某礦全尾砂配比優(yōu)化研究

羅增武*，趙元元，黃世頂

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某礦全尾砂配比優(yōu)化研究

羅增武*，趙元元，黃世頂

（廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西南丹，547205）

為了達(dá)到尾砂的全部利用，解決尾礦庫所帶來的問題，某礦東風(fēng)礦區(qū)采用全尾砂膠結(jié)充填采礦方法。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)尾砂骨料的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成、配比優(yōu)化進(jìn)行分析和研究，評(píng)價(jià)充填骨料的可行性和尋找最優(yōu)配比。結(jié)果表明，東風(fēng)礦區(qū)尾砂骨料物化性能符合充填需要，并且推薦采場(chǎng)底部?jī)煞謱硬捎没疑芭浔葹?:4，中間兩分層使用全尾砂，上部一分層采用灰砂配比為1:8的充填料充填。

全尾砂充填采礦；充填料；最優(yōu)配比

引言

某礦東風(fēng)礦區(qū)為新成立的礦區(qū)，東風(fēng)礦區(qū)目前處于基建期，但礦山出于生產(chǎn)需要，通過九曲礦區(qū)大開頭礦段現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)，在東風(fēng)礦區(qū)深部-420 m中段，采用階段礦房法回采了部分礦房，采出的礦石經(jīng)現(xiàn)有206 主運(yùn)輸平窿運(yùn)往某礦選廠處理。由于沒有充填系統(tǒng)，所以沒有進(jìn)行空區(qū)充填，現(xiàn)已形成約9 萬m3的采空區(qū)。

某礦選廠始建于20世紀(jì)60年代，后經(jīng)多次改造，選廠現(xiàn)生產(chǎn)能力4000 t/d，尾礦產(chǎn)量約3900 t/d，實(shí)際能力可達(dá)4500～5000 t/d。某礦尾礦庫位于某礦選廠南東部約3 km（直線距離約1.2 km）的蔣家楊地段的S型山谷中，三面環(huán)山，地形起伏大，坡度陡。地貌類型屬于構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌。某礦尾礦庫經(jīng)多次擴(kuò)建改造，根據(jù)2011年實(shí)測(cè)，某礦尾礦庫保有有效庫容約117.5萬m3，服務(wù)年限僅為1.5年，所以解決某礦尾礦庫問題迫在眉睫。

然而，為解決某礦尾礦的存放、堆積問題，遇到了諸多困難。一方面，某礦礦區(qū)周邊15 km范圍內(nèi)均無適合場(chǎng)地用來新建尾礦庫，且新建尾礦庫項(xiàng)目從設(shè)計(jì)立項(xiàng)、建設(shè)到投入使用的整個(gè)過程，審批程序復(fù)雜，建設(shè)周期較長(zhǎng)，無法滿足某礦礦區(qū)目前生產(chǎn)的需要。另一方面，正在建設(shè)的東風(fēng)尾礦庫，雖然能在一定程度上緩解某礦尾礦庫的庫存壓力，但其相關(guān)手續(xù)仍在辦理，且征地難度較大，建成時(shí)間無法確定，也無法解決某礦尾礦庫目前的燃眉之急。鑒于上述因素，結(jié)合考慮井下開采的充填實(shí)際需要，同時(shí)為選廠尾砂尋找出路，設(shè)計(jì)將尾砂充填到井下，對(duì)地下開采的采空區(qū)采用高濃度尾砂料漿進(jìn)行充填處理，做到一舉兩得，既可以解決尾砂的出路問題，又可以解決現(xiàn)有充填技術(shù)帶來的一系列問題，降低充填成本。

1 充填料物化性能

某礦東風(fēng)礦區(qū)充填骨料分別為全尾砂，膠凝材料為焦家金礦生產(chǎn)的C料。為了評(píng)價(jià)由采場(chǎng)提供的全尾砂和C料構(gòu)成的充填骨料的可行性，對(duì)其做物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份測(cè)定，主要結(jié)果列于表1和表2。

充填料物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份測(cè)定結(jié)果表明：

（1）根據(jù)對(duì)東風(fēng)礦區(qū)全尾砂物化性質(zhì)研究可知，其滲透系數(shù)達(dá)到22.428cm/h，能夠滿足作業(yè)要求，使其進(jìn)入充填采場(chǎng)后保持良好的脫水性能，初凝快。

（2）由三聯(lián)固結(jié)壓縮儀測(cè)定東風(fēng)礦區(qū)的尾砂壓縮系數(shù)可知，該尾砂的可壓縮性適中，既不是屬于很松散的類型，也不是很密實(shí)的類型。

（3）東風(fēng)礦區(qū)尾砂的不均勻系數(shù)C為28.39，該尾砂屬于粗粒較多的，其滲透性能很好。

（4）尾砂中硫化物的含量過高對(duì)充填料的物態(tài)特性和膠結(jié)性能均有影響。該礦區(qū)尾砂中SO2含量達(dá)到90%，對(duì)充填體效果影響極大。且尾砂中含有少量有毒元素砷，尾砂充填后的廢水必須經(jīng)過處理后才能排放。

表1 尾砂的壓縮性

表2 尾砂的地質(zhì)參數(shù)

2 膠結(jié)充填配比實(shí)驗(yàn)

2.1 充填配比實(shí)驗(yàn)

充填材料配比實(shí)驗(yàn)的主要目的是在試驗(yàn)室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，采用WDW-2000萬能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其7,14,28天的充填體單軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行技術(shù)，經(jīng)濟(jì)分析，推薦尾砂膠結(jié)充填優(yōu)化配比參數(shù)，為尾砂膠結(jié)充填工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

2.2 充填試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)制定的試驗(yàn)方案，在室內(nèi)制作試塊并測(cè)定其相應(yīng)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度和28天齡期的抗拉強(qiáng)度值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論。

（1）充填體強(qiáng)度與濃度有關(guān)，料漿濃度越高，充填體強(qiáng)度越大，試驗(yàn)結(jié)果顯示：漿體濃度由65%提高至75%，28天單軸抗壓強(qiáng)度可提高2～3倍多，但由于尾砂膠結(jié)充填體和易性強(qiáng)、粘性大，過高的濃度會(huì)使管道輸送困難。

（2）隨著灰砂配比增大，充填體的抗壓強(qiáng)度明顯提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂漿濃度為70%時(shí)，配比1:8的充填體14天的抗壓強(qiáng)度為0.7041MP， 28天的抗壓強(qiáng)度為1.2449MP，根據(jù)東風(fēng)礦區(qū)機(jī)械設(shè)備型號(hào)，只要強(qiáng)度在1MP以上就能滿足運(yùn)行要求。

（3）增大充填料配比和增加砂漿濃度都能提高充填體的強(qiáng)度，滿足采場(chǎng)要求。如配比1:6，濃度70%的充填體7天的強(qiáng)度為0.6430MP，同配比，濃度為75%的充填體7天強(qiáng)度為1.5175MP，配比為1:4，濃度為70%的充填體7天強(qiáng)度為1.5760MP。所以為了降低充填成本，減少膠凝材料的使用，充分利用尾砂資源，減少尾砂堆積?？梢赃m當(dāng)增加充填料的濃度，減少配比。

（4）由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，在28天后的強(qiáng)度值能夠達(dá)到，2MP以上的只有灰砂配比1:4，1:6，砂漿濃度70%和75%；所以在礦山采用的上向分層水平充填法采礦時(shí)，為了保護(hù)下分段頂層的回采安全，每個(gè)采場(chǎng)的底部第1～3分層需要膠結(jié)充填，充填體強(qiáng)度要求較高。故只能選擇強(qiáng)度達(dá)到2MP以上的充填料。

表3 充填體試塊的抗壓強(qiáng)度

3 充填采場(chǎng)穩(wěn)定性的數(shù)值驗(yàn)證

根據(jù)充填聊的配比優(yōu)化試驗(yàn)，當(dāng)在某礦東風(fēng)礦區(qū)采用全尾砂充填，全尾砂選自某礦選場(chǎng)，膠凝材料選自焦家金礦的C料時(shí)，料將濃度為70%，灰砂配比為1:4，1:6都能滿足采場(chǎng)的作業(yè)要求，且泌水率和泌水量都滿足采場(chǎng)排水條件，它們都屬于大流動(dòng)性漿體，滿足管道的輸送要求。

但是僅僅根據(jù)本次試驗(yàn)所得結(jié)果不能判斷灰砂配比為1:4，1:6料漿濃度為70%的充填體就能夠滿足它的采場(chǎng)穩(wěn)定性要求。另外如果我們?cè)跐M足采場(chǎng)穩(wěn)定性和作業(yè)要求的前提下，能夠降低灰砂配比，這樣就能降低充填成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。為了解決這兩個(gè)問題，本論文根據(jù)礦山地質(zhì)情況以及開采現(xiàn)狀，利用大型數(shù)值軟件Midas建立三維空間模型進(jìn)行數(shù)值模擬，確定哪種配比更加合適。

3.1 充填采場(chǎng)模型建立與分析

根據(jù)1711號(hào)礦體的地質(zhì)條件和礦塊構(gòu)成要素，為了解決當(dāng)開采一個(gè)礦房?jī)蛇叾际堑V體，和一邊是充填體一邊是礦體的應(yīng)力應(yīng)變和位移問題，選擇兩個(gè)礦房一個(gè)礦柱進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圣維南定理，選取計(jì)算的范圍為開采范圍的3～5倍。我們選取-180水平的采場(chǎng)做為研究對(duì)象。把上層175m的圍巖自重應(yīng)力等效為均布荷載，這樣就能減少模型的大小，較少計(jì)算量。則整個(gè)計(jì)算模型為404mX146mX45m，如圖1所示。礦體厚度簡(jiǎn)化為平均10m，采場(chǎng)布置參數(shù)為每個(gè)分層高度為3m，分段總高度為15m。

圖1 網(wǎng)格模型

在模型的底部使用全約束，固定它的三個(gè)方向位移，四周則約束法向。頂部由于是截取的巖體，則不需要約束，作為自由面。礦房和間柱以0.8m自由劃分，礦體用網(wǎng)格尺寸控制，在0.8m～8m之間，圍巖則以08m自由劃分。整個(gè)模型的網(wǎng)格單元數(shù)目為109628，方程數(shù)目為55444個(gè)。選用摩爾庫倫定律作為它的破壞準(zhǔn)則。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

力學(xué)參數(shù)的選取涉及到模擬的真實(shí)可靠性問題，只有通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣分析，然后再恰當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)大小才能保證數(shù)值模擬計(jì)算的可靠度。巖體物理力學(xué)參數(shù)是根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同的巖體分別選取的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，分析時(shí)分為六類：圍巖、礦體、高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體1（灰砂配比為1:4）、低強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體2（灰砂配比為1:6）、全尾砂。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣，做成實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊，通過對(duì)巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正后來獲得比較接近巖體實(shí)際的力學(xué)參數(shù)。如表4所示。

表4 巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過模擬兩個(gè)采場(chǎng)和一個(gè)礦柱回收的過程，選取典型采場(chǎng)分層開挖過程比較他們的應(yīng)力，位移，塑性區(qū)大小，從而判斷采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

應(yīng)力的分析與比較：

由于選取了兩個(gè)采場(chǎng)，每個(gè)采場(chǎng)分為5個(gè)分層，共有13個(gè)施工階段分析，結(jié)果信息量太大，故選取特征分層的圖片進(jìn)行展示，其余以表格形式列出。

由于采場(chǎng)護(hù)頂層的重要作用以及巖石天生相對(duì)較低的抗拉強(qiáng)度，護(hù)頂層最大拉應(yīng)力的大小分布就顯得尤為重要，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響也是最大的。由下圖，表可以看出在各個(gè)開挖充填階段，兩種充填體充填采場(chǎng)的應(yīng)力比價(jià)

地下巖體受到很大的擠壓作用，且?guī)r石材料的抗剪強(qiáng)度比較低，巖體容易受到剪切破壞，因此在考慮巖石的剪切應(yīng)力分布具有很大的實(shí)際意義。

圖2 采場(chǎng)1-5最大主應(yīng)力分布圖（1:6）

圖3 采場(chǎng)1-5 最大主應(yīng)力分布圖（1:4）

根據(jù)上面三個(gè)開挖步驟應(yīng)力圖反映可以得出以下結(jié)論：

（1）由于采場(chǎng)跨度比較大，當(dāng)開挖一分層時(shí)，頂?shù)装迨艿絻蛇厧r石的擠壓，形成了一個(gè)彎矩梁模型。故開挖過程中會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力集中在頂?shù)装逯醒?，向兩邊擴(kuò)散，頂板受到的拉應(yīng)力大于底板的。

（2）隨著開挖階段的進(jìn)行，最大主應(yīng)力進(jìn)行重新分布，同一個(gè)地方的最大主應(yīng)力會(huì)繼續(xù)增加，拉應(yīng)力會(huì)繼續(xù)增加。這是由于充填體的彈性模量小于圍巖和礦體的彈性模量。故當(dāng)?shù)V體被開挖，充填體回填之后，受到很大擠壓，最大主應(yīng)力會(huì)繼續(xù)增加。

（3）剪切應(yīng)力主要分布在充填體、采空區(qū)與礦體、礦柱、圍巖的交界處。由于交界處存在裂縫，且充填體材料抗壓強(qiáng)度較圍巖低，當(dāng)受到圍巖擠壓時(shí)，容易在這些交界處形成較大的剪切應(yīng)力。

（4）隨著開挖階段的進(jìn)行，采場(chǎng)的各個(gè)地方的剪切應(yīng)力都會(huì)增加。所以連續(xù)兩個(gè)采場(chǎng)，只有回采間柱時(shí)，剪切應(yīng)力值達(dá)到最大。

（5）當(dāng)以配比1:6的充填料回填采空區(qū)時(shí)，充填體出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.882MP，剪切應(yīng)力值為4.819MP；當(dāng)以配比1:4的充填料回填采空區(qū)時(shí)，充填體出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.829MP，剪切應(yīng)力值為4.687MP。充填體局部出現(xiàn)拉伸破壞，但是不影響機(jī)械和人在上面行走；當(dāng)以配比1:6的充填料充填采場(chǎng)時(shí)，采場(chǎng)頂板最大的拉伸應(yīng)力只有3.631MP，當(dāng)以配比1:4的充填料充填采場(chǎng)時(shí)，采場(chǎng)頂板的最大拉伸應(yīng)力只有3.235MP，都沒有超過頂板的抗拉強(qiáng)度，故能夠保證頂板不冒落，回采的安全性。

4 結(jié)論與展望

本文以某礦東風(fēng)礦區(qū)的全尾砂為研究對(duì)象，分析了尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)。并且以焦家金礦C料，東風(fēng)礦區(qū)全尾砂兩種充填材料做充填試驗(yàn)，研究灰砂配比，砂漿濃度，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響。本文最后還運(yùn)用Midas數(shù)值軟件模擬采場(chǎng)開挖充填情況，通過分析得出滿足采場(chǎng)穩(wěn)定性且經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)配比。本文得到的結(jié)論有：

（1）東風(fēng)礦區(qū)全尾砂級(jí)配良好，粗粒部分較多。滲透系數(shù)，壓縮模量大小能夠滿足充填料的要求。但是尾砂中含有極少量的砷元素，應(yīng)該先處理后再充填。

（2）本文研究了灰砂配比為1：4，1:6，1:8；濃度為65%，70%，75%的料漿的泌水率和坍落度值，其泌水率良好，屬于大流動(dòng)性砼。

（3）對(duì)試樣做單軸抗壓強(qiáng)度力學(xué)分析，得到充填體的強(qiáng)度隨著灰砂配比，濃度，養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，且灰砂配比對(duì)充填體早期強(qiáng)度由較大影響，濃度對(duì)充填體正個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度都有影響。只有配比為1:4，1:6，砂漿濃度為70%，75%的充填體其強(qiáng)度能夠達(dá)到2個(gè)MP。

（4）通過數(shù)值模擬驗(yàn)證，得出以灰砂配比1:4和1:6的充填料充填采場(chǎng)都能夠滿足采場(chǎng)的穩(wěn)定性，但是從經(jīng)濟(jì)成本考慮，推薦選用1:6的配比進(jìn)行充填。

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Study on Proportion Optimization of Whole Tailings in a Mine

LUO Zengwu*, ZHAO Yuanyuan, HUANG Shiding

(Guangxi peak mining limited liability company, Guangxi Nandan, 547205, China)

In order to achieve the full use of tailings, to solve the problems caused by the tailings, a mine Dongfeng mining area using full tail sand filling mine method. Through the analysis and research on the physical and mechanical properties, chemical composition and ratio optimization of the tailings aggregate, the feasibility of filling the aggregate and the optimal ratio were found. The results show that the physical and chemical properties of tailings aggregate in Dongfeng mining area meet the filling requirements, and the two layers at the bottom of the recommended stope are 1: 4, the middle two layers are used with the whole tail sand, Ratio of 1: 8 filling material filling.

Full tailings filling mining; Filling material; Optimal ratio

羅增武, 趙元元, 黃世頂. 某礦全尾砂配比優(yōu)化研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 171-173.

LUO Zengwu, ZHAO Yuanyuan, HUANG Shiding. Study on Proportion Optimization of Whole Tailings in a Mine[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 171-173.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.070

TD853

A

1672-9129(2017)05-0171-03

2017-01-19；

2017-02-23。

羅增武（1990-），男，廣西陸川，采礦助理工程師，本科畢業(yè)，研究方向：礦山開采。E-mail: 337259064@qq.com