稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化研究

荊 倩 婧，徐 幫 樹2，董 山3，王 薇，張 萬 志

(1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061； 2.山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250061； 3.山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南 250061)

礦山地下開采形成采空區(qū)，易引起圍巖的移動、變形和破壞[1-3]。若不及時對采空區(qū)進行充填處理，隨著開采深度的增加，地下開采的影響將波及地表，導致地表土體下沉、塌陷[4-5]。采用尾砂膠結(jié)充填的方法處理采空區(qū)[6-8]，不僅可以解決尾砂排放量大、無處堆放的問題，還可以有效防止地表塌陷，提高礦產(chǎn)資源回收率，保護生態(tài)環(huán)境。

目前，許多學者已對礦山采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化做了大量研究。Fall等[9]采用中心復合試驗研究水泥摻量、水灰比、尾砂細度和密度對充填材料性能的影響，并基于響應(yīng)面法建立了充填材料強度、成本及充填料漿坍落度的預(yù)測模型，以充填材料性能的整體滿意度為目標，對充填材料配合比進行優(yōu)化。李一帆等[10]基于充填體的充填作用機理，通過正交試驗，對影響尾砂充填體強度的因素進行研究，選出符合大柳行金礦采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填體的材料配合比。楊超等[11]分別對黃獅澇和水木沖的尾礦庫尾砂進行物化分析，開展料漿流動性及充填體強度的測試，選出適合南方某金礦充填所用的尾砂及最佳充填料漿參數(shù)；宋衛(wèi)東等[12]研究了不同的料漿濃度、灰砂比和齡期對充填體抗壓強度和料漿流動性的影響，并根據(jù)同類礦山采空區(qū)充填體強度的經(jīng)驗值，確定適合程潮鐵礦的尾砂膠結(jié)充填材料配合比。趙學龍[13]通過分析礦區(qū)尾砂的物化性質(zhì)，開展充填料漿流動性及強度試驗，得出大梨樹溝鐵礦采空區(qū)充填材料的最優(yōu)配合比。饒運章等[14]采用回歸正交組合設(shè)計方法，研究了水泥用量和料漿濃度對充填料漿坍落度和充填體強度的影響，得出會寶嶺鐵礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。洪訓明等[15]通過正交試驗研究了料漿濃度、灰砂比和齡期對充填體抗壓強度及料漿坍落度的影響，確定了礦山充填材料的最優(yōu)配合比。雷大星等[16]對安徽某鐵礦尾砂膠結(jié)充填體進行了單軸壓縮試驗、剪切試驗和三軸壓縮試驗，選出了合適的充填材料配合比。崔學偉等[17]根據(jù)礦山生產(chǎn)條件和充填材料基本參數(shù)，確定新城金礦的充填濃度和充填體強度，并通過正交試驗研究灰砂比和齡期對充填體抗壓強度的影響，選出了合適的充填材料配合比。綜上可知，現(xiàn)有成果已從充填材料的物理性質(zhì)、化學成分和力學性能等方面開展了尾砂膠結(jié)充填材料配合比優(yōu)化研究，但并未考慮不同配合比的充填材料對抑制地表及建筑物沉降變形的影響。

鑒于此，本文綜合采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法，分析不同的料漿濃度和灰砂比對尾砂膠結(jié)充填材料力學性能以及對地表、建筑物沉降的影響，并依據(jù)GB50771-2012《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中地表建筑物的位移和變形允許值，確定稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。

1 工程概況

某稀土礦賦存高程-160～-500 m，采用淺孔留礦法開采，井下形成的采空區(qū)選用礦區(qū)尾砂膠結(jié)充填。

礦塊沿礦體走向布置，長60 m，高度為階段高度，寬度為礦體水平厚度，礦房頂柱2 m，間柱6 m，不設(shè)底柱。礦體頂板為中粒花崗閃長巖，底板為正長巖。礦體及巖石移動范圍內(nèi)的地表建筑物主要為學校。

2 尾砂膠結(jié)充填配合比試驗

2.1 試驗材料

試驗所用尾砂取自礦區(qū)尾砂庫，膠結(jié)劑為礦山材料廠自營生產(chǎn)的普通325水泥，拌和水為自來水。尾砂的物理性質(zhì)見表1，化學成分見表2，尾砂的粒徑級配如圖1所示。

表1 尾砂的物理性質(zhì)Tab.1 Physical property of tailings

表2 尾砂的化學成分Tab.2 Chemical composition of tailings %

圖1 尾砂顆粒粒徑級配Fig.1 Grain-size distribution of tailings

2.2 試驗方案

充填材料的料漿流動性及抗壓強度是確定其配合比的關(guān)鍵[18]。文獻[19]表明，充填材料的料漿濃度為65% ～ 70%時，充填料漿具有良好的流動性。本次試驗分別選取4組料漿濃度和灰砂比進行坍落度試驗和單軸壓縮試驗，其中料漿濃度為64%，66%，68%和70%，灰砂比為1∶6,1∶8,1∶10和1∶12，試驗分組設(shè)計見表3。通過對比分析不同的料漿濃度和灰砂比對充填材料力學性能的影響，初步確定充填材料配合比。

表3 充填材料配合比試驗Tab.3 Test on mix proportioning of backfill materials

2.3 試驗過程與結(jié)果

根據(jù)試驗方案制備充填料漿，采用坍落度筒測定料漿的坍落度；將充填料漿裝入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)試模制成充填試塊；試塊養(yǎng)護至預(yù)定齡期28 d后，應(yīng)用JNSJ壓力機進行單軸壓縮試驗(見圖2)。充填材料的料漿坍落度和抗壓強度的試驗結(jié)果見表3。

圖2 充填試塊單軸壓縮試驗Fig.2 Uniaxial compression test for backfill block

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1充填料漿流動性分析

充填料漿的坍落度與料漿濃度的關(guān)系如圖3所示，與灰砂比的關(guān)系如圖4所示。

從圖3可以看出，灰砂比一定時，隨著料漿濃度的增加，充填料漿的坍落度逐漸減小。當料漿濃度大于66%時，不同灰砂比的充填料漿其坍落度均小于12.3 cm，表明充填料漿流動性差，在管道中輸送困難；當料漿濃度不超過66%時，不同灰砂比的充填料漿其坍落度為12.3～17.2 cm，表明充填料漿流動性較好，滿足管道輸送要求。

從圖4可以看出，料漿濃度為64%時，隨著灰砂比的減小，充填料漿坍落度略呈增大趨勢；料漿濃度為66%，68%或70%時，隨著灰砂比的減小，充填料漿坍落度略有波動，但變化不大。

圖3 坍落度與料漿濃度關(guān)系Fig.3 Relationship between slurry concentration and slump

圖4 坍落度與灰砂比關(guān)系Fig.4 Relationship between cement-sand ratio and slump

此外，觀察充填料漿坍落度試驗發(fā)現(xiàn)，當料漿濃度為66%時，充填料漿析水量較少，沒有出現(xiàn)水泥與尾砂分離的現(xiàn)象。因此，充填材料料漿濃度的最優(yōu)值取為66%。

2.4.2充填材料單軸抗壓強度分析

充填材料單軸抗壓強度與料漿濃度的關(guān)系如圖5所示，與灰砂比的關(guān)系如圖6所示。

從圖5可以看出，灰砂比一定時，隨著料漿濃度的增大，充填材料的單軸抗壓強度逐漸增大。當料漿濃度從64%增加到70%時，不同灰砂比的充填材料抗壓強度最大提高約55%。

從圖6可以看出，料漿濃度一定時，隨著灰砂比的減小，充填材料的單軸抗壓強度逐漸減小。當灰砂比從1∶6減小至1∶12時，不同料漿濃度的充填材料抗壓強度最大減小34%。

進一步地，從圖5可知，當料漿濃度為64%、灰砂比在1∶12～1∶6之間變化時，充填材料的單軸抗壓強度增大幅度最小，其最小增加為2.5 MPa；從圖6可知，當灰砂比為1∶6、料漿濃度在64%～70%之間變化時，充填材料的單軸抗壓強度增大幅度最大，其最大增加為2.1 MPa。這表明相比料漿濃度變化的影響，灰砂比的變化對充填材料抗壓強度的影響更大。

圖5 料漿濃度與單軸抗壓強度關(guān)系Fig.5 Relationship between slurry concentration and uniaxial compressive strength

圖6 灰砂比與單軸抗壓強度關(guān)系Fig.6 Relationship between cement-sand ratio and uniaxial compressive strength

3 稀土礦開采充填過程的數(shù)值模擬分析

當料漿濃度為66%時，為確定充填材料的最優(yōu)灰砂比，本文應(yīng)用FLAC3D軟件，研究尾砂膠結(jié)充填材料灰砂比為1∶6，1∶8，1∶10和1∶12時，稀土礦采空區(qū)回填后對地表及地表建筑物沉降變形的影響。

3.1 模型建立與邊界條件

基于地勘鉆孔數(shù)據(jù)，稀土礦體的分布簡化為3層，平均厚度為2.2 m，礦體傾角取平均傾角70°，兩層礦體之間的夾層厚度分別為110 m和45 m。根據(jù)礦區(qū)開挖范圍，利用FLAC3D建立三維模型，模型長1 000 m，寬874 m，高600 m，如圖7所示。

圖7 三維數(shù)值計算模型Fig.7 Three-dimensional numerical calculation model

模型分組為：第四系地層、中粒花崗閃長巖、正長巖、充填體和學校(地表建筑)，礦體賦存于中?；◢忛W長巖中。

模型底面固定：側(cè)面約束水平方向，頂面為自由邊界。巖體力學模型采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型。建筑物力學模型采用彈性模型，并以等效的均布荷載施加于建筑物表面。

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報告和室內(nèi)試驗，巖體及充填材料力學參數(shù)見表4。

表4 材料參數(shù)Tab.4 Material parameters

3.3 開挖充填模擬過程

根據(jù)此稀土礦的采礦方法和回采工藝，本次模擬過程中依次開挖-160～-210 m,-210 ～-270 m,-270 ～-330 m,-330 ～-390 m,-390 ～-450 m和-450 ～-500 m中段的礦體，每一層中段開采完畢后，及時對采空區(qū)進行充填，開挖礦體如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model

3.4 沉降監(jiān)測設(shè)置

為研究稀土礦開挖充填完成后，地表及地表建筑物的沉降變形規(guī)律，地表沉降沿縱向和橫向各設(shè)置1個斷面，地表建筑物學校設(shè)置6個監(jiān)測點，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測斷面及監(jiān)測點Fig.9 Monitoring sections and monitoring points

3.5 結(jié)果及分析

稀土礦山開挖充填結(jié)束后，料漿濃度為66%時，采用不同灰砂比充填材料的地表沉降云圖如圖10所示，地表各監(jiān)測斷面沉降變化曲線如圖11所示。

從圖10可以看出，料漿濃度為66%時，充填材料的灰砂比越大，地表沉降越小。地表沉降最大值出現(xiàn)在礦體豎向投影到地表的區(qū)域，并向四周逐漸減小。灰砂比為1∶6，1∶8，1∶10和1∶12時，地表沉降最大值分別為16.2，17.4，18.3，19.8 mm。

從圖11可以看出，料漿濃度為66%時，不同灰砂比的充填材料對地表沉降變形影響的趨勢大致相同，地表沉降曲線呈“漏斗型”變化。

稀土礦山開挖充填結(jié)束后，學校各監(jiān)測點的豎向及水平位移如圖12所示，其最大變形值見表5。從圖12可以看出，料漿濃度為66%時，灰砂比越大，建筑物各監(jiān)測點的位移越小。

圖10 地表沉降云圖(單位：mm)Fig.10 Surface settlement nephogram

圖11 地表沉降變化曲線Fig.11 Surface settlement curve

圖12 監(jiān)測點位移Fig.12 Monitoring points displacement

依據(jù)GB50771-2012《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中地表建筑物的保護等級劃分，學校的保護等級屬于Ⅱ級。從表5可以看出，4種配比中，學校的最大傾斜為0.117 mm/m，小于Ⅱ級建筑物的傾斜變形允許值6 mm/m；學校的最大水平變形為0.095 mm/m，小于Ⅱ級建筑物的水平變形允許值4 mm/m；學校的最大曲率為1.82×10-6/m，小于Ⅱ級建筑物的曲率變形允許值0.4×10-3/m。

表5 學校監(jiān)測點最大變形值Tab.5 Maximum deformation of school monitoring points

綜上所述，使用料漿濃度66%、灰砂比1∶6，1∶8，1∶10和1∶12的充填材料后地表建筑物位移與變形的影響值均在規(guī)范保護等級允許范圍之內(nèi)，即能夠滿足礦山對采空區(qū)充填材料的強度要求。此外，從表3可知，料漿濃度為66%時，4種灰砂比的充填材料的單軸抗壓強度最小為1.4 MPa。所以，當充填材料的強度超過1.4 MPa時，可以滿足該稀土礦山采空區(qū)充填材料的強度要求。因此，從經(jīng)濟合理性角度考慮，選取料漿濃度66%、灰砂比1∶12為該稀土礦充填材料的最優(yōu)配合比。

4 結(jié) 論

(1) 采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬手段，綜合考慮充填材料的力學性能和充填材料對抑制地表及建筑物沉降變形的影響，確定料漿濃度66%、灰砂比1∶12為該稀土礦尾砂膠結(jié)充填材料的最優(yōu)配合比。

(2) 灰砂比一定時，料漿濃度越大，充填料漿的坍落度越小，流動性越差；料漿濃度一定時，充填料漿的坍落度與灰砂比無明顯關(guān)系。充填材料的單軸抗壓強度與料漿濃度、灰砂比均呈正相關(guān)，且灰砂比的影響更大。

(3) 料漿濃度為66%時，灰砂比越大，即強度越大，地表及建筑物的沉降越小。地表沉降最大值出現(xiàn)在礦體豎向投影到地表的區(qū)域，并向四周逐漸減小，地表沉降曲線呈“漏斗型”變化。充填材料單軸抗壓強度超過1.4 MPa時，可以滿足該稀土礦采空區(qū)對充填材料的強度要求。