廢石尾砂二步驟無膠結(jié)澆注充填技術(shù)實(shí)踐

胡 龍

(山東省濟(jì)寧市國(guó)土資源局任城區(qū)國(guó)土分局)

廢石尾砂二步驟無膠結(jié)澆注充填技術(shù)實(shí)踐

胡 龍

(山東省濟(jì)寧市國(guó)土資源局任城區(qū)國(guó)土分局)

采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的廢石尾砂二步驟澆注充填試驗(yàn)，對(duì)采空區(qū)廢石充填體的形成過程、廢石充填體的孔隙率、尾砂澆注充填量與廢石充填孔隙率的關(guān)系等進(jìn)行了探討。

廢石充填 尾砂澆注充填 廢石孔隙率

我國(guó)自20世紀(jì)50年代采用廢石干式充填，將礦山生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量掘進(jìn)廢石回填至采空區(qū)，既減小了運(yùn)輸提升壓力，又改善了地表環(huán)境。進(jìn)入80年代，分級(jí)尾砂充填工藝興起，在安慶銅礦、張馬屯鐵礦、招遠(yuǎn)金礦等礦山得到推廣和應(yīng)用[1]。

廢石充填能夠提高充填體強(qiáng)度，降低充填成本，水砂管道充填便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，具有充填效率高、充填能力大、成本低的優(yōu)點(diǎn)。因此開展廢石尾砂二步驟無膠結(jié)澆注充填技術(shù)研究，將廢石干式充填和水砂充填相結(jié)合，對(duì)礦山生產(chǎn)具有實(shí)際意義。

1 廢石尾砂澆注充填試驗(yàn)

為模擬廢石尾砂二步驟現(xiàn)場(chǎng)充填情況，利用自制試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

選取塊度最大直徑10 cm以下的某金礦廢石，將其自然放置于鋼化玻璃制成的充填模擬裝置中。廢石填放高度1.5 m，模擬裝置底面規(guī)格0.6 m×0.6 m，填放廢石總質(zhì)量986 kg，由此可知廢石自然松散密度為1.83×103kg/m3。如圖1所示。

圖1 填放廢石的試驗(yàn)?zāi)M裝置

取某金礦充填用分級(jí)尾砂，配置成質(zhì)量濃度為65%的尾砂料漿，將尾砂料漿攪拌均勻后澆注到廢石容器中，觀察料漿澆注過程及結(jié)果，如圖2所示。經(jīng)過測(cè)試可知該金礦充填用分級(jí)尾砂的松散密度為1.44×103kg/m3[2]。

圖2 廢石尾砂二步驟澆筑試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①?gòu)U石自然形成的堆積體存在大量空隙；②尾砂充填料漿澆注廢石過程中，料漿滲透順暢且沿試驗(yàn)裝置底部預(yù)留的孔洞大量滲出；③充填料漿最終會(huì)在廢石表面形成堆積。

2 礦山廢石充填試驗(yàn)測(cè)試

2.1 廢石充填的采掘平衡

掘進(jìn)廢石原始體積和爆破后碎脹體積存在差別，常用巖石的碎脹系數(shù)KP來衡量，即巖石破碎后松散體積V2與破碎前整體體積V1之比，KP=V2/V1.常見巖石碎脹系數(shù)見表1。

表1 常見巖石碎脹系數(shù)

掌握了礦山巖石的碎脹系數(shù)，對(duì)于協(xié)調(diào)掘進(jìn)廢石量與采場(chǎng)充填量的平衡、減少?gòu)U石提升量、保護(hù)地表環(huán)境等具有指導(dǎo)作用。

2.2 廢石充填體形成過程

廢石充填體充入空區(qū)，經(jīng)歷了快速壓實(shí)、緩慢壓實(shí)和穩(wěn)定壓固3個(gè)階段[3]。

(1)快速壓實(shí)階段。充入空區(qū)的廢石最初處于相對(duì)松散狀態(tài)，主要發(fā)生碎石接觸狀態(tài)的調(diào)整和碎石間空隙的快速閉合，此時(shí)廢石充填體的抗變形能力較低。隨著充填的進(jìn)行，碎石旋轉(zhuǎn)移動(dòng)、廢石間空隙逐漸充填、碎石棱角逐步咬合，形成比較緊湊的骨架。

(2)緩慢壓實(shí)階段。較大巖塊經(jīng)歷前期的壓實(shí)調(diào)整形成穩(wěn)定骨架，抗變形能力逐漸增強(qiáng)。以不可逆壓縮變形為主，壓實(shí)模量逐漸增加，應(yīng)變速率減緩。

(3)穩(wěn)定壓固階段。廢石間空隙逐步充填密實(shí)并壓實(shí)，碎石基本處于均勻受力狀態(tài)，壓實(shí)模量與變形速率趨于恒定并最終形成廢石充填體。

2.3 廢石充填壓實(shí)變形監(jiān)測(cè)及沉降率計(jì)算

某巖金礦山采用機(jī)械化上向分層充填采礦法，基建與生產(chǎn)服務(wù)巷道的廢石運(yùn)至采場(chǎng)空區(qū)進(jìn)行充填。為驗(yàn)證廢石充填體形成過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)。

將某基建掘進(jìn)巷道產(chǎn)生的廢石完全放入固定采場(chǎng)，并測(cè)算基建廢石原整體狀態(tài)下的廢石體積，測(cè)得掘進(jìn)巷道體積V1為1 684.9 m3。

利用GTS-605/AF電子全站儀，在井下試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)均勻布置控制測(cè)點(diǎn),基于礦山井下導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)定采場(chǎng)空頂高、廢石充填標(biāo)高與沉縮后廢石最終充填標(biāo)高。采場(chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 點(diǎn)柱充填法采場(chǎng)廢石充填變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

由表2的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng)內(nèi)的廢石經(jīng)過一段時(shí)間的沉縮后,最終廢石充填體沉降率為4.84%。由GTS-605/AF全站儀測(cè)得采場(chǎng)面積為1 028.4 m2，最終廢石充填體積V2為2 427.2 m3。

廢石充填現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：廢石充填具有作業(yè)流程多、時(shí)間長(zhǎng)，充填體形成過程中沉縮率較大的特點(diǎn)，并且最終形成的廢石充填體存在一定的空隙率。廢石充填體中空隙為V2-V1=742.3 m3，廢石充填體孔隙率n=(V2-V1)/V2=30.6%。

3 分級(jí)尾砂澆注廢石充填空區(qū)

利用管道水力輸送充填尾砂料漿至空區(qū)，主要有尾砂儲(chǔ)存、充填料漿制備、充填料漿輸送、計(jì)量檢測(cè)和采場(chǎng)脫水等部分組成。

表2 采場(chǎng)廢石充填變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù) m

測(cè)點(diǎn)序號(hào)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高采場(chǎng)控頂高初始高差最終高差沉降高度1-391.7613.871.471.610.142-391.8053.901.561.640.083-391.5093.951.491.590.14-391.7743.891.541.660.125-391.6594.051.581.640.066-391.5893.871.611.630.027-391.6974.211.491.580.098-391.9983.831.521.610.099-391.6573.921.581.640.0610-391.9963.951.521.610.0911-391.6254.031.431.560.1312-391.2013.861.351.530.1813-391.9354.011.351.560.2114-390.9953.851.621.640.0215-391.8593.961.291.580.2916-391.8623.951.541.630.0917-391.7693.851.461.610.1518-391.2053.981.501.610.1119-391.0263.911.591.630.0420-391.9824.061.261.570.31平均值3.9451.48751.60650.119

用水力旋流器脫去-400目(-34μm)的微細(xì)粒后的較粗尾砂，采用管道泵送至地表充填站1 240m3的立式砂倉備用。

尾砂充填前先沖洗管路，并檢查γ射線濃度計(jì)和電磁流量計(jì)等檢測(cè)儀表的準(zhǔn)確性。尾砂澆注廢石充填作業(yè)中，每隔20min記錄一次充填料漿濃度、流量以及充填開始時(shí)間和完成時(shí)間等參數(shù)。

由尾砂充填檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，尾砂充填料漿平均流量為116m3/h，充填料漿平均質(zhì)量濃度為64.3%，充填時(shí)間10.5h，充填料漿密度為[4]

(1)

式中，ρ為充填料漿的平均密度，kg/m3;m1為充填料漿中分級(jí)尾砂的質(zhì)量，kg;ρ1為分級(jí)尾砂密度，2.74×103kg/m3;m2為充填料漿中水的質(zhì)量，kg;ρ2為水密度，1×103kg/m3。

根據(jù)式(1)計(jì)算，該金礦分級(jí)尾砂充填料漿密度為1.69×103kg/m3。由尾砂充填檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際充填尾砂的松散體積為919 m3，而廢石充填體體積為742.3 m3。經(jīng)過尾砂澆注廢石充填試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：①尾砂充填料漿能夠澆注廢石充填體的空隙；②充填采場(chǎng)底部在下分段有少量尾砂跑出，且廢石充填體表面有尾砂堆積使充填表面平整，因此尾砂充填量要略大于廢石充填體空隙體積。

4 結(jié) 語

(1)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)明，實(shí)際尾砂充填量要大于廢石充填體體積，廢石空隙率指標(biāo)將是指導(dǎo)尾砂充填的最少充填量指標(biāo)。

(2)廢石充填體變形量大，且充填平整度較差，采用尾砂二步驟澆注充填廢石空隙，可有效改善廢石充填的不利影響。

(3)尾砂澆注廢石空隙的流動(dòng)時(shí)，需要對(duì)充填區(qū)域做好封堵，避免跑砂。

[1] 王新民，古德生，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/ST 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[3] 蘇承東，顧 明，唐 旭,等.煤層頂板破碎巖石壓實(shí)特征的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(1)：18-25.

[4] 肖 剛，李樹鵬，姜 磊,等.尹格莊金礦水砂充填采場(chǎng)脫水技術(shù)試驗(yàn)[J].金屬礦山，2013(6)：29-34.

2015-02-13)

胡 龍(1983—)，女，工程師，碩士，272300 山東省濟(jì)寧市中區(qū)供銷路北首2號(hào)。