基于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度充填體要求的全尾砂膏體配比試驗(yàn)研究*

樊忠華，門建兵，龔 囪，劉勇鋒，齊 炎

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在料漿濃度、灰砂比和齡期對(duì)充填體強(qiáng)度影響方面做過大量的研究，從研究結(jié)果來看，充填體強(qiáng)度一般與以上三因素呈正相關(guān)的關(guān)系[1-2]，但是尾砂級(jí)配對(duì)充填強(qiáng)度影響因素并不一致[3-4]，尤其是傳統(tǒng)的低濃度分級(jí)尾砂與全尾砂膏體狀配置的充填體強(qiáng)度相比較，存在較大的不確定性[5-7]。此外，在充填成本可控的前提條件下，全尾砂膏體能否配置強(qiáng)度較高的充填體以滿足某些特殊采礦工藝的需要也有待探究。如：下向進(jìn)路式充填采礦法，其要求上一步驟所充填的充填體將作為下一步回采作業(yè)的頂板，因而致使下向充填法對(duì)充填體的質(zhì)量要求高。

當(dāng)前，隨著全尾膏體充填技術(shù)不斷向前推進(jìn)及應(yīng)用[8]，采用分級(jí)尾砂充填的礦山普遍認(rèn)為：原有的分級(jí)尾砂充填方式存在較多弊端，一方面，為滿足筑壩安全的需要，可被利用于充填的分級(jí)尾砂產(chǎn)率低，通常還需要外購江砂或其他骨料予以補(bǔ)充；另一方面，分級(jí)尾砂本身也還存在著料漿濃度低、采場(chǎng)濾水現(xiàn)象突出、排水清淤費(fèi)用高、井下污染嚴(yán)重等問題。與此同時(shí)，近年來受環(huán)保政策的影響，河沙開采面臨較大的不穩(wěn)定性，而且河沙價(jià)格的持續(xù)暴漲[9]，導(dǎo)致該礦充填成本持續(xù)走高，礦山經(jīng)濟(jì)收益逐漸變差。

鑒于此，本文以對(duì)充填體要求較高的某典型礦山為例，開展全尾砂膏體充填相關(guān)的試驗(yàn)研究，探究全尾砂膏體充填取代傳統(tǒng)分級(jí)尾砂充填的可行性。

1 工程概況

某礦儲(chǔ)量前景可觀，屬于大型地下礦，受不良工程地質(zhì)條件的影響，目前該礦主要采用下向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法開采和分級(jí)尾砂充填的方式，對(duì)充填體強(qiáng)度要求較高，為充分節(jié)約充填成本，一般在進(jìn)路中采用2期充填，第1期作為承載層(進(jìn)路下部)，灰砂比1∶4，充填高度為巷道高度的50%，約2.0 m，第2期作為填充層(進(jìn)路下部)，灰砂比1∶8，充填高度約2.0 m，如圖1所示。

圖1 進(jìn)路斷面示意Fig.1 Diagram of access section

目前該礦采用分級(jí)尾砂充填，主要存在充填料漿濃度低，采場(chǎng)濾水多、作業(yè)環(huán)境差、清理工作量大、排水費(fèi)用高，充填成本高等問題。而且可被利用于充填的分級(jí)尾砂產(chǎn)率低，通常還需要外購江砂予以補(bǔ)充，而河沙已經(jīng)開始的限采政策導(dǎo)致充填料來源緊張。

2 改用全尾砂膏體充填必要性分析

采用全尾砂膏體充填可以更好地控制圍巖受力狀況和提高采礦生產(chǎn)效率，以實(shí)現(xiàn)綠色開采[10]。結(jié)合礦山充填現(xiàn)狀，提出有必要將現(xiàn)有分級(jí)尾砂充填改為全尾膏體充填，具體分析如下：

1)實(shí)施全尾砂膏體充填是大幅度提高采礦作業(yè)效率的需要。

膏體充填具有普通膠結(jié)充填無法比擬的特性，與傳統(tǒng)充填工藝相比，首先，濾水工序和凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高；其次，膏體充填濃度高，對(duì)采場(chǎng)擋墻側(cè)壓小，可有效提高采場(chǎng)單次充填量，減少采場(chǎng)充填次數(shù)；另外，膏體呈柱塞流，對(duì)泵、攪拌槽、管道磨損小，料漿不存在臨界流速，在管道內(nèi)不沉淀，不離析，不容易發(fā)生堵管事故。

2)實(shí)施全尾砂膏體充填是解決當(dāng)前江砂供需矛盾的“唯一途徑”。

從國內(nèi)外充填材料選用、充填成本代價(jià)以及礦區(qū)周邊環(huán)境等方面綜合分析后不難發(fā)現(xiàn)，除選用江砂作為充填料外，目前難以找到其他可選經(jīng)濟(jì)可行的充填骨料。因此，只有實(shí)施全尾砂充填才能解決當(dāng)前充填骨料不足的難題。

3)實(shí)施全尾砂膏體充填是提高尾礦筑壩安全及延長尾礦庫服務(wù)年限的需要。

以該礦為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用全尾砂膏體充填后，尾礦庫年排放量同比現(xiàn)在可減少31.32%，尾礦庫服務(wù)年限相應(yīng)延長近1/3，同時(shí)相應(yīng)地節(jié)省了尾礦庫輸送費(fèi)用以及回水費(fèi)用，還提高了尾礦庫的筑壩安全性。此外，實(shí)施全尾砂膏體充填與國家對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶的保護(hù)和生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念一脈相承[11]。

綜上所述，實(shí)施全尾砂膏體充填，不僅可解決礦山江砂供需矛盾等相關(guān)難題，而且釋放了尾礦庫庫容及分級(jí)后遺留細(xì)顆粒筑壩安全隱患，并提高了采場(chǎng)作業(yè)效率，為實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)化、綠色化開采提供技術(shù)支撐。

3 全尾砂充填性能評(píng)價(jià)

3.1 全尾砂粒級(jí)組成測(cè)試

全尾砂物理力學(xué)性能及化學(xué)成分組成，對(duì)充填體力學(xué)性質(zhì)有重要影響，如充填體強(qiáng)度、滲濾水性能、管道輸送特性等[12-13]。因此，準(zhǔn)確測(cè)定主要充填料的物理力學(xué)性能和化學(xué)成分并據(jù)此對(duì)充填料的充填性能做出定性評(píng)價(jià)分析，是充填試驗(yàn)的首要基礎(chǔ)工作。全尾砂粒級(jí)組成選用馬爾文激光粒度測(cè)試儀測(cè)定，測(cè)試分析結(jié)果見表1和表2，全尾砂粒級(jí)組成分布及累積曲線見圖2。

1)全尾砂粒度中等略偏細(xì)，0.075 mm以下顆粒所占比例達(dá)48.38%，中值粒徑為0.068 mm，略小于一般礦山所用充填尾砂粒度，對(duì)膏體充填體強(qiáng)度影響可忽略不計(jì)。

表1 全尾砂粒徑組成Table 1 Composition of unclassified-tailings particle size

表2 全尾砂粒徑性狀Table 2 Unclassified-tailings particle size table

圖2 全尾砂粒級(jí)組成分布及累積Fig.2 Grain size composition distribution and cumulative plot of unclassified-tailings

2)全尾砂曲率系數(shù)1

3.2 全尾砂化學(xué)成分測(cè)試

全尾砂化學(xué)成分主要測(cè)定SiO2、CaO、Al、Mg、Fe、S、Pb、Mn、F、K、P、Cu等，測(cè)定方法主要包括原子吸收法、鉬藍(lán)光度法、EDTA滴定法、EDTA容量法、電位法等?；瘜W(xué)成分測(cè)定結(jié)果見表3。

全尾砂SiO2含量為33.02%，在合適粒度組成條件下有利于提高充填體強(qiáng)度；CaO的含量高達(dá)15.68%，CaO活性高，生成的鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)水化產(chǎn)物結(jié)晶性能良好；S的含量為4.55%，可能會(huì)對(duì)充填體長期強(qiáng)度有所影響。但總體上，全尾砂的化學(xué)成分有利于提高充填體強(qiáng)度，改善充填骨料的流動(dòng)性能。

表3 全尾砂化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果Table 3 Chemicalcomposition determination results of total tailings %

4 室內(nèi)充填配比試驗(yàn)

根據(jù)下向水平分層進(jìn)路充填法充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)合該礦實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)2個(gè)方面因素，按進(jìn)路下部充填體承載層：28 d抗壓強(qiáng)度≥4 MPa；進(jìn)路上部充填體填充層：28 d抗壓強(qiáng)度≥1～1.5 MPa開展配比試驗(yàn)。

試驗(yàn)旨在該礦全尾砂物理力學(xué)性能測(cè)定基礎(chǔ)上，選擇不同充填配比參數(shù)[14-15]。然后制作室內(nèi)充填體試塊，測(cè)定其養(yǎng)護(hù)期為7，14，28 d的充填體單軸抗壓強(qiáng)度，得到該礦充填材料的最優(yōu)配比參數(shù)，具體見表4。

表4 充填配比試驗(yàn)7，14，28 d單軸抗壓及抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of uniaxial compressive strengths of 7, 14, 28 day in filling ratio test

由表4可知，料漿濃度為74%時(shí)，灰砂比為1∶4的充填體試塊28 d抗壓強(qiáng)度為4.462 MPa，同齡期灰砂比為1∶8；料漿濃度為72%～74%時(shí)，充填體試塊28 d抗壓強(qiáng)度為1.426～1.875 MPa，按以上2種配比的充填體可滿足所選采礦方法對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。同時(shí)，經(jīng)對(duì)比該礦現(xiàn)有的分級(jí)尾砂充填體可發(fā)現(xiàn)，在同灰砂比條件下，全尾砂膏體配置的充填體強(qiáng)度與分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度相當(dāng)，為此，試驗(yàn)表明全尾砂膏體充填在該礦應(yīng)用技術(shù)上是可行的，此外，由于與現(xiàn)有的分級(jí)尾砂灰砂比保持不變，所以料漿制備成本也基本一致。

全尾砂料漿質(zhì)量濃度及灰砂比與28 d單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)全尾砂料漿質(zhì)量濃度大于72%以后，高于此臨界值，充填體強(qiáng)度呈指數(shù)上升趨勢(shì)，基于此分析，為保證經(jīng)濟(jì)效益和充填質(zhì)量，建議該礦全尾砂料漿的質(zhì)量濃度不應(yīng)小于72%。同時(shí)試驗(yàn)表明：料漿濃度一定條件下，膠凝材料的添加量(灰砂比)是影響充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，尤其當(dāng)灰砂比大于1∶6后，充填體的強(qiáng)度顯著提高。

灰砂比1∶4和1∶8時(shí)，充填體單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。當(dāng)試塊達(dá)到峰值強(qiáng)度破壞后，仍有較高的殘余強(qiáng)度，該特性有利于維持充填采場(chǎng)的長期的穩(wěn)定性。

圖3 質(zhì)量濃度及灰砂比與單軸抗壓強(qiáng)度(28 d)之間的關(guān)系Fig.3 Relation between mass concentration and cement-sand ratio and uniaxial compressive strength (28 d)

圖4 1∶4和1∶8充填體單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial compressive stress-strain curves of two filling bodies 1∶4 and 1∶8

5 結(jié)論

1)針對(duì)采用分級(jí)尾砂充填碰到普遍性的問題，結(jié)合全尾砂膏體特性，全尾砂膏體充填體強(qiáng)度與分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度相當(dāng)，表明有必要將傳統(tǒng)的分級(jí)尾砂充填改造成全尾砂膏體充填。

2)為保證經(jīng)濟(jì)效益和充填質(zhì)量，全尾砂料漿的質(zhì)量濃度應(yīng)高于臨界值(72%)，使充填料漿接近膏體狀，有利于提高充填體的強(qiáng)度。

3)據(jù)全尾砂膏體配比試驗(yàn)表明，在與分級(jí)尾砂充填保持同灰砂比條件下，采用全尾砂膏體充填也可滿足配置高強(qiáng)度充填體的要求，為同類礦山將分級(jí)尾砂充填改為全尾砂膏體充填方式提供技術(shù)經(jīng)濟(jì)支撐和參考。