膠固粉-全尾砂膠結(jié)充填體在麻姑山銅鉬礦應(yīng)用與實(shí)踐*

彭凱,王文杰,張中偉,李智偉,許永斌,龔囪

(1.宣城全鑫礦業(yè)有限公司, 安徽 宣城市 242000;2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 贛州市 341000)

0 概況

麻姑山銅鉬礦3#礦體傾角為35°～70°,礦體平均厚度約為35 m。由于礦體與上、下盤圍巖均不穩(wěn)定,并且全尾砂含硫量高,致使采用上向水平膠結(jié)充填法時(shí)采場(chǎng)地壓活動(dòng)相對(duì)頻繁,礦石損失率與貧化率高。因此,礦山擬探索采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填法進(jìn)行開采。對(duì)下向進(jìn)路膠結(jié)充填法而言,生產(chǎn)作業(yè)在頂板充填體保護(hù)下進(jìn)行,因此,膠結(jié)充填體能否達(dá)到強(qiáng)度要求[1],在一定程度上決定下向進(jìn)路膠結(jié)充填法能否實(shí)施。生產(chǎn)實(shí)踐與室內(nèi)試驗(yàn)研究表明:膠結(jié)充填體強(qiáng)度一方面取決于尾砂本身屬性,例如粒徑大小[2]與化學(xué)成分[3]等,一般而言,膠結(jié)充填體強(qiáng)度隨著尾砂細(xì)顆粒含量的增加而減小,而尾砂化學(xué)成分主要影響水化產(chǎn)物的類型;另一方面在膠凝材料一定的條件下,膠結(jié)充填體強(qiáng)度隨灰砂比[5-6]、質(zhì)量濃度[7-8]、養(yǎng)護(hù)期齡[9]的增大而增大。另外,養(yǎng)護(hù)溫度[10]、濕度與環(huán)境的海拔高度[11]對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響顯著。近年來,新型膠凝材料[1213]在金屬礦山得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用,較好地解決了以傳統(tǒng)硅酸鹽水泥為膠凝材料的膠結(jié)充填體存在強(qiáng)度低、成本高的局限性。

本文以麻姑山銅鉬礦下向進(jìn)路膠結(jié)充填開采為背景,分析了現(xiàn)有C32.5與C42.5硅酸鹽水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性。針對(duì)全尾砂含硫量高的特征,研究了不同灰砂比、不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下膠固粉-全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性。在此基礎(chǔ)上,提出了適用于麻姑山銅鉬礦下向進(jìn)路膠結(jié)充填方案并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐,研究成果可為類似礦山井下充填提供參考,具有一定的工程借鑒價(jià)值。

1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試件骨料為麻姑山銅鉬礦全尾砂,其級(jí)配曲線見圖1。根據(jù)礦山實(shí)際充填情況,制備試件所需的料漿質(zhì)量濃度均為68%。試件制備前,按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)采用烘干法對(duì)全尾砂含水率進(jìn)行測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算得到制備不同灰砂比膠結(jié)充填體所需水量。本次試驗(yàn)對(duì)象為正方體試件,其尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。試件采用一次性澆筑,待料漿初凝完成后對(duì)試件進(jìn)行脫模處理。最后,置于溫度為20℃、濕度為90%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本次試驗(yàn)共制備C32.5水泥膠結(jié)充填體16個(gè),C42.5水泥膠結(jié)充填體16個(gè),GQ-B-02型膠固粉充填體48個(gè)。

圖1 級(jí)配曲線

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用RMT-150C巖石力學(xué)系統(tǒng)完成,其最大荷載為1000 k N,活塞行程為50 mm,機(jī)架剛度為5×106N/mm。試驗(yàn)加載方式采用位移控制,加速速率為0.002 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硅酸鹽水泥充填體強(qiáng)度特征

以C32.5與C42.5硅酸鹽水泥為膠凝材料,灰砂比為1∶6、質(zhì)量濃度為68%,不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下充填體典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。從圖2可以看出:在單軸壓縮條件下,充填體應(yīng)力峰值點(diǎn)后所表現(xiàn)出的延性隨著齡期的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),充填體殘余強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大。

圖2 充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

充填體單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1。圖3為平均單軸抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系柱狀圖。從表1與圖3可知,C32.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.450～0.514 MPa、0.744～0.909 MPa、0.794～0.898 MPa、0.935～1.088 MPa,相應(yīng)的C42.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.537～0.545 MPa、0.696～0.770 MPa、0.827～1.001 MPa、1.012～1.610 MPa。總體而言,C32.5水泥充填體與C42.5水泥充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大。C42.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d平均單軸抗壓強(qiáng)度較C32.5水泥充填體分別增大了0.070 MPa、0.091 MPa、0.068 MPa、0.102 MPa,說明提高硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)對(duì)提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度效果不明顯。

表1 充填體單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

圖3 平均單軸抗壓強(qiáng)度-齡期柱狀圖

已有的研究表明[14-15]:尾砂化學(xué)成分對(duì)膠結(jié)充填體水化產(chǎn)物具有重要影響,其中硫含量對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著。對(duì)尾砂進(jìn)行X射線熒光光譜分析,結(jié)果見表2。由表2可知,該尾砂屬高硫尾砂,SO3含量約為6.521%,水化反應(yīng)易生成硫酸鹽,從而導(dǎo)致充填骨架出現(xiàn)裂隙,降低充填體強(qiáng)度。

表2 尾砂主要化學(xué)成分質(zhì)量百分比 %

2.2 膠固粉充填體強(qiáng)度特征

圖4給出了質(zhì)量濃度為68%,灰砂比分別為1∶6,1∶10,1∶12,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d膠固粉充填體典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4可看出:與硅酸鹽充填體類似,在單軸壓縮條件下膠固粉充填體應(yīng)力峰值點(diǎn)后所表現(xiàn)出的延性隨著齡期的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),充填體殘余強(qiáng)度隨著齡期與灰砂比的增大而增大。

圖4 典型膠固粉充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

膠固粉充填體單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3,質(zhì)量濃度為68%的強(qiáng)度-灰砂比-齡期關(guān)系柱狀圖見圖5。從表3與圖5可以看出:灰砂比為1∶6,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強(qiáng)度為1.235～1.660 MPa、3.864～4.695 MPa、4.741～5.487 MPa、4.767～6.334 MPa。

圖5 質(zhì)量濃度68%時(shí)強(qiáng)度-灰砂比-齡期關(guān)系

表3 膠固粉充填體單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

相應(yīng)的,灰砂比為1∶10,齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強(qiáng)度為0.068～0.094 MPa、0.742～0.875 MPa、1.432～1.646 MPa、1.818～2.140 MPa。灰砂比為1∶12,齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強(qiáng)度為0.020～0.027 MPa、0.423～0.537 MPa、0.757～0.863 MPa、1.108～1.396 MPa。

從平均單軸抗壓強(qiáng)度分析,灰砂比為1∶10與1∶12的 膠 固 粉7 d強(qiáng) 度 分 別 為0.075 MPa與0.023 MPa,接近于零,但灰砂比為1∶6的膠固粉7 d強(qiáng)度達(dá)到了1.400 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),灰砂比為1∶10與1∶12的充填體強(qiáng)度呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),其中,灰砂比為1∶10時(shí),充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率約為0.089 MPa/d,28 d強(qiáng)度為1.938 MPa。灰砂比為1∶12時(shí)充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率約為0.055 MPa/d,28 d強(qiáng)度為1.181 MPa。對(duì)于灰砂比為1∶6的充填體而言,隨著養(yǎng)護(hù)期齡的增長(zhǎng),充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率總體呈減小的趨勢(shì)。其中,14 d強(qiáng)度為4.310 MPa,是7 d強(qiáng)度的3.1倍,21 d強(qiáng)度為5.238 MPa,是14 d強(qiáng)度的1.2倍,28 d強(qiáng)度較21 d強(qiáng)度約增加5.364 MPa,充填體強(qiáng)度快速增長(zhǎng)期位于0～14 d。

以上測(cè)試結(jié)果表明:在質(zhì)量濃度一定的條件下,膠固粉充填體早期強(qiáng)度可能存在一個(gè)臨界灰砂比。當(dāng)灰砂比小于臨界灰砂比時(shí),膠固粉充填體早期強(qiáng)度可能接近于零,其原因可能與水化產(chǎn)物生成速率有關(guān)。

3 充填方案與實(shí)踐

麻姑山銅鉬礦擬采用下向進(jìn)路充填采礦法開采,該方法在上一分層人工假頂?shù)谋Ｗo(hù)下進(jìn)行。因此,充填方案的選擇關(guān)鍵在于充填體假頂強(qiáng)度能否滿足要求。根據(jù)《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》要求,下向分層充填法假頂膠結(jié)充填體強(qiáng)度應(yīng)不小于3～4 MPa。由于C32.5水泥充填體力學(xué)性能小于C42.5水泥充填體,同時(shí)灰砂比為1∶10的膠固粉充填力學(xué)性能介于灰砂比為1∶6和1∶12膠固粉充填體之間,因此只對(duì)灰砂比為1∶6的C42.5充填體與灰砂比分別為1∶6和1∶12膠固粉充填進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見圖6。由圖6可知:灰砂比為1∶12的膠固粉充填體除7 d與14 d強(qiáng)度小于C42.5水泥充填體外,其21 d與28 d強(qiáng)度與C42.5水泥充填體強(qiáng)度相當(dāng),但難于達(dá)到《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。對(duì)灰砂比為1∶6的膠固粉充填體而言,其7 d與28 d強(qiáng)度分別為1.400 MPa與5.364 MPa,滿足《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。

圖6 C42.5水泥充填與膠固粉充填強(qiáng)度對(duì)比

綜合C42.5水泥充填體與膠固粉充填體的強(qiáng)度特性,推薦麻姑山銅鉬礦下向進(jìn)路充填法采用膠固粉為膠結(jié)劑,以克服因尾砂硫含量高致使硅酸鹽水泥充填體強(qiáng)度低的局限性。同時(shí),考慮充填成本,推薦分2次對(duì)進(jìn)路進(jìn)行充填。其中,一期充填質(zhì)量濃度為68%,灰砂比控制在1∶6左右,充填高度為進(jìn)路高度的1/3～1/2之間,以保障充填體假頂強(qiáng)度。二期充填質(zhì)量濃度為68%,灰砂比控制在1∶10～1∶12之間。

圖7給出進(jìn)路斷面為3 m×3 m的實(shí)際充填效果。其中,一期充填高度為1.5 m;二期充填高度為1.5 m。考慮到充填接頂效果,二期分兩步驟充填,第一步驟充填高度控制在1.0～1.2 m,待充填體凝固后再進(jìn)行第二步驟充填,充填高度為0.3～0.5 m。從圖7中可以看出,進(jìn)路開挖后,進(jìn)路頂板質(zhì)量無顯著裂隙,不存在開裂、脫層等現(xiàn)象;進(jìn)路兩幫充填體存在相對(duì)明顯的充填界線,充填體自立性良好,未出現(xiàn)大規(guī)模垮塌現(xiàn)象。充填效果表明,在爆破作業(yè)與出礦期間膠固粉充填體完整性良好,可較好地保障生產(chǎn)作業(yè)安全,并降低礦石損失與貧化。

圖7 實(shí)際充填效果

4 結(jié)論

(1)麻姑山銅鉬礦尾砂屬高硫尾砂,在質(zhì)量濃度為68%條件下,通過提高硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)提高充填體強(qiáng)度的效果不佳,難于達(dá)到《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對(duì)充填體強(qiáng)度要求。

(2)相對(duì)于硅酸鹽水泥,GQ-B-02型膠固粉對(duì)高硫尾砂具有較好的適應(yīng)性。質(zhì)量濃度為68%、灰砂比為1∶6的膠固粉充填體7 d與28 d強(qiáng)度分別為1.400 MPa與5.364 MPa。同時(shí),膠固粉充填體7 d強(qiáng)度受灰砂比的影響顯著。當(dāng)灰砂比小于等于1∶10時(shí),膠固粉充填體7 d強(qiáng)度接近于零。

(3)推薦采用GQ-B-02型膠固粉作為膠凝材料。建議分兩期對(duì)3 m×3 m進(jìn)路進(jìn)行充填,充填質(zhì)量濃度為68%。一期充填灰砂比為1∶6,充填高度為1.0～1.5 m;二期充填灰砂比控制在1∶10～1∶12,充填高度為1.5～2.0 m。生產(chǎn)實(shí)踐表明,進(jìn)路頂板與兩幫充填體相對(duì)完整,實(shí)際充填效果良好,可滿足井下生產(chǎn)要求。