(xué)理學(xué)院；3.青島大學(xué)附屬醫(yī)院)

摘要為解決了井下采掘石渣處理問題及降低充填成本，利用水泥、全尾砂、石渣、粉煤灰、水等材料進行膠結(jié)充填體試驗。在定制的注漿容器中填充井下石渣，并根據(jù)擬定的不同配比注入充填料漿，養(yǎng)護形成膠結(jié)充填體，獲取不同配比下注漿壓力、填充率、注漿用量及充填體強度等參數(shù)，驗證了回填石渣的可注性及膠結(jié)充填體穩(wěn)定性，并與全尾砂膠結(jié)充填比較，證明具有較好的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞采掘石渣全尾砂注漿膠結(jié)充填

由于采空區(qū)充填石渣注漿膠結(jié)方案在國內(nèi)尚無成熟施工經(jīng)驗可供參照，為此與青島理工大學(xué)王謙源教授團隊合作，利用金鼎礦業(yè)有限公司的采掘石渣及選礦全尾砂進行地面注漿試驗，以驗證回填石渣的可注性和注漿膠結(jié)體的強度，為后期采空區(qū)回填注漿方案的實施提供理論依據(jù)。

1試驗設(shè)備及材料

本次試驗在地面進行，試驗流程見圖1。試驗箱內(nèi)部凈尺寸為0.6 m×0.6 m×3.5 m，容積為1.26 m3，試驗箱端頭中部設(shè)置進料孔，進料孔對側(cè)頂部設(shè)置排氣孔，從端頭側(cè)進料孔進料，另一端上部排氣孔排氣。為便于觀察注漿情況和排料出渣，設(shè)計可拆卸頂蓋及側(cè)開蓋。注漿用攪拌桶直徑為0.9 m，底面積為0.635 85 m2；過濾桶長1 m，寬0.68 m。試驗裝置見圖1。試驗材料及器具見表1、表2。

圖1　試驗裝置示意

試驗材料全尾砂/m3石渣/m332.5水泥/kg計劃用量1102000試驗材料水/kgⅡ級以上粉煤灰/kg河砂/kg計劃用量3000500500

表2　試驗器具匯總

2試驗配比

本次試驗采用充填材料為P.O32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥、Ⅱ級以上粉煤灰、金鼎礦業(yè)公司提供全尾砂(實測含水率為16%)，試驗擬定采用2種配比：0.5∶0.25∶0.25(水泥∶粉煤灰∶全尾砂),0.6∶0.0∶0.4(水泥∶粉煤灰∶全尾砂)。基準(zhǔn)水灰比取0.8∶1，根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，調(diào)整水灰比。

3試驗過程

3.1石渣裝箱

水平放置注漿試驗箱，側(cè)蓋安裝到位，擰緊各螺帽；在試驗箱內(nèi)壁附一層2 cm厚的海綿,并用雙面膠與箱體粘結(jié)；將準(zhǔn)備好的直徑不得大于20 cm石渣裝箱，高度約20 cm；人工振搗并整理裝箱石渣，用細砂填充大塊石渣與側(cè)壁海綿之間的空隙，使石渣與邊緣海綿緊密接觸；二次裝填石渣20 cm，再次振搗整理并用細砂填充邊緣；石渣填滿試驗箱后，先覆一層粗砂進行找平 ，再覆一層細砂，整平后鋪設(shè)海綿層；蓋上試驗箱蓋板，擰緊螺栓。

3.2注漿料攪拌

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的影響下，出租車行業(yè)發(fā)生了巨大的變革，通過技術(shù)和傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，順應(yīng)時代的變化產(chǎn)生了網(wǎng)約車這一服務(wù)模式。根據(jù)《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》的數(shù)據(jù)顯示，截至2018年6月，網(wǎng)絡(luò)預(yù)約出租車用戶規(guī)模達到到3.46億，相比較2017年末增長了5970萬，增長率為20.8%。網(wǎng)約車的蓬勃發(fā)展使得出乘客對出租車的需求大幅度下降。

根據(jù)試驗用料比及水料比計算出不同配比條件下材料用量，根據(jù)攪拌桶尺寸，此次試驗計劃分3次攪拌，每次注漿前后對攪拌桶及漿槽內(nèi)注漿料變化情況進行記錄。

3.3注漿

注漿管連接至試驗箱進漿口，打開排氣口；開機注漿，觀察注漿壓力；注漿壓力明顯升高時，記錄注漿壓力和剩余注漿量；排氣口停止排氣并出漿時，記錄注漿壓力，停止注漿；料漿初凝后，打開試驗箱上蓋，觀察上表面料漿擴散情況，并清理上蓋的排氣口；注漿體養(yǎng)護時間不低于2 h，打開側(cè)蓋，觀察料漿在側(cè)面的流動擴散情況，出渣，清理注漿孔。養(yǎng)護后膠結(jié)體實體見圖2。

圖2　養(yǎng)護后膠結(jié)體實體

4試驗結(jié)果及分析

4.1注漿結(jié)果及分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，總計進行了5組試驗，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)匯總見表3。

4.1.1空隙率

經(jīng)過對現(xiàn)場充填石渣取樣測定，其空隙率為24%，根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗實測注漿填充率為33.7%～41.4%，試驗注漿填充率比測定的樣品石渣空隙率要大，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況分析原因如下：

(1)密實度低，試驗箱容積較小，僅為1.26 m3，且采用人工振搗方式導(dǎo)致密實度比采空區(qū)現(xiàn)場大深度沉積的回填料低。

(2)注漿料泌水排出量較大，注漿試驗泌水率達到20%左右。

表3　注漿試驗數(shù)據(jù)匯總

(3)試驗箱體膨脹變形，試驗箱原設(shè)計承載力為1 MPa，試驗過程中注漿壓力會導(dǎo)致試驗箱產(chǎn)生一定的變形，經(jīng)測定5次試驗后試驗箱累計變形約4 cm，由于箱體變形導(dǎo)致充填料占據(jù)因膨脹變形產(chǎn)生的空間，從而增加注漿量。

(4)礦區(qū)提供的巖石破碎系數(shù)約1.5，未考慮較長時間的自然沉積。

綜合試驗測定的空隙率、試驗注漿填充率、礦區(qū)提供的破碎系數(shù)等情況，擬選用巖石破碎系數(shù)為1.45，現(xiàn)場石渣空隙率為31%。

4.1.2現(xiàn)場注漿填充率

水料比0.8∶1時，注漿料泌水率為18%左右。若注漿量計算中去掉泌水率，填充率可取值75%，注漿填充率為28.4%。

4.1.3注漿材料配比

根據(jù)試驗結(jié)果確定選取材料配合比為0.4∶0.15∶0.45 (P.O32.5水泥∶粉煤灰∶全尾砂),水料比為(0.8～0.85)∶1，該配比濃度為54%，經(jīng)測定，每立方米注漿量配比含量為水泥320 kg，粉煤灰120 kg，全尾砂360 kg，水681 kg。

4.1.4注漿壓力與擴散半徑

注漿填充率或注漿密實度是注漿效果的關(guān)鍵，根據(jù)模擬注漿試驗結(jié)果觀察與強度檢驗，在0.5～0.7 MPa壓力下，上述配比的注漿料擴散半徑超過3 m。因此，為保證注漿質(zhì)量，淺部注漿段擴散半徑可取2～2.5 m，注漿壓力0.5～1 MPa；深部注漿段擴散半徑可取2.8～3.2 m，現(xiàn)場注漿壓力大于 1.5 MPa。

渣體表面可先膠結(jié)充填一定厚度，一方面有利于注漿加壓，另一方面有利于整體穩(wěn)定性，也有利于注漿孔成孔和注漿施工。

4.1.5注漿用量預(yù)計

按注漿填充率可知每立方米充填石渣需要注入約0.284 m3的料漿，按54%濃度計算每立方米擬充填石渣的注漿材料消耗為水泥90.9 kg，粉煤灰34.1 kg,全尾砂102.2 kg,水193.4 kg。

根據(jù)上述試驗結(jié)果及分析，注漿填充率及注漿密實度可滿足相關(guān)要求，即回填石渣具備可注性。

4.2注漿膠結(jié)體強度分析

對第二組、第五組注漿試驗取樣并進行強度檢測，其中將第二組試驗結(jié)束后現(xiàn)場取樣4塊，將第五組試驗箱整體帶回試驗室養(yǎng)護28 d后分別進行了鉆孔取芯及切割加工，取樣5塊，取芯和切割試塊取樣見圖3，試塊強度檢測結(jié)果見表4～表6。

圖3　注漿體取芯和切割試塊

試塊編號尺寸/cm直徑高齡期/d極限荷載/kN抗壓強度/MPa1#10.510.565464.172#121265503.473#1212651107.644#11.511.542392.95

表5　第5組取芯試塊強度檢測結(jié)果

表6　第5組切割試塊強度檢測結(jié)果

根據(jù)青島理工大學(xué)進行相關(guān)模擬試驗結(jié)論，設(shè)計注漿料60d固化強度為8MPa左右，注漿石渣的整體強度不低于2MPa。而本次注漿體強度檢測中，第2組試塊65d強度為3.5～7.6MPa，平均強度為5.1MPa；第5組取芯試塊64d強度為2.4～8MPa，平均強度為4.4MPa；第5組切割試塊強度為1.75～4.91MPa，平均為3MPa，由于受水力切割加工、運輸及搬運等因素影響，故該組試塊整體強度偏低。綜合考慮3組試塊平均強度為3～5.1MPa，滿足模擬試驗整體強度不低于2MPa的要求，可基本滿足注漿膠結(jié)體整體穩(wěn)定性要求。

4.3經(jīng)濟性分析

該方案礦井采掘石渣占膠結(jié)體71.6%，而注漿料僅占膠結(jié)體28.4%，按54%濃度考慮，則單位體積膠結(jié)體中注漿料含量分別為水泥6.1%,粉煤灰2.3%,全尾砂6.9%,水13.1%。全尾砂膠結(jié)充填工藝按75%濃度、1∶4灰砂比考慮，則單位體積膠結(jié)體注漿料含量分別為水泥15%，全尾砂60%，水25%。該方案中單位體積用料成本約為全尾砂膠結(jié)充填成本的56%，采掘廢石倒運及處理節(jié)約成本，綜合而言，井下石渣注漿膠結(jié)充填方案相對于傳統(tǒng)全尾砂膠結(jié)充填工藝具有一定的經(jīng)濟效益。

5結(jié)論

通過井下石渣注漿膠結(jié)試驗，取得了注漿填充率、注漿材料配比、注漿壓力與擴散半徑等相關(guān)注漿基礎(chǔ)參數(shù)，驗證了回填石渣的可注性，注漿膠結(jié)體的強度能夠達到整體穩(wěn)定性要求，驗證了回填石渣注漿膠結(jié)方案的可行性。該方案充分利用了礦井生產(chǎn)的采掘石渣及全尾砂，解決了采掘石渣的處理問題，相較于傳統(tǒng)的全尾砂膠結(jié)充填工藝，提高了資源利用率，在經(jīng)濟性上具有一定優(yōu)勢。

The Experiment of Grouting Cement Filling with Mining Stone Slag of a Iron Mine

Yang Mingzhu1Wang Hailong2Zheng Yuwei3Zhang Qijun1

(1.Qingdao Yegao Construction Engineering Co.,Ltd.;2.School of Science,Qingdao Technological University;3.The School Hospital, Qingdao Technological University)

AbstractIn order to deal with the mining stone slag with high efficiency and reduce the filling cost, the cement filling experiment is conducted by adopting the materials such as cement, full tailings, stone slag, fly ash, water and so on. The mining stone slag is filled in a custom grouting container, and it is injected by the filling slurry with different ratio to obtain the cement filling body by maintenance. The parameters which are grouting pressure, filling rate, grouting amount and strength of filling body are obtained under the different ratio, the groutability of backfilling stone slag and the stability of cement filling body are verified. Besides that, the good economic value is proved by comparing with full tailings cemented filling method.

KeywordsMining stone slag, Full tailings, Grouting, Cemented filling

(收稿日期2015-12-16)

楊銘竹(1985—)，男，主管，工程師，266000 山東省青島市市北區(qū)上清路12號。

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