淺析廢石尾砂膠結(jié)充填在深井開采中的應(yīng)用

吳秀儀，郭名梁，劉大翔（. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 44300；. 四川省川威集團(tuán)有限公司，四川 成都 6000）

淺析廢石尾砂膠結(jié)充填在深井開采中的應(yīng)用

吳秀儀1，郭名梁2，劉大翔1
（1. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 四川省川威集團(tuán)有限公司，四川 成都 610100）

礦產(chǎn)資源深部開采過程中，“三高”特征逐漸加劇，工程危害日趨嚴(yán)重；同時(shí)金屬礦山尾砂、廢石的排放量增多，尾礦庫、廢石堆場的安全環(huán)保問題日趨嚴(yán)重，廢石尾砂膠結(jié)充填是解決礦山深部開采諸多問題的有效途徑。廢石尾砂充填開采可提高礦產(chǎn)資源的回采率，解決金屬礦山的尾砂排放、廢石堆放的安全環(huán)保問題，同時(shí)可減緩礦區(qū)地表的塌陷，從而可有效控制山區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是現(xiàn)代采礦工業(yè)中“無費(fèi)開采”的一項(xiàng)戰(zhàn)略新技術(shù)。

廢石尾砂；三高特征；地災(zāi)；綠色開采；耦合機(jī)理；水巖效應(yīng)

1 引言

隨著地表及淺部資源的逐漸減少和枯竭，礦產(chǎn)資源開采已由淺部逐步轉(zhuǎn)入深部, 圍巖由淺部開采的彈性狀態(tài)逐漸進(jìn)入到深部開采的峰后塑性破壞狀態(tài)。深井開采中最顯著的變化是顯現(xiàn)高應(yīng)力、高溫和高孔隙水壓的“三高”特性［1］，對深部資源的安全高效開采造成巨大威脅。因此，深部資源開采的巖石力學(xué)問題已成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)［2-3］。

2 充填技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

充填體力學(xué)是伴隨著充填采礦法的應(yīng)用和發(fā)展形成的巖石力學(xué)分支，是巖石力學(xué)、土力學(xué)和流體力學(xué)等在充填采礦中的綜合運(yùn)用［4］。

2.1 充填力學(xué)主要研究內(nèi)容

（1）充填體力學(xué)特性及其影響因素分析。

根據(jù)充填材料微觀結(jié)構(gòu)特征、礦物成份的分析研究，揭示充填集料的礦物成份、微觀結(jié)構(gòu)特性與充填體力學(xué)特性的內(nèi)在關(guān)系；通過不同配比的充填材料、膠凝材料及齡期等充填體力學(xué)試驗(yàn)，建立包含配比、齡期、膠凝材料等主要因素在內(nèi)的力學(xué)本構(gòu)模型，這是確定充填體力學(xué)特性的基礎(chǔ)性研究。

（2）充填體峰后力學(xué)特性研究。

充填體與圍巖相互作用過程中，多處于塑性狀態(tài)或峰后變形階段，且充填體峰后承載特性與巖石、混凝土不同。研究充填體峰后殘余強(qiáng)度衰減的時(shí)間效應(yīng)，分析巖石力學(xué)狀態(tài)參數(shù)在加卸載條件下隨塑性變形和圍壓變化的特征，充分認(rèn)識充填體在加卸載條件下的應(yīng)力應(yīng)變特性，為建立更符合深部充填采礦工程的流變本構(gòu)關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

（3）充填體與圍巖耦合作用機(jī)理研究。

充填體充入采場后，與采場頂板、圍巖及礦柱形成充填區(qū)，系統(tǒng)研究充填區(qū)在礦山壓力、采動影響及承壓水（或裂隙水）相互作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及上覆巖層移動情況。從而為有效控制礦壓、減緩或防止地表塌陷提高理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

（4）低充填成本的技術(shù)研究。

因充填成本是制約充填技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用推廣的主要影響因素之一，研究充填體強(qiáng)度一定的情況，通過調(diào)整拋尾渣所占比例、使用部分可替代膠凝材料或改變充填用水（磁化水）來降低充填成本。這也是今后充填技術(shù)中研究的主要內(nèi)容之一。

2.2 充填技術(shù)發(fā)展歷程

深井充填開采技術(shù)涉及礦山安全與經(jīng)濟(jì)效益，已成為采礦領(lǐng)域最引人注目的前沿研究課題，具有顯著的工業(yè)生態(tài)意義。在充填采礦技術(shù)在的發(fā)展歷程中，先后經(jīng)歷了從干式充填到水力輸送充填，實(shí)現(xiàn)了充填料管道輸送；從低濃度水力充填到高濃度充填，做到了充填料漿不離析；從高濃度到膏體充填，實(shí)現(xiàn)了采場內(nèi)不再脫水；骨料從尾砂到、河砂、棒磨砂、廢石、礦渣；膠結(jié)劑從普通硅酸鹽水泥、高水速凝材料、赤泥等階段［5-6］，目前充填技術(shù)發(fā)展歷程大致如圖1所示。

3 礦產(chǎn)資源深部開采所面臨的安全環(huán)保問題

（1）深井開采安全隱患增多。

礦山深井開采過程中，“ 三高”特性逐漸加劇，開采環(huán)境惡化，潛在的重大安全隱患增多。在淺部呈現(xiàn)中硬巖變形破壞特征的工程巖體，進(jìn)入深部后轉(zhuǎn)化為高應(yīng)力軟巖，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道位移顯著增大，高地壓導(dǎo)致沖擊地壓危險(xiǎn)加大，瓦斯涌出量增加以及地溫升高等一系列新問題［7］。因此，深井安全開采問題是采礦界面臨的一個(gè)重要課題。

（2）礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生范圍擴(kuò)大。

隨著開采深度的增加，礦區(qū)地表受采動影響而出現(xiàn)的地表變形、塌陷程度降低，但其采動影響范圍逐漸增大，致使山區(qū)礦山地表發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的范圍擴(kuò)大，例如：受礦山采動影響，山體崩塌、滑坡等地災(zāi)發(fā)生的范圍擴(kuò)大。

（3）礦山固體廢物堆放的安全環(huán)保問題。

尾礦庫的安全隱患：為滿足尾砂排放需求，需不斷加高尾礦庫，或占用新土地建設(shè)新尾礦庫。尾礦庫具有投資大、運(yùn)行費(fèi)用高的特點(diǎn)，同時(shí)尾礦庫是一個(gè)具有高勢能的人造泥石流危險(xiǎn)源，存在潰壩危險(xiǎn)。一旦失事，容易造成重特大事故，例如：“9.8襄汾尾礦庫潰壩特別重大事故”，造成277人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失超過億元。

廢石堆場的安全隱患：隨著礦山服務(wù)年限的增加，為開采礦石而開拓、采準(zhǔn)的各類巷道逐漸增多，掘出的廢石逐漸增多。然而，隨廢石堆放量的增多，占用的土地逐漸增加；堆場內(nèi)部較不穩(wěn)定，雨季易失穩(wěn)而危及下游居民的安全。因此，廢石堆場的安全問題日趨嚴(yán)重。

4 深井綠色開采技術(shù)—廢石尾砂膠結(jié)充填

4.1 廢石尾砂膠結(jié)充填功能

隨著淺部資源的減少與枯竭，礦產(chǎn)資源開采已由淺部逐步進(jìn)入深部。深部開采中“三高”特征日趨嚴(yán)重，潛在的安全隱患增多；地表受采動影響而發(fā)生地災(zāi)的范圍擴(kuò)大；金屬礦山尾砂、廢石的排放量增多，尾礦庫、廢石堆場的安全環(huán)保問題日趨嚴(yán)重。廢石尾砂充填開采可提高礦產(chǎn)資源的回采率，解決金屬礦山的尾砂排放、廢石堆放的安全環(huán)保問題，同時(shí)可減緩礦區(qū)采空區(qū)的塌陷，從而可有效控制山區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生［8-9］，是現(xiàn)代采礦工業(yè)中“無費(fèi)開采”的一項(xiàng)戰(zhàn)略新技術(shù)，符合國家能源安全的重大戰(zhàn)略需求。廢石尾砂充填流程如圖2所示。

圖2 廢石尾砂充填流程示意圖

4.2 廢石尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展

無論是對金屬礦山還是非金屬礦山的充填力學(xué)理論與技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了各項(xiàng)研究，通過不懈的努力和探索得出了許多規(guī)律，推動了充填力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，使得充填技術(shù)得到進(jìn)一步的推廣。但現(xiàn)有的充填理論研究成果尚不能很好地解決深部金屬礦山開采遇到的諸多工程問題，因此礦山固廢充填開采技術(shù)需注重以下兩方面的研究：

（1）充填體峰后殘余強(qiáng)度及流變特性的研究。

充填體充入采場與圍巖相互耦合作用過程中，充填體多處于塑性狀態(tài)或峰后變形階段；且充填體峰后承載特性與巖石、混凝土不同。因此現(xiàn)有的充填研究成果不能很好地解決充填工程現(xiàn)場遇到的力學(xué)問題；

（2）水作用下充填體與圍巖耦合機(jī)理的研究。

深井充填開采中，充入采場的充填體有“泌水密實(shí)”階段，期間充填體中多余的水分將被析出；同時(shí)深部巖層中有裂隙水存在。水對充填區(qū)（充填體與圍巖）的力學(xué)、變形特征等有很大影響。水-巖之間發(fā)生的物理化學(xué)作用不僅會改變圍巖的礦物組成與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，還會引起圍巖強(qiáng)度和剛度等物理力學(xué)性質(zhì)的劣化［10］，對充填區(qū)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。

目前，關(guān)于水對充填區(qū)力學(xué)耦合作用機(jī)理及流變特性影響的研究極少，而水作用下充填區(qū)耦合作用機(jī)理、力學(xué)特性若不清楚，就搞不清該工況下充填區(qū)的變形規(guī)律和破壞機(jī)理，也就無法科學(xué)地提出充填體設(shè)計(jì)和充填開采工藝。因此，水作用下廢石尾砂充填體與圍巖的耦合作用機(jī)理的研究意義更加重大。

［1］唐紹輝. 深井金屬礦山巖爆災(zāi)害研究現(xiàn)狀[C]. 長沙礦山研究院建院50周年院慶論文集, 2006.10:136-140.

［2］錢七虎. 非線性巖石力學(xué)的新進(jìn)展——深部巖體力學(xué)的若干問題[C]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)會. 第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集. 科學(xué)出版社, 2004:10-17.

［3］Sun J,Wang SJ. Roch mechanics and rock engineering in China: developments and current state[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 2000, 37(3):447-465.

［4］盧平. 制約膠結(jié)充填采礦法發(fā)展的若干充填體力學(xué)問題[J]. 黃金, 1994, 15(7):18-22.

［5］孫恒虎, 黃玉誠, 楊寶貴. 當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2002:15-20.

［6］劉同有. 填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2001:10-13.

［7］趙才生. 深井高應(yīng)力下的資源開采與地下工程[C]. 香山會議第175次綜述地球科學(xué)進(jìn)展. 2001:156-161.

［8］周愛民. 礦山廢料膠結(jié)充填[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2010:8-11.

［9］吳秀儀, 林玉明, 徐超. 淺析發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展[J].銅業(yè)工程, 2014, 8:54-56.

［10］沈榮喜, 劉長武, 吳秀儀. 壓力水作用下煤巖受載變形特征及穩(wěn)定性研究[M], 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2015:15-20.

Analyze of the Application on Cemented Waste Rock and Tailing Filling in Deep Mining

WU Xiu-yi1, GUO Ming-liang2, LIU Da-xiang1
（1.College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2.Tranvic Group, Chengdu 610100, Sichuan, China）

During the deep mining of mine resource, the "Three High Characters" was gradually aggravated and the engineering harms became gradually serious. In the metal mines, the quantities of tailing and waste rock increase. And the problems of safety and environmental protection became gradually serious at the tailings pond and the waste rock dump. Waste rock-tailing backfilling is the effective way to solve many problems in the deep mining of metal mines. The waste rock and tailing filling technology can improve the recovery rate of mineral resource, solve the problems of tailings discharging and waste rock piling, alleviate the ground subsidence and effectively control the occurrence of geological disasters in mountainous areas of mines, and it is a new strategic technology during the modern mining industry "no fee mining".

waste rock-tailing；three high characters；geological disasters；green mining；coupling mechanism；water-rock interaction effects

TD853.34+3

A

1009-3842（2015）03-0053-03

2015-03-11

吳秀儀（1979-），男，山西祁縣人，博士，高級工程師，注冊安全工程師，主要從事地下工程、采礦與安全工程等方面的理論與技術(shù)研究。E-mail:wuxiuyi227@sohu.com