尾砂膠結充填體的強度特性及與開挖礦體的合理匹配

李德賢，趙國亮，張鵬強，莫亞斌，廖永暉，侯永強，嚴榮富

(1.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌 737100；2.金川鎳鈷研究設計院，甘肅 金昌 737100；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083)

隨著淺部礦產資源的不斷開采，大多數礦山面臨著深部開采的地壓、巖爆、大變形等技術難題[1-3]。充填采礦技術在控制采場地壓、預防深井巖爆、提高礦產資源的回收率和保護生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的作用[4-6]。對充填采礦技術而言，合理的充填體強度是決定充填采礦技術順利實施的關鍵因素，若充填體強度過高，意味著充填成本的增高，而充填體強度低于井下開采的要求，則不能提供一個安全的井下開采環(huán)境。近年來，礦山科技工作者對充填體力學性能及破壞特征、充填體強度計算方法、膠凝材料研發(fā)、充填體穩(wěn)定性等關鍵技術進行了諸多的探索與研究。曹帥等[7]開展了結構型尾砂膠結充填體的單軸抗壓試驗，指出充填體的抗壓強度與分層次數之間滿足多項式函數關系；盧宏建等[8]開展了尾砂充填料漿流動沉積及強度分布特征的試驗研究，指出采場內充填體存在兩個分界面和粗骨料、細骨料及灰砂3個不同區(qū)域，沿充填料漿流動方向，充填體的強度呈減小—增加—減小的“S”型分布；楊磊等[9]利用滑楔體極限平衡理論建立了膠結充填體礦柱側向滑移失穩(wěn)模型，并結合采場結構參數、充填材料自身特性的影響建立了膠結充填體礦柱與礦壁和非膠結充填體礦柱接觸時所需強度的模型；文獻[10-12]研究得出粉煤灰作為膠凝材料對充填體強度的影響規(guī)律及作用機理；劉志祥等[13]根據巖體開挖釋放能量與充填體蓄積應變能相近的原則，探討了充填體與巖體的合理匹配?？梢钥闯?，礦山科技工作者對充填體強度、力學性能等方面均做出了詳細的研究，研究結果為礦山充填材料選擇及配比設計提供了一定的指導，但在高階段嗣后充填開采中，從礦體與膠結充填體能量匹配原則角度出發(fā)對一步驟采空區(qū)內膠結充填體的臨界強度及固化時間進行量化的研究仍不多見。結合前人的研究結果，本文以安徽某鐵礦山為工程背景，首先在室內開展了不同灰砂比、不同質量濃度下的全尾砂膠結充填體坍落度試驗及單軸抗壓強度測試，揭示出不同配比參數尾砂膠結充填體強度增長規(guī)律；其次，基于膠結充填體與開挖礦體間的能量匹配關系對一步驟采空區(qū)內充填體臨界強度及井下采場充填體固化時間的范圍進行了量化分析，最后基于料漿坍落度及充填體抗壓強度指標推薦了充填材料配比。研究結果可為全尾砂等礦山廢棄物再生利用及井下礦體的安全回采提供一定的指導。

1 試驗過程與方法

1.1 試驗過程

采用某鐵礦全尾砂作為充填骨料，水泥作為膠凝材料開展不同配比下的膠結充填體單軸壓縮的力學試驗及坍落度試驗。具體的試驗參數為：灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質量濃度設計為66%、68%、70%、72%、74%，每級灰砂比下對應5個級別的料漿質量濃度。首先參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)進行充填料漿的坍落度測試，隨后進行試塊的澆筑，終凝 24 h 后拆模。將終凝拆模后的充填體試樣進行養(yǎng)護(養(yǎng)護溫度、濕度分別為 20 ℃、93%)。養(yǎng)護齡期達到3、7、28、60 d后，在壓力機上進行抗壓強度試驗。

1.2 試驗方法

坍落度桶的尺寸為：高度30 cm，上口直徑10 cm，下口直徑30 cm。采用坍落度桶作為試驗工具進行不同配比下充填料漿的坍落度測試，以揭示料漿流動性能隨質量濃度、灰砂比參數的變化規(guī)律。此外，在測試完料漿流動性能后，采用WEW-600D型微機屏顯示液壓萬能試驗機對灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質量濃度為66%、68%、70%、72%、74%下的充填體開展3、7、28、60 d后的單軸抗壓強度測試，每組試驗測試3個試樣，取平均值作為試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 質量濃度與灰砂比對料漿流動性能的影響

不同配比條件下的充填料漿坍落度測試結果如圖1所示。由圖1可知，當灰砂比固定不變時，尾砂充填料漿的坍落度指標隨著質量濃度的增加基本遵循指數函數遞增規(guī)律，且水泥含量越高，坍落度曲線越陡，說明下降幅度越大。充填料漿坍落度隨質量濃度增大而降低的原因在于質量濃度的增加會導致自由水含量的降低，增大了料漿的黏度，從而導致充填料漿的流動性能隨質量濃度的增加呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢。當質量濃度固定不變時，灰砂比對充填料漿流動性能的指標影響程度與質量濃度有密切的聯(lián)系，具體可概括為：當料漿質量濃度為66%～68%時，灰砂比參數的變化并沒有對料漿坍落度指標造成顯著的影響，而當質量濃度超過70%后，料漿坍落度指標隨著灰砂比的增大呈不斷降低的趨勢，其原因在于高質量濃度的充填料漿自由水含量較少，而灰砂比的增大意味著水泥含量的增多，而水泥水化反應會消耗部分拌合水，因此導致充填料漿坍落度呈不斷降低的趨勢。

圖1 充填料漿坍落度隨質量濃度的變化特征Fig.1 Variation characteristics of filling slurry slump with mass concentration

為得到充填料漿坍落度隨質量濃度變化的數學模型，采用Origin數值處理軟件對充填料漿坍落度數據進行非線性擬合處理。由圖1可知，該礦全尾砂充填料漿坍落度與質量濃度關系為：

(1)

式中，A、B、t為與灰砂比、質量濃度相關的常數；x為料漿的質量濃度，%。

2.2 灰砂比及質量濃度對充填體抗壓強度的影響

充填體的抗壓強度指標對井下充填開采至關重要，若充填體強度過高，會導致充填開采成本增大；若過低，則充填體不能達到支撐采場圍巖的作用，因此有必要對充填體的抗壓強度指標進行詳細的研究。充填體的抗壓強度與養(yǎng)護齡期間的關系擬合曲線如圖2所示，擬合關系模型如表1所示。由圖2可知，尾砂膠結充填體的抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增長基本遵循指數遞增規(guī)律，但在不同的灰砂比或質量濃度下充填體的抗壓強度增長曲線仍表現(xiàn)出了一定的差異性。當灰砂比固定不變時，質量濃度越高的充填體，其強度演化曲線越陡，說明質量濃度越高，充填體的抗壓強度增長越快；當濃度固定不變時，增大灰砂比也能有效提高充填體的抗壓強度，但過多地提高灰砂比會增大充填成本，因此適當地提高質量濃度可作為提高充填體抗壓強度的有效途徑。

圖2 充填抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系Fig.2 Relation curve between filling compressive strength and curing age

灰砂比質量濃度/%66687072741∶4σ11=3.34-3.36e-t/31.38R2=0.991σ21=3.72-3.65e-t/28.24R2=0.999σ31=7.05-6.79e-t/69.18R2=0.999σ41=6.41-6.07e-t/47.47R2=0.999σ51=6.55-6.19e-t/46.19R2=0.9991∶6σ21=1.90-1.96e-t/22.48R2=0.995σ22=2.05-2.12e-t/22.56R2=0.989σ23=2.07-2.22e-t/17.16R2=0.987σ24=3.16-3.07e-t/30.13R2=0.991σ25=3.18-2.98e-t/28.15R2=0.9991∶8σ31=1.27-1.30e-t/21.18R2=0.987σ32=1.27-1.37e-t/14.98R2=0.991σ33=1.30-1.41e-t/14.14R2=0.981σ34=1.77-1.79e-t/21.65R2=0.978σ35=1.79-1.76e-t/18.99R2=0.9851∶10σ41=0.71-0.72e-t/18.07R2=0.986σ42=0.82-0.86e-t/17.28R2=0.999σ43=1.03-1.05e-t/23.02R2=0.999σ44=1.17-1.19e-t/22.16R2=0.995σ45=1.29-1.32e-t/15.02R2=0.999

由試驗結果可知，充填體固化強度隨著養(yǎng)護齡期的增加呈增大的趨勢，兩者間的關系符合指數函數模型。由表1可知，充填體抗壓強度與養(yǎng)護齡期間的關系式為[14]：

σt=σb-Ae-t/ta

(2)

式中，σt為充填體抗壓強度，MPa；σb為固化最終強度，MPa；A為強度相關系數；t為養(yǎng)護時間，d；ta為強度固化時間，d。

3 膠結充填體與開挖礦體的能量匹配關系

某礦山采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法(圖3)進行深部礦體的開采。礦山將礦體劃分為礦房、礦柱依次回采。當一步驟礦房回采后進行采空區(qū)充填，當充填體達到目標強度后進行二步驟礦柱的回采，并在回采完成后進行充填處理。在礦柱回采過程中，充填體具有吸能及降低能量釋放速度的作用，能夠有效地支撐采場，保證采場的穩(wěn)定性，因此可從能量角度分析充填體與礦體的合理匹配[13-14]。

1—中段沿脈運輸巷；2—沿脈出礦巷道；3—分段鑿巖巷道；4—一步驟鑿巖巷道；5—二步驟鑿巖巷道；6—有軌穿脈運輸巷；7—一步驟充填體；8—二步驟充填體；9—出礦進路；10—溜井聯(lián)絡道；11—放礦溜井；12—盤區(qū)礦柱圖3 分段鑿巖階段空場嗣后充填法Fig.3 Subsequent filling method of open stope at sublevel drilling stage

3.1 尾砂膠結充填體受壓變形能分析

結合SIDOROFF提出的有效應力能量等價原理[15]，將膠結充填看作為向同性連續(xù)介質，在一維應力加載下可采用有效應力計算充填體的彈性變形能。選擇充填體中的一個微元體Dsdydz作為分析對象，當微元體所受應力由0逐漸增加至σt時，微元體變形εt，微元體的彈性變形能dw如下所示：

(3)

由式(3)可得單位體積膠結充填體的比能為：

(4)

式中，σt為充填體抗壓強度，MPa；E為充填體彈性模量，GPa。

由式(2)得到的充填體固化強度與養(yǎng)護齡期間的關系式，代入式(4)可得：

(5)

由式(5)可知，質量濃度與灰砂比固定時，充填體的變形比能與養(yǎng)護齡期呈正相關。

3.2 礦巖回采釋放能量的分析

礦巖在未開挖時常處于三維應力狀態(tài)，而礦巖的剛度與彈性模量均遠高于充填體，礦巖采用線彈性模型[16]。

假設礦巖的原巖水平應力為σx=σy=ρσz，當礦巖回采后若不進行充填，單位體積礦巖釋放的能量為[14]：

(6)

σv=σx+σy+σz=(1+2ρ)·σz

(7)

(8)

對于深部礦體，根據地應力變化規(guī)律σz=γH，代入到式(8)可得：

(9)

3.3 尾砂膠結充填體與深部礦巖的匹配分析

根據能量守恒原理，即全尾砂膠結充填體受壓峰值變形能與礦巖開挖后釋放的能量應近似相等，基于此原理考慮全尾砂膠結充填體與礦體的匹配。假設全尾砂膠結充填體變形比能Up與巖體釋放比能Ur之比為匹配系數K，根據式(4)、(5)、(9)可得：

(10)

(11)

結合SWAN的尾砂膠結充填體力學試驗[17]，尾砂膠結充填體彈性模量E與強度σ之間的關系符合：

(12)

將式(12)代入到式(10)、(11)可得：

(13)

(14)

由式(13)、(14)可知，能量匹配系數K與礦巖的彈性模量及充填體固化強度呈正比，與礦巖的容重及埋深呈反比。當K≥1時，充填體不會發(fā)生能量失穩(wěn)；當K<1時，充填體會發(fā)生能量失穩(wěn)，與礦體不匹配?；诖耍山Y合礦山的礦體力學參數，建立全尾砂膠結充填體強度設計模型，并進一步定量出充填體在一步驟采場中的合理固化時間。

4 工程應用

某鐵礦山-400～-350 m中段礦體回采作為工程應用背景，該中段目前已完成開拓階段及采準階段，正籌劃下一步礦體的回采?；夭傻V體的容重為35 kN/m3，彈性模量為49.5 GPa，泊松比為0.26。根據式(14)可得當K≥1時，充填體能保持較好的穩(wěn)定性，由此建立膠結充填體強度的設計公式如下：

(15)

由式(15)可知，充填體的設計強度與礦體的彈性模量E0呈反比，與礦體的容重γ、埋深H、泊松比μ呈正比。結合礦山的礦體力學參數，通過式(15)計算可得充填體的臨界強度為1.9 MPa。同時結合式(14)計算不同配比條件下，充填體固化時間與二步驟礦體回采時間的匹配結果如表2所示。

表2 充填體固化時間與礦體回采的合理匹配

由表2可知，不同的配比參數下，充填體固化時間具有較大的差異。當灰砂比為1∶6、質量濃度為66%～70%時，充填體固化時間均大于40 d，這一結果明顯超過礦山的實際生產需求。因此，當充填體的灰砂比為1∶6時，建議料漿質量濃度大于70%。而灰砂比為1∶4、料漿質量濃度為66%～74%時，充填體固化時間最長為26.1 d后便可進行二步驟礦體的回采，顯著優(yōu)于灰砂比為1∶6的充填體。雖然灰砂比越大，充填體在采場內能夠在較短的時間內達到目標強度，但灰砂比越大，意味著充填成本也越高。因此，選擇合理的料漿質量濃度及灰砂比至關重要。

綜合考慮到充填體強度、合理固化時間，料漿的流動性能也不容忽視。根據國內諸多礦山的實踐經驗，結合礦山膠結充填理論，認為當膠結充填料漿坍落度在25～28 cm時，具有較好的流動性，可獲得較好的輸送效果[21]。由充填料漿坍落度試驗數據可知，全尾砂充填料漿質量濃度為66%～68%時，充填料漿坍落度均在25 cm以上，可獲得較好的輸送效果。綜合考慮充填體強度，固化時間及料漿輸送效果，采用灰砂比1∶4、質量濃度66%～68%的充填材料配比參數較為合理，通過模型計算，該配比參數下一步驟采空區(qū)膠結充填至少19～26 d后，方可進行二步驟礦體回采。

實際生產工藝中，設計一步驟礦體回采后進行全尾砂膠結充填，灰砂比為1∶4，料漿質量濃度為66%，且一步驟采空區(qū)充填體固化28 d后進行二步驟礦體回采。礦山實際固化時間較理論固化時間滯后2 d，此時充填體固化強度及固化時間均符合理論設計要求。充填體在二步驟礦體回采中，并沒有出現(xiàn)較大范圍的片幫現(xiàn)象，體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。

5 結論

1)通過力學試驗和坍落度測試，得出全尾砂膠結充填體與養(yǎng)護齡期呈正相關，且遵循指數函數增長規(guī)律；充填料漿坍落度隨質量濃度增加呈指數函數遞減規(guī)律；通過建立的數學模型能夠定量表征不同灰砂比、質量濃度下充填體抗壓強度及料漿坍落度的變化規(guī)律。

2)引入能量匹配系數K定量表征充填體與開挖礦體間的能量關系，K值越大，充填體吸收的應變能越多，越有利于二步驟礦體的回采。當K≥1時，充填體不會發(fā)生能量失穩(wěn)，此時可定量分析一步驟采場充填體臨界強度及二步驟礦體回采的合理時間。

3)依據建立的充填體與開挖礦體間的能量匹配模型，定量分析了回采礦體與充填體的合理匹配。以某鐵礦山為工程實例，確定采用灰砂比1∶4、質量濃度66%～68%作為充填配比參數時，一步驟采空區(qū)膠結充填至少19～26 d后，方可進行二步驟礦體回采。