新城金礦尾砂膠結(jié)充填體固結(jié)性能研究

王述清，楊 鵬2，，郭良銀，呂文生，于跟波，滕召良

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京市信息服務(wù)工程重點實驗室（北京聯(lián)合大學(xué)），北京 100101；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261438）

充填采礦法在國內(nèi)外應(yīng)用歷史悠久。特別是近二十多年來，隨著無軌采礦設(shè)備的推廣和充填工藝的不斷完善，充填采礦法在世界范圍內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用［1］。這一方面是地下開采深度逐步增加對維護礦山和采場的需要，另一方面是提高自然資源回收率和環(huán)境保護的需要［2］。一般認(rèn)為充填采礦法能夠很好地維護巖層穩(wěn)定，防止礦山地表變形。但實踐證明，采用充填采礦法的充填體所導(dǎo)致的累積變形對礦山地表影響很大。國內(nèi)某鎳礦采用高強度下向膠結(jié)充填開采，其地表沉降變形已超過半米。因此，必須關(guān)注由于充填體變形及累積變形引發(fā)的礦山地質(zhì)條件變化帶來的安全風(fēng)險，否則由此引發(fā)的災(zāi)害是不可想象的。充填新技術(shù)實施過程中，充填試塊的壓縮性能直接關(guān)系到充填質(zhì)量［3］。研究充填試塊在不同壓力下的沉降關(guān)系，對地表沉降進行預(yù)測和有效控制，達到最佳沉降控制效果具有重要的理論意義和實用價值［4］，而且也有利于尾礦的處理，減小對環(huán)境的破壞，有利于保護環(huán)境［5］。

1 充填體固結(jié)試驗

1.1 尾砂粒級分析

本次試驗利用國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩（GB6009—97）和標(biāo)準(zhǔn)振篩機進行尾砂粒級分析。試驗所取尾砂為新城金礦的分級尾砂，試驗所取分級尾砂質(zhì)量為297.0g，測得尾砂粒級分布曲線圖如圖1所示。計算得出尾砂粒級不均勻系數(shù)Cu為1.687，說明新城金礦尾砂過于均勻，大小顆粒相差不大。一般認(rèn)為不均勻系數(shù)大于5，尾砂所形成的充填體密實程度較好。尾砂粒級曲率系數(shù)Cc為1.054。

圖1 尾砂粒級分布曲線圖Fig.1 Graded distribution graph of tailings

1.2 充填體固結(jié)試驗方法

本試驗的試樣制備步驟如下：將攪拌好的充填料倒置于定制的模具內(nèi)。試驗試件的高度為160 mm、直徑為80mm。將制備好的試塊放入養(yǎng)護箱進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護處理。根據(jù)測試要求的不同，養(yǎng)護齡期分別為7d、14d、28d等。試件的養(yǎng)護條件為濕度95%、溫度20℃。

待充填試塊達到預(yù)定齡期之后，進行固結(jié)試驗。對于埋深1 000m的礦山，其地壓可達到25MPa左右。固結(jié)試驗加載壓力等級參考《土工試驗規(guī)程》，分別采用0.1MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa、3.2MPa、6.4MPa、12.8MPa、25.6MPa的壓力等級。充填體固結(jié)試驗過程中加載壓力遞增速度不得大于1MPa／min。每級加載壓力后恒壓10min再加載下一級壓力。每級壓力加載完成后，壓力機記錄下充填試塊的壓縮量，可計算得出相應(yīng)的壓縮率。充填試塊的固結(jié)試驗過程如圖2所示。充填試塊固結(jié)試驗結(jié)束后，利用脫模工具、千斤頂進行脫模處理，脫模后的試件放入養(yǎng)護箱進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。養(yǎng)護天數(shù)分別為0d、7d、14d、28d等。待充填試件養(yǎng)護完成后，在壓力機上測定其單軸抗壓強度。

圖2 充填試塊固結(jié)試驗Fig.2 Consolidation test of filling block

1.3 計算方法

壓縮率用式（1）計算：

式中：Sp—壓縮率；H0—固結(jié)前試塊高度；Hi—在軸向壓力P作用下試塊的高度。

每種充填試塊進行3次測定，每組試塊尾砂的粒級組成和孔隙率是不相同的，因而壓縮率也互有差異，最終結(jié)果取其平均值。

1.4 測定數(shù)據(jù)

對膠結(jié)充填試塊進行固結(jié)性能試驗，其具體試驗條件見表1所示。對于埋深達到1 000m的礦體，垂直壓強達到25MPa左右。充填料在軸向壓強為25.6MPa條件下，其壓縮率的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，充填料的灰砂比越大，其壓縮率也越大。因為充填料的灰砂比越大，單位體積內(nèi)尾砂的含量越多，尾砂的孔隙率要大于水泥的孔隙率。充填試塊的灰砂比越大，水泥含量越少，其固結(jié)性能就越低，導(dǎo)致充填試塊壓縮率不同。因此，充填料的灰砂比越大，其壓縮率也相應(yīng)地增加。在應(yīng)用充填采礦法的礦山當(dāng)中，適當(dāng)?shù)販p小充填料的灰砂比，充填試塊的壓縮率會相應(yīng)減小，由充填體的壓縮導(dǎo)致礦山地表累積變形也會相應(yīng)減小，有利于充填礦山地表的穩(wěn)定。由圖3可以看出，充填試塊在齡期為7d的時候，壓縮率最大，達到16%左右；充填試塊在齡期分別為14d、28d時，其壓縮率的變化不太大，壓縮率只有12%左右。因此，在應(yīng)用充填采礦法的礦山，最好要待充填體的齡期至少達到14d左右后，然后再進行下一步的開采工作，這樣可以減小充填體的壓縮率和礦山地表的累積變形，有利于礦山的安全生產(chǎn)。

表1 充填試塊的試驗條件Table 1 Test conditions of filling block

圖3 不同齡期下充填試塊的壓縮率Fig.3 Compression ratio of filling block at different age

1.5 壓縮性能分析

灰砂比為1∶8，質(zhì)量濃度為70%的充填試塊在小于25.6MPa條件下壓縮率的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同壓強條件下壓縮率變化規(guī)律Fig.4 Change rules of compression ratio under the condition of different pressures

對以上不同養(yǎng)護齡期在不同壓強下的壓縮性能測試結(jié)果進行回歸分析，可知充填試塊壓縮率與壓強之間呈現(xiàn)出二次曲線關(guān)系，其回歸方程一般表達式見式（2）。

式中：Sp—壓縮率；a，b—系數(shù)；P—軸向壓強。

對于不同的充填試塊，其a、b和c的值是不相同的，它們是與充填試塊有關(guān)的系數(shù)。以上充填試塊在不同壓強下壓縮率的回歸方程列于表2。由相關(guān)系數(shù)可知，計算檢驗表明按回歸方程計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合性良好。

表2 不同充填試塊的壓縮率回歸方程Table 2 Regression equation of compression ratio of different filling blocks

2 固結(jié)后強度試驗

不同齡期、灰砂比為1∶8、質(zhì)量濃度為70%的充填料進行固結(jié)試驗完成后，分別放入養(yǎng)護箱進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護天數(shù)分別為0d、7d、14d、28d等。待充填料標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護完成后，放置于壓力機上測定其抗壓強度。固結(jié)后不同養(yǎng)護天數(shù)條件下充填試塊的抗壓強度如圖5所示。由圖5可知，隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，充填試塊的抗壓強度也相應(yīng)地增大。充填試塊固結(jié)前的齡期越長，固結(jié)后其抗壓強度有下降的趨勢。是因為固結(jié)前的齡期越長，膠結(jié)料所形成的水化產(chǎn)物基本完成，固結(jié)試驗過程中越多的水化產(chǎn)物遭到破壞，固結(jié)后養(yǎng)護過程中形成新的水化產(chǎn)物則越少，則相應(yīng)充填試塊的抗壓強度越低。齡期為7d、14d的充填試塊，在養(yǎng)護天數(shù)達到7d后，其抗壓強度相差不大；且在養(yǎng)護天數(shù)為7d的時候，充填試塊的抗壓強度達到最大抗壓強度的95%左右。

圖5 固結(jié)后充填試塊的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of filling block after consolidation

3 結(jié)論

1）研究了齡期7d、14d、28d，灰砂比為1∶8、1∶10的膠結(jié)充填試塊在不同的加壓等級條件下的壓縮率變化規(guī)律，得出充填試塊的灰砂比越大，其壓縮率也越大。充填試塊在齡期達到14d以后，其壓縮率變化不大。

2）對齡期7d、14d、28d，灰砂比為1∶8的膠結(jié)充填試塊在不同壓力條件下的壓縮率進行擬合，得出充填試塊的壓縮率與壓力之間符合二次曲線的關(guān)系。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)達到0.999左右，說明按回歸方程計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合性良好。

3）把固結(jié)試驗后的膠結(jié)充填試塊放入養(yǎng)護箱進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護一定時間后測定其抗壓強度。由試驗結(jié)果得出膠結(jié)充填試塊固結(jié)試驗前的齡期越長，固結(jié)試驗后其抗壓強度有下降的趨勢；固結(jié)試驗后膠結(jié)充填試塊的養(yǎng)護天數(shù)越長，其抗壓強度有增大的趨勢。

［1］ 王湘桂，唐開元 .礦山充填采礦法綜述［J］.礦業(yè)快報，2008（12）：1－5.

［2］ 蔡嗣經(jīng) .礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)［M］.2版 .北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］ 余 斌 .粗粒級混合充填料壓縮性能試驗研究［J］.銅業(yè)工程，2000（4）：1－3.

［4］ 涂 強，張修峰，劉鵬亮，等 .不同粒徑級配煤矸石散體壓縮變形試驗研究［J］.煤炭工程，2009（11）：68－70.

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