高峰礦廢石和尾砂混合充填沉降試驗研究

梁耀東，高峰，艾浩泉，羅增武，黃世頂

(1.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司， 廣西 南丹縣 5472051；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱高峰礦）主要以錫礦開采為主，也包含伴生鋅、鉛、銻、銀及其他可利用礦產(chǎn)資源的綜合開采。高峰礦年采選能力為30萬t，礦山井下每年產(chǎn)生約10萬t的廢石。礦山采用的采礦方法為機(jī)械化上向水平分層充填法。縱觀當(dāng)前礦山井下充填技術(shù)，尾砂與廢石依然是礦山充填骨料的主要來源。對于分層充填法開采的礦山，利用尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填的工藝和技術(shù)已比較成熟，但目前針對礦山廢石與全尾砂的充填工藝技術(shù)仍然是分而用之[1]。

高峰礦目前采深已達(dá)1200 m[2]，如果實現(xiàn)廢石不出坑，將大幅降低運(yùn)輸成本和充填成本。對于廢石的利用有兩種技術(shù)思路。一是部分廢石在井下轉(zhuǎn)運(yùn)后充入采空區(qū)，然后用質(zhì)量濃度為63%～68%的全尾砂膠結(jié)料漿在廢石表面進(jìn)行淋灌，以提升廢石充填體的強(qiáng)度，該工藝簡單，操作方便，適用于對二步驟采場充填或空區(qū)治理。另外一種思路是在井下將廢石破碎至較小粒徑的碎石，然后與尾砂、水泥利用充填工業(yè)泵進(jìn)行混合后泵送充填，主要用于構(gòu)筑底部結(jié)構(gòu)、采場的澆面及對充填強(qiáng)度有較高要求的結(jié)構(gòu)工程。高峰礦目前主要采用第一種方式。

對于第一種充填方式，廢石與尾砂膠結(jié)混合充填體沉降的問題，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究[3-6]。但是由于混合充填料相互作用的關(guān)系較為復(fù)雜，難以采用數(shù)值模擬[7]。因此，為了了解尾砂膠結(jié)料漿的流動特征和沉降規(guī)律，指導(dǎo)礦山進(jìn)行充填料漿澆灌，一定程度改善和提高混合充填體的強(qiáng)度，開展了高峰礦廢石及尾砂混合充填體的沉降相似模擬試驗。

1 試驗概述

1.1 試驗材料與裝置

試驗材料主要包括廢石、尾砂和水泥，廢石和尾砂取自高峰礦，水泥為P·O32.5普通硅酸鹽水泥。其中廢石密度為2.72 g/cm3，孔隙率為29.4%，單軸抗壓強(qiáng)度為70 MPa左右；尾砂密度為3.09 g/cm3，孔隙率為43.06%，可以看出尾砂的孔隙率較大。通過對廢石和尾砂的粒徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)尾砂主要為小于1000 μm的顆粒，各種粒徑分布較為均勻，屬于連續(xù)級配；廢石最大粒徑為10 mm，其中2～4 mm的顆粒占多數(shù)。

高峰礦井下礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長60 m、寬10 m、階段高50 m。為了反映出采場形狀對混合充填體的影響，自行加工試驗裝置。現(xiàn)根據(jù)采場的形狀大小參數(shù)，按1:100的比例設(shè)計試驗?zāi)Ｐ汀Ｔ囼炂鞑闹饕需F鏟、攪拌棒、鋼尺、攪拌桶等。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)礦山的實際情況，廢石先充入采空區(qū)，而尾砂膠結(jié)料漿集中一次性充填完成，對于廢石的充填過程，有單點下料和多點下料的方式。此處試驗根據(jù)礦山實際情況采用多點下料方式。同樣根據(jù)礦山實際，配置質(zhì)量濃度為66%的尾砂料漿，灰砂比均為1:4。

主要試驗過程如下所述。

（1）裝填廢石。首先在模型內(nèi)裝入廢石，達(dá)到高度要求后將廢石表面進(jìn)行平整，廢石充填高度為20 cm。

（2）尾砂膠結(jié)料漿淋灌。將配制好的尾砂膠結(jié)料漿從廢石頂部間隔淋入，在料漿初期流動后達(dá)到30 cm高度標(biāo)記線處為止。

（3）測量點布置。由于壁面效應(yīng)，充填體不同位置的沉降量是不一樣的，為了能較好地反映室充填體的沉降量，在充填體表面按照一定的順序布置測量點，通過對測量點的觀測，來獲得充填體不同位置的沉降量，測量點布置情況如圖1所示，一共有3行（A行、B行、C行），每行7個測點。（4）觀測時間確定。為了能反映混合充填體隨時間變化的沉降情況，設(shè)定的測量時間分別為1 h、6 h、24 h、48 h、72 h。

圖1 測量點布置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 充填料漿隨時間的沉降特征

膠結(jié)尾砂料漿充入空區(qū)與廢石混合時，在水力和重力作用下，膠結(jié)尾砂料漿在與廢石的接觸過程中，不斷受到廢石的剪切作用并進(jìn)入廢石表層或接觸層孔隙之中，包裹住大顆粒廢石散體，廢石與尾砂膠結(jié)料漿緊密結(jié)合，形成混合充填體。

不同時間各監(jiān)測點的平均沉降量和總沉降量見表1，混合充填體沉降曲線如圖2所示。

表1 不同時間各監(jiān)測點的平均沉降量和總沉降量

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表1和圖2、圖3可知，每行的首尾部沉降量較小，中部沉降量較大；靠近模型壁的位置沉降量較小，遠(yuǎn)離模型壁的位置沉降量較大。通過對比A行、B行和C行的沉降量，可以發(fā)現(xiàn)A行和C行的最終沉降量大致相同，B行的沉降量最大，這是由于料漿和模型在接觸面上產(chǎn)生黏滯作用，導(dǎo)致充填體的沉降量較小，這就能解釋為什么礦山中圍巖與充填體的接觸面上的沉降量要比其他位置小。在礦山實際的尾砂膠結(jié)料漿充填工作中，當(dāng)靠近圍巖和礦柱的位置時，可以適當(dāng)增加灌漿的時間；當(dāng)位于充填區(qū)中部的地方時，可以適當(dāng)減少灌漿的時間，這樣可以保證充填體各位置的沉降趨于一致性，提高充填效果和充填體的整體強(qiáng)度。

圖2 混合充填體沉降曲線

圖3 混合充填體沉降過程

根據(jù)總平面不同時間的平均沉降量，擬合出平均沉降量隨時間變化的關(guān)系。

式中，y為充填體的沉降量，cm；x為充填體的沉降時間，h。

由圖4可知，尾砂膠結(jié)料漿灌漿后，混合充填體的沉降量在初期較大，前5 h內(nèi)的沉降呈指數(shù)增加，10 h后趨于一個穩(wěn)定值，即充填體沉降量基本保持不變，尾砂料漿與廢石混合充填體基本固結(jié)，在下部廢石的上面形成一個膠結(jié)覆蓋層。

圖4 混合充填體沉降量隨時間的變化曲線

3 結(jié)論

（1）充填體平均沉降量和時間的關(guān)系曲線擬合結(jié)果表明，充填體沉降量與時間呈指數(shù)關(guān)系。即廢石表面淋灌尾砂料漿形成混合充填體的初期沉降量迅速增加，混合充填體在10 h后基本固結(jié)并保持穩(wěn)定。

（2）模型中間混合充填體的沉降量大于四周，呈現(xiàn)出壁面效應(yīng)。因此，在礦山實際采用廢石表面直接淋灌時，靠近圍巖和礦柱的位置，可以適當(dāng)增加灌漿的時間；位于充填區(qū)中部的地方，可以適當(dāng)減少灌漿的時間，這樣可以保證充填體各個位置的沉降趨于一致性，增強(qiáng)充填的效果，提高充填體的整體強(qiáng)度。