淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究

摘 要：針對(duì)金屬礦區(qū)淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場的優(yōu)化需求，本文采用對(duì)比試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究了不同灰砂比配比方案對(duì)開采后地質(zhì)應(yīng)力分布的影響，旨在優(yōu)化充填體配比，以改善地質(zhì)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，灰砂比為1∶5時(shí)，礦區(qū)地質(zhì)應(yīng)力性能最優(yōu)。進(jìn)一步，在最優(yōu)灰砂比基礎(chǔ)上，通過調(diào)控填充體料漿濃度（80.0%～85.0%）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度為83.0%時(shí)，膠結(jié)填充體的單軸抗壓強(qiáng)度接近峰值。本文不僅明確了最優(yōu)配比參數(shù)，還揭示了濃度對(duì)強(qiáng)度的具體影響規(guī)律，為提升礦區(qū)開采安全和效率提供了科學(xué)依據(jù)，具有顯著的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：淺孔留礦；嗣后膠結(jié)充填采場；充填體配比；地應(yīng)力；灰砂比；單軸抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TD 853" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

與傳統(tǒng)采礦方法相比，淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法通過膠結(jié)充填體支撐采場周圍巖體，能夠顯著減輕圍巖的變形和片落，降低地表塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高采礦過程的安全性[1]。不僅如此，該方法能有效減少礦山開采過程中的振動(dòng)和噪聲，降低礦石飛濺和粉塵污染，保護(hù)工人的健康，同時(shí)也有利于環(huán)境保護(hù)。在具體的實(shí)施過程中，充填體作為支撐結(jié)構(gòu)，是保持采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在充填處理后，礦柱和圍巖的受力狀態(tài)由單向或雙向變?yōu)槿?，以此提高礦柱和圍巖的強(qiáng)度[2]。同時(shí)，充填體也承擔(dān)降低巖體應(yīng)力能量釋放速度的職責(zé)，通過防止應(yīng)力集中，減少巖爆等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[3]。結(jié)合上述分析，除了在充填過程中確保充填材料的密實(shí)度，避免產(chǎn)生空洞或松散區(qū)域外，充填材料也需要具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以確保充填體能夠承受上方巖層的質(zhì)量，形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)[4]。這就意味需要合理控制充填材料的含水率，避免因過高含水率導(dǎo)致充填體強(qiáng)度下降或產(chǎn)生不良后果。同時(shí)，根據(jù)采礦區(qū)的具體情況，選擇合適的充填材料配比就成為了極為重要的研究內(nèi)容[5]。

因此，本文提出淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究，并確定了最優(yōu)的充填體配比。

1 膠結(jié)充填采場概況

1.1 礦區(qū)分布

某金屬礦區(qū)總面積約為106.0km2，根據(jù)礦床分布和資源儲(chǔ)量，劃分為3個(gè)主要采區(qū)。其中，東區(qū)是礦區(qū)的核心開采區(qū)域，占地面積約3.0km2，其銅礦床的形成與特定的地質(zhì)構(gòu)造和巖漿活動(dòng)密切相關(guān)。該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，礦體形態(tài)規(guī)則，礦石以硫化銅礦為主，品位高且均勻，是冶煉高品質(zhì)銅材的理想原料來源。此外，東區(qū)還伴生有少量的金、銀等貴金屬，具有較高的綜合利用價(jià)值。中區(qū)占地面積約4.0km2，地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦體種類繁多，包括銅、鉛、鋅等多種金屬礦體，且礦石類型多樣，既有硫化礦也有氧化礦，給開采和選礦工作帶來了較大挑戰(zhàn)。此外，該區(qū)域還存在一定的地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)，例如斷層、褶皺等，增加了開采難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。西區(qū)以鉛鋅礦為主，占地面積約3.0km2，礦石儲(chǔ)量豐富，但品位相對(duì)較低。該區(qū)域地層相對(duì)平坦，礦體形態(tài)較簡單，適合大規(guī)模機(jī)械化開采。同時(shí)，由于品位較低，因此需要通過提高開采效率和降低開采成本來提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

對(duì)礦床發(fā)育情況進(jìn)行勘察，主要發(fā)育有巖漿礦床和熱液礦床?？辈斓玫降膸r漿礦床和熱液礦床的鉆探柱狀信息見表1和表2。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)的實(shí)際地應(yīng)力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，

可知垂直主應(yīng)力為11.61MPa，最大水平主應(yīng)力為50.26HMPa～112.37HMPa，水平主應(yīng)力均值為86.34H，最小水平主應(yīng)力為5.96H～6.37H。其中，H表示開采深度。

當(dāng)采用淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法開展具體的開采施工時(shí)，需要采用合理的充填體對(duì)開挖區(qū)域周圍的巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以確保其穩(wěn)定性能夠達(dá)到安全需求[6]。

2 淺孔留嗣后充填采場充填體配比方案設(shè)置

2.1 充填體原料準(zhǔn)備

本文結(jié)合礦山的實(shí)際情況以及地質(zhì)信息，選擇尾砂、廢石、水泥、水和粉煤灰作為淺孔留礦嗣后充填采場中充填體的原料。原料的性質(zhì)見表3。

按照上述所示的方式，利用準(zhǔn)備的原料對(duì)充填體配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，為后續(xù)的充填體配比優(yōu)化研究提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

2.2 淺孔留嗣后充填采場充填體設(shè)置

針對(duì)具體的淺孔留嗣后充填采場充填體，結(jié)合礦山的實(shí)際應(yīng)力情況，本文設(shè)計(jì)其規(guī)格均按照礦房×礦柱為15.0m×15.0m的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)充填體配比，共設(shè)計(jì)了2種方案。

方案1：水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1。

方案2：水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶6∶1∶1。

結(jié)合設(shè)置的2個(gè)充填體配比方案，將尾砂、廢石、水泥、粉煤灰等原料依次投入攪拌機(jī)中。

啟動(dòng)攪拌機(jī)在室溫（25℃）下攪拌2min～5min，使所有原料充分混合均勻，并避免破壞原料的顆粒結(jié)構(gòu)。

將攪拌好的充填料通過輸送泵或管道輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填。輸送過程中應(yīng)確保充填料的連續(xù)性和均勻性。

充填時(shí)應(yīng)從采空區(qū)的低處開始逐層向上充填，確保充填體的密實(shí)度和均勻性。并注意觀察充填體的變化情況，及時(shí)調(diào)整充填速度和方向。

充填完成后應(yīng)立即進(jìn)行不少于7d的噴水保濕養(yǎng)護(hù)，以防止充填體表面干裂和強(qiáng)度降低。噴水次數(shù)和水量應(yīng)根據(jù)天氣情況和充填體的實(shí)際情況而定，每天至少噴水1次。

由此，在具體的充填體性能測試階段，結(jié)合淺孔留嗣后充填的客觀需求，分別開展了填充后開采區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力分布以及膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度測試。

3 試驗(yàn)分析

3.1 應(yīng)力分析

首先，當(dāng)對(duì)2個(gè)充填體配比方案下開采過程中整體礦區(qū)應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析時(shí)，本文模擬了采礦區(qū)域在特定的礦塊尺寸下的開采策略[7]。根據(jù)開采區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、開采方式及充填體的分布特點(diǎn)，合理布置地應(yīng)力測點(diǎn)。測點(diǎn)應(yīng)選擇在具有代表性的位置，例如采空區(qū)邊界、充填體與圍巖接觸面附近等。將地應(yīng)力傳感器安裝到測孔中，并確保傳感器與巖體緊密接觸，能夠準(zhǔn)確測量巖體內(nèi)的應(yīng)力變化。

其中，礦塊長度定義為75.0m，這一長度設(shè)計(jì)旨在平衡開采效率與作業(yè)面的穩(wěn)定性。礦塊寬度設(shè)定為30.0m，階段高度設(shè)定為70.0m，頂板和底板的厚度均保持為15.0m，分段高度劃分為17.5m，采用“跳采”模式，即“隔一采一”的回采順序，遵循先采礦房后采礦柱的原則，在礦塊開挖完成后，立即進(jìn)行一次性充填作業(yè)。有助于實(shí)現(xiàn)開采區(qū)域的應(yīng)力平衡和地壓管理。在礦塊開挖完成后立即進(jìn)行一次性充填作業(yè)，可以迅速恢復(fù)開采區(qū)域的穩(wěn)定性，減少地壓顯現(xiàn)和安全隱患。同時(shí)，充填體的存在還能夠?yàn)楹罄m(xù)的開采作業(yè)提供支撐和保護(hù)。

在此基礎(chǔ)上，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)傳感器進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對(duì)不同填充體配比方案下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，得到的應(yīng)力云圖如圖1所示。

結(jié)合圖1的不同開挖階段應(yīng)力分布情況對(duì)不同填充體配比對(duì)應(yīng)的測試結(jié)果進(jìn)行分析。其中，方案1的尾砂含量適中，既能提供足夠的骨架支撐，又能保證填充體的密實(shí)度和均勻性。過多的尾砂可能導(dǎo)致填充體過于松散，而過少的尾砂則可能使填充體強(qiáng)度不足。加入廢石和粉煤灰有助于改善填充體的力學(xué)性能和耐久性。廢石顆粒較大，可以提供額外的骨架支撐，而粉煤灰則能填充細(xì)小孔隙，提高填充體的密實(shí)度和強(qiáng)度。水泥與水的比例適中，既能保證水泥充分水化，形成足夠強(qiáng)度的膠結(jié)材料，又不會(huì)因水泥過多而導(dǎo)致收縮裂縫或水泥過少而強(qiáng)度不足。

由于填充體材料配比合理，膠結(jié)后的填充體具有較高的強(qiáng)度和剛度，因此能夠更好地分擔(dān)開挖過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。高強(qiáng)度應(yīng)力區(qū)域面積最大，表明填充體在承受應(yīng)力時(shí)能夠保持較好的整體性和穩(wěn)定性。填充體與周圍巖體之間的相互作用增強(qiáng)，形成了有效的應(yīng)力傳遞和分擔(dān)機(jī)制，有助于減少因開挖引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

因此，方案1的應(yīng)力強(qiáng)度最高，且高強(qiáng)度應(yīng)力區(qū)域面積最大，表明其能夠有效分擔(dān)開挖帶來的礦區(qū)應(yīng)力，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；相比之下，方案2中，尾砂的含量增加到了6份，這可能導(dǎo)致填充體過于松散，顆粒間的接觸面積減少，從而降低了填充體的整體強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，尾砂含量過高還可能影響填充體的密實(shí)度和均勻性，使填充體在承受應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生變形和破壞。

由于填充體強(qiáng)度和剛度相對(duì)較低，其在承受開挖應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生局部破壞或變形，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均。具體表現(xiàn)為應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸下降的發(fā)展趨勢，即隨著開挖進(jìn)行，填充體的應(yīng)力承受能力逐漸降低。填充體與周圍巖體之間的相互作用減弱，無法形成有效的應(yīng)力傳遞和分擔(dān)機(jī)制，加劇了局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此，方案2的應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸下降的發(fā)展趨勢。

綜上所述，結(jié)合不同方案的具體配比情況進(jìn)行分析，當(dāng)水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1時(shí)，對(duì)應(yīng)填充體膠結(jié)后的應(yīng)力性能最高。

3.2 強(qiáng)度分析

在確定最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上，本文對(duì)填充體的濃度進(jìn)行分析。

首先，按照預(yù)定的充填體配比方案，將尾砂、廢石、水泥、粉煤灰等原料混合均勻?？刂铺畛潴w料漿的濃度分別為80.0%、81.0%、82.0%、83.0%、84.0%、85.0%。使用模具將混合料制成直徑為50mm、高度為100mm的圓柱形試塊。其次，將制備好的試塊放入溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間通常為28d，以確保試塊達(dá)到穩(wěn)定的物理力學(xué)性能。養(yǎng)護(hù)期滿后，從養(yǎng)護(hù)室中取出試塊并清理表面附著的雜物和水分。使用砂紙輕輕打磨試塊兩端，確保端面平整且與軸線垂直。最后，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的加載速率為0.5MPa/min～1.0MPa/min，并啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)將實(shí)際的膠結(jié)周期達(dá)到28d的充填體試塊作為抗壓強(qiáng)度的具體試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行加載測試。

為了避免偶然性對(duì)測試結(jié)果的影響，每個(gè)濃度分別準(zhǔn)備了3個(gè)試樣。其中，具體的單軸抗壓強(qiáng)度見表4。

結(jié)合表4的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同濃度填充體料漿的強(qiáng)度進(jìn)行分析。其中，整體膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)隨著填充體料漿濃度增加而逐漸增大的發(fā)展趨勢。但是對(duì)具體的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)填充體料漿濃度為83.0%時(shí)，其膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度的同比增幅最大，達(dá)到了3.0MPa以上。當(dāng)填充體料漿濃度由83.0%升至84.0%時(shí)，對(duì)應(yīng)膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度增幅僅為0.3MPa。

這是因?yàn)樗嘣谒淖饔孟掳l(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠等產(chǎn)物。這些產(chǎn)物填充在顆粒間的孔隙中，形成膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)，將尾砂、廢石等顆粒緊密地粘結(jié)在一起。隨著填充體料漿濃度增加，水泥顆粒之間的距離縮短，促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行。然而，當(dāng)料漿濃度達(dá)到一定程度（例如83.0%左右）時(shí)，水化反應(yīng)可能接近飽和點(diǎn)。這意味在該濃度下，水泥顆粒已經(jīng)能夠充分接觸并發(fā)生水化反應(yīng)，生成足夠多的水化產(chǎn)物來填充顆粒間的孔隙并形成有效的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)濃度繼續(xù)增加（例如從83.0%升至84.0%），雖然理論上可以進(jìn)一步減少孔隙率，但水化反應(yīng)的增量有限，導(dǎo)致膠結(jié)作用的增強(qiáng)幅度也相應(yīng)減小。

由此可以得出結(jié)論，當(dāng)填充體料漿濃度為83.0%時(shí)，膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)較高的狀態(tài)，且單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到臨近峰值的狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述針對(duì)具體淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場進(jìn)行的充填體配比方案綜合試驗(yàn)分析可以得出結(jié)論。1）在一定比例范圍內(nèi)，當(dāng)水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1時(shí)，填充體膠結(jié)后礦區(qū)地質(zhì)的應(yīng)力性能最高。2）在水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1的前提下，當(dāng)填充體料漿濃度為83.0%時(shí)，膠結(jié)填充體單軸抗壓強(qiáng)度的狀態(tài)接近峰值。

5 結(jié)語

淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法相較于傳統(tǒng)采礦方法具有顯著優(yōu)勢，并在采礦施工中發(fā)揮關(guān)鍵作用。充填體的主要作用是支撐和穩(wěn)定采場，為達(dá)到有效防止圍巖變形和地表塌陷的目的，需要滿足一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。本文提出淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)的充填體配比，能夠保障采礦過程的安全。

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