稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化研究

荊 倩 婧，徐 幫 樹2，董 山3，王 薇，張 萬 志

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 2.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 3.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250061)

礦山地下開采形成采空區(qū)，易引起圍巖的移動(dòng)、變形和破壞[1-3]。若不及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，隨著開采深度的增加，地下開采的影響將波及地表，導(dǎo)致地表土體下沉、塌陷[4-5]。采用尾砂膠結(jié)充填的方法處理采空區(qū)[6-8]，不僅可以解決尾砂排放量大、無處堆放的問題，還可以有效防止地表塌陷，提高礦產(chǎn)資源回收率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

目前，許多學(xué)者已對(duì)礦山采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化做了大量研究。Fall等[9]采用中心復(fù)合試驗(yàn)研究水泥摻量、水灰比、尾砂細(xì)度和密度對(duì)充填材料性能的影響，并基于響應(yīng)面法建立了充填材料強(qiáng)度、成本及充填料漿坍落度的預(yù)測(cè)模型，以充填材料性能的整體滿意度為目標(biāo)，對(duì)充填材料配合比進(jìn)行優(yōu)化。李一帆等[10]基于充填體的充填作用機(jī)理，通過正交試驗(yàn)，對(duì)影響尾砂充填體強(qiáng)度的因素進(jìn)行研究，選出符合大柳行金礦采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填體的材料配合比。楊超等[11]分別對(duì)黃獅澇和水木沖的尾礦庫尾砂進(jìn)行物化分析，開展料漿流動(dòng)性及充填體強(qiáng)度的測(cè)試，選出適合南方某金礦充填所用的尾砂及最佳充填料漿參數(shù)；宋衛(wèi)東等[12]研究了不同的料漿濃度、灰砂比和齡期對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度和料漿流動(dòng)性的影響，并根據(jù)同類礦山采空區(qū)充填體強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)值，確定適合程潮鐵礦的尾砂膠結(jié)充填材料配合比。趙學(xué)龍[13]通過分析礦區(qū)尾砂的物化性質(zhì)，開展充填料漿流動(dòng)性及強(qiáng)度試驗(yàn)，得出大梨樹溝鐵礦采空區(qū)充填材料的最優(yōu)配合比。饒運(yùn)章等[14]采用回歸正交組合設(shè)計(jì)方法，研究了水泥用量和料漿濃度對(duì)充填料漿坍落度和充填體強(qiáng)度的影響，得出會(huì)寶嶺鐵礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。洪訓(xùn)明等[15]通過正交試驗(yàn)研究了料漿濃度、灰砂比和齡期對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度及料漿坍落度的影響，確定了礦山充填材料的最優(yōu)配合比。雷大星等[16]對(duì)安徽某鐵礦尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，選出了合適的充填材料配合比。崔學(xué)偉等[17]根據(jù)礦山生產(chǎn)條件和充填材料基本參數(shù)，確定新城金礦的充填濃度和充填體強(qiáng)度，并通過正交試驗(yàn)研究灰砂比和齡期對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響，選出了合適的充填材料配合比。綜上可知，現(xiàn)有成果已從充填材料的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和力學(xué)性能等方面開展了尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化研究，但并未考慮不同配合比的充填材料對(duì)抑制地表及建筑物沉降變形的影響。

鑒于此，本文綜合采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析不同的料漿濃度和灰砂比對(duì)尾砂膠結(jié)充填材料力學(xué)性能以及對(duì)地表、建筑物沉降的影響，并依據(jù)GB50771-2012《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中地表建筑物的位移和變形允許值，確定稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。

1 工程概況

某稀土礦賦存高程-160～-500 m，采用淺孔留礦法開采，井下形成的采空區(qū)選用礦區(qū)尾砂膠結(jié)充填。

礦塊沿礦體走向布置，長(zhǎng)60 m，高度為階段高度，寬度為礦體水平厚度，礦房頂柱2 m，間柱6 m，不設(shè)底柱。礦體頂板為中粒花崗閃長(zhǎng)巖，底板為正長(zhǎng)巖。礦體及巖石移動(dòng)范圍內(nèi)的地表建筑物主要為學(xué)校。

2 尾砂膠結(jié)充填配合比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用尾砂取自礦區(qū)尾砂庫，膠結(jié)劑為礦山材料廠自營生產(chǎn)的普通325水泥，拌和水為自來水。尾砂的物理性質(zhì)見表1，化學(xué)成分見表2，尾砂的粒徑級(jí)配如圖1所示。

表1 尾砂的物理性質(zhì)Tab.1 Physical property of tailings

表2 尾砂的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of tailings %

圖1 尾砂顆粒粒徑級(jí)配Fig.1 Grain-size distribution of tailings

2.2 試驗(yàn)方案

充填材料的料漿流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度是確定其配合比的關(guān)鍵[18]。文獻(xiàn)[19]表明，充填材料的料漿濃度為65% ～ 70%時(shí)，充填料漿具有良好的流動(dòng)性。本次試驗(yàn)分別選取4組料漿濃度和灰砂比進(jìn)行坍落度試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，其中料漿濃度為64%，66%，68%和70%，灰砂比為1∶6,1∶8,1∶10和1∶12，試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)見表3。通過對(duì)比分析不同的料漿濃度和灰砂比對(duì)充填材料力學(xué)性能的影響，初步確定充填材料配合比。

表3 充填材料配合比試驗(yàn)Tab.3 Test on mix proportioning of backfill materials

2.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案制備充填料漿，采用坍落度筒測(cè)定料漿的坍落度；將充填料漿裝入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)試模制成充填試塊；試塊養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期28 d后，應(yīng)用JNSJ壓力機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)(見圖2)。充填材料的料漿坍落度和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖2 充填試塊單軸壓縮試驗(yàn)Fig.2 Uniaxial compression test for backfill block

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1充填料漿流動(dòng)性分析

充填料漿的坍落度與料漿濃度的關(guān)系如圖3所示，與灰砂比的關(guān)系如圖4所示。

從圖3可以看出，灰砂比一定時(shí)，隨著料漿濃度的增加，充填料漿的坍落度逐漸減小。當(dāng)料漿濃度大于66%時(shí)，不同灰砂比的充填料漿其坍落度均小于12.3 cm，表明充填料漿流動(dòng)性差，在管道中輸送困難；當(dāng)料漿濃度不超過66%時(shí)，不同灰砂比的充填料漿其坍落度為12.3～17.2 cm，表明充填料漿流動(dòng)性較好，滿足管道輸送要求。

從圖4可以看出，料漿濃度為64%時(shí)，隨著灰砂比的減小，充填料漿坍落度略呈增大趨勢(shì)；料漿濃度為66%，68%或70%時(shí)，隨著灰砂比的減小，充填料漿坍落度略有波動(dòng)，但變化不大。

圖3 坍落度與料漿濃度關(guān)系Fig.3 Relationship between slurry concentration and slump

圖4 坍落度與灰砂比關(guān)系Fig.4 Relationship between cement-sand ratio and slump

此外，觀察充填料漿坍落度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料漿濃度為66%時(shí)，充填料漿析水量較少，沒有出現(xiàn)水泥與尾砂分離的現(xiàn)象。因此，充填材料料漿濃度的最優(yōu)值取為66%。

2.4.2充填材料單軸抗壓強(qiáng)度分析

充填材料單軸抗壓強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系如圖5所示，與灰砂比的關(guān)系如圖6所示。

從圖5可以看出，灰砂比一定時(shí)，隨著料漿濃度的增大，充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)料漿濃度從64%增加到70%時(shí)，不同灰砂比的充填材料抗壓強(qiáng)度最大提高約55%。

從圖6可以看出，料漿濃度一定時(shí)，隨著灰砂比的減小，充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)灰砂比從1∶6減小至1∶12時(shí)，不同料漿濃度的充填材料抗壓強(qiáng)度最大減小34%。

進(jìn)一步地，從圖5可知，當(dāng)料漿濃度為64%、灰砂比在1∶12～1∶6之間變化時(shí)，充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度增大幅度最小，其最小增加為2.5 MPa；從圖6可知，當(dāng)灰砂比為1∶6、料漿濃度在64%～70%之間變化時(shí)，充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度增大幅度最大，其最大增加為2.1 MPa。這表明相比料漿濃度變化的影響，灰砂比的變化對(duì)充填材料抗壓強(qiáng)度的影響更大。

圖5 料漿濃度與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Relationship between slurry concentration and uniaxial compressive strength

圖6 灰砂比與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.6 Relationship between cement-sand ratio and uniaxial compressive strength

3 稀土礦開采充填過程的數(shù)值模擬分析

當(dāng)料漿濃度為66%時(shí)，為確定充填材料的最優(yōu)灰砂比，本文應(yīng)用FLAC3D軟件，研究尾砂膠結(jié)充填材料灰砂比為1∶6，1∶8，1∶10和1∶12時(shí)，稀土礦采空區(qū)回填后對(duì)地表及地表建筑物沉降變形的影響。

3.1 模型建立與邊界條件

基于地勘鉆孔數(shù)據(jù)，稀土礦體的分布簡(jiǎn)化為3層，平均厚度為2.2 m，礦體傾角取平均傾角70°，兩層礦體之間的夾層厚度分別為110 m和45 m。根據(jù)礦區(qū)開挖范圍，利用FLAC3D建立三維模型，模型長(zhǎng)1 000 m，寬874 m，高600 m，如圖7所示。

圖7 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Three-dimensional numerical calculation model

模型分組為：第四系地層、中?；◢忛W長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖、充填體和學(xué)校(地表建筑)，礦體賦存于中?；◢忛W長(zhǎng)巖中。

模型底面固定：側(cè)面約束水平方向，頂面為自由邊界。巖體力學(xué)模型采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型。建筑物力學(xué)模型采用彈性模型，并以等效的均布荷載施加于建筑物表面。

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)，巖體及充填材料力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 材料參數(shù)Tab.4 Material parameters

3.3 開挖充填模擬過程

根據(jù)此稀土礦的采礦方法和回采工藝，本次模擬過程中依次開挖-160～-210 m,-210 ～-270 m,-270 ～-330 m,-330 ～-390 m,-390 ～-450 m和-450 ～-500 m中段的礦體，每一層中段開采完畢后，及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，開挖礦體如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model

3.4 沉降監(jiān)測(cè)設(shè)置

為研究稀土礦開挖充填完成后，地表及地表建筑物的沉降變形規(guī)律，地表沉降沿縱向和橫向各設(shè)置1個(gè)斷面，地表建筑物學(xué)校設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.9 Monitoring sections and monitoring points

3.5 結(jié)果及分析

稀土礦山開挖充填結(jié)束后，料漿濃度為66%時(shí)，采用不同灰砂比充填材料的地表沉降云圖如圖10所示，地表各監(jiān)測(cè)斷面沉降變化曲線如圖11所示。

從圖10可以看出，料漿濃度為66%時(shí)，充填材料的灰砂比越大，地表沉降越小。地表沉降最大值出現(xiàn)在礦體豎向投影到地表的區(qū)域，并向四周逐漸減小?；疑氨葹?∶6，1∶8，1∶10和1∶12時(shí)，地表沉降最大值分別為16.2，17.4，18.3，19.8 mm。

從圖11可以看出，料漿濃度為66%時(shí)，不同灰砂比的充填材料對(duì)地表沉降變形影響的趨勢(shì)大致相同，地表沉降曲線呈“漏斗型”變化。

稀土礦山開挖充填結(jié)束后，學(xué)校各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向及水平位移如圖12所示，其最大變形值見表5。從圖12可以看出，料漿濃度為66%時(shí)，灰砂比越大，建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移越小。

圖10 地表沉降云圖(單位：mm)Fig.10 Surface settlement nephogram

圖11 地表沉降變化曲線Fig.11 Surface settlement curve

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.12 Monitoring points displacement

依據(jù)GB50771-2012《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中地表建筑物的保護(hù)等級(jí)劃分，學(xué)校的保護(hù)等級(jí)屬于Ⅱ級(jí)。從表5可以看出，4種配比中，學(xué)校的最大傾斜為0.117 mm/m，小于Ⅱ級(jí)建筑物的傾斜變形允許值6 mm/m；學(xué)校的最大水平變形為0.095 mm/m，小于Ⅱ級(jí)建筑物的水平變形允許值4 mm/m；學(xué)校的最大曲率為1.82×10-6/m，小于Ⅱ級(jí)建筑物的曲率變形允許值0.4×10-3/m。

表5 學(xué)校監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變形值Tab.5 Maximum deformation of school monitoring points

綜上所述，使用料漿濃度66%、灰砂比1∶6，1∶8，1∶10和1∶12的充填材料后地表建筑物位移與變形的影響值均在規(guī)范保護(hù)等級(jí)允許范圍之內(nèi)，即能夠滿足礦山對(duì)采空區(qū)充填材料的強(qiáng)度要求。此外，從表3可知，料漿濃度為66%時(shí)，4種灰砂比的充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度最小為1.4 MPa。所以，當(dāng)充填材料的強(qiáng)度超過1.4 MPa時(shí)，可以滿足該稀土礦山采空區(qū)充填材料的強(qiáng)度要求。因此，從經(jīng)濟(jì)合理性角度考慮，選取料漿濃度66%、灰砂比1∶12為該稀土礦充填材料的最優(yōu)配合比。

4 結(jié) 論

(1) 采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，綜合考慮充填材料的力學(xué)性能和充填材料對(duì)抑制地表及建筑物沉降變形的影響，確定料漿濃度66%、灰砂比1∶12為該稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。

(2) 灰砂比一定時(shí)，料漿濃度越大，充填料漿的坍落度越小，流動(dòng)性越差；料漿濃度一定時(shí)，充填料漿的坍落度與灰砂比無明顯關(guān)系。充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度與料漿濃度、灰砂比均呈正相關(guān)，且灰砂比的影響更大。

(3) 料漿濃度為66%時(shí)，灰砂比越大，即強(qiáng)度越大，地表及建筑物的沉降越小。地表沉降最大值出現(xiàn)在礦體豎向投影到地表的區(qū)域，并向四周逐漸減小，地表沉降曲線呈“漏斗型”變化。充填材料單軸抗壓強(qiáng)度超過1.4 MPa時(shí)，可以滿足該稀土礦采空區(qū)對(duì)充填材料的強(qiáng)度要求。