新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度研究

劉賢俊 ， 何文 ， 謝勇 ， 劉浩 ， 謝濤

（江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院；c.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

0 引 言

20世紀(jì)60年代，下向分層膠結(jié)充填采礦技術(shù)開始在我國(guó)金屬礦山應(yīng)用.下向分層膠結(jié)充填采礦法，由于取消了鋼筋混凝土底板和釘隔離層，膠結(jié)充填體將作為下個(gè)分層采場(chǎng)的頂板，其強(qiáng)度直接影響下個(gè)分層采場(chǎng)的作業(yè)安全[1].

現(xiàn)階段，尾砂膠結(jié)充填使用的膠凝材料主要是普通硅酸鹽水泥[2].硅酸鹽系列水泥的物理力學(xué)性質(zhì)可以滿足礦山膠結(jié)充填的大部分需求.然而水泥早期強(qiáng)度不高，可能會(huì)影響安全生產(chǎn)作業(yè).

針對(duì)礦山特殊生產(chǎn)實(shí)際需求，國(guó)內(nèi)外投入了大量人力、物力研究水泥的替代品.新型尾砂膠結(jié)劑正是在基于水泥的基礎(chǔ)上，針對(duì)尾砂的物理、力學(xué)性質(zhì)發(fā)展出來的一種新型硅鋁基灰渣膠凝材料.該材料具有細(xì)度高（流動(dòng)性、分散性能好）、水化熱小、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)等特點(diǎn)，可以滿足礦山尾砂膠結(jié)充填的大部分要求.

目前，某銅礦采用下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法，充填分3期進(jìn)行，充填材料為水泥和分級(jí)尾砂，漿體濃度約為70%，一期用水泥、分級(jí)尾砂灰砂比為1∶4的漿體充填至進(jìn)路高度的一半，待沉降完成后；再用水泥、分級(jí)尾砂灰砂比為1∶8的漿體進(jìn)行二期充填；最后，用全尾砂充填至接頂.根據(jù)采場(chǎng)安全要求及經(jīng)濟(jì)效益分析得出，一期用新型尾砂膠結(jié)劑、分級(jí)尾砂灰砂比為1∶6的充填漿體，二期用新型尾砂膠結(jié)劑、分級(jí)尾砂灰砂比為1∶12的充填漿體，替代原有水泥充填工藝.

下向分層膠結(jié)充填法回采礦體，上分層膠結(jié)充填體將作為下個(gè)分層采場(chǎng)的頂板，這要求充填體具有一定的抗壓、抗拉強(qiáng)度[3-6].采用新型尾砂膠結(jié)劑替代水泥，作為分級(jí)尾砂充填體頂板的膠結(jié)劑，充填體強(qiáng)度將直接決定采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，從而關(guān)系到整個(gè)采場(chǎng)作業(yè)安全.本文將通過相關(guān)強(qiáng)度試驗(yàn)及FLAC3D數(shù)值模擬以驗(yàn)證新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體是否滿足采場(chǎng)安全作業(yè)的要求.

1 強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)中制備新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體試件采用的灰砂比為 1∶6和1∶12，42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體試件采用灰砂比1∶4和1∶8，其中1∶4與1∶6的充填體在本次試驗(yàn)中簡(jiǎn)稱高灰砂比，1∶8與1∶12的充填體簡(jiǎn)稱低灰砂比.本文中所涉及的強(qiáng)度試驗(yàn)均由RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)完成.

1.1 抗壓強(qiáng)度

按照漿體濃度70%，新型尾砂膠結(jié)劑與分級(jí)尾砂灰砂比為 1∶6、1∶12，42.5 級(jí)水泥與分級(jí)尾砂灰砂比為 1∶4、1∶8，制備 φ50mm×h100 mm 圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件由RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成單軸抗壓試驗(yàn)[7-8]，見圖1、圖2，得到了充填體不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表1、表2和圖3、圖 4.

圖1 單軸抗壓試驗(yàn)

圖2 試件破壞

表1 不同養(yǎng)護(hù)齡期，高灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期，低灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期，高灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期，低灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線

由表 1、表2及圖3、圖 4可知，在漿體濃度為70%，7 d、14 d、28 d、60 d 養(yǎng)護(hù)齡期， 灰砂比為 1∶6、1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的抗壓強(qiáng)度，均高于對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4、1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體.灰砂比為1∶6的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度為3.10 MPa，已達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度的61%，而與之對(duì)應(yīng)的1∶4的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度為2.55 MPa，僅達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度的52%；灰砂比為1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度為1.18 MPa，已達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度的54%，而與之對(duì)應(yīng)的1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度為1.55 MPa，僅達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗壓強(qiáng)度的47%.

1.2 抗拉強(qiáng)度

按照漿體濃度70%，新型尾砂膠結(jié)劑與分級(jí)尾砂灰砂比為 1∶6、1∶12，42.5 級(jí)水泥與分級(jí)尾砂灰砂比為 1∶4、1∶8， 制備 φ50mm×h50mm 圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件.由RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成巴西劈裂試驗(yàn)[7-8]，見圖5、圖6，得到了充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3、表4和圖7、圖8.

圖5 巴西劈裂試驗(yàn)

圖6 試件破壞

表3 不同養(yǎng)護(hù)齡期，高灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期，低灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同養(yǎng)護(hù)齡期，高灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗拉強(qiáng)度對(duì)比曲線

圖8 不同養(yǎng)護(hù)齡期，低灰砂比膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體抗拉強(qiáng)度對(duì)比曲線

由表3、表4及圖7、圖8可知，在漿體濃度為70%，7 d、14 d、28 d、60 d 養(yǎng)護(hù)齡期， 灰砂比為 1∶6、1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的抗拉強(qiáng)度，均高于對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4、1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體.灰砂比為1∶6的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度為0.39 MPa，已達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度的65%，而與之對(duì)應(yīng)的1∶4的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度為0.24 MPa，僅達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度的43%；灰砂比為1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，早期（7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度為0.25 MPa，已達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度的63%，而與之對(duì)應(yīng)的1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體早期 （7 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度為0.15 MPa，僅達(dá)到長(zhǎng)期（28 d養(yǎng)護(hù)齡期）抗拉強(qiáng)度的42%.

2 FLAC3D模擬

采用FLAC3D（Fast Lagrangin Analysis of Continua）分別模擬用新型尾砂膠結(jié)劑、42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填后，其作為下個(gè)分層采場(chǎng)頂板，回采下個(gè)分層.

FLAC3D是一個(gè)用于分析和解決工程力學(xué)問題的數(shù)值分析軟件，其采用三維快速拉格朗日法分析問題，主要適用于巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，F(xiàn)LAC3D數(shù)值軟件在采礦、巖土工程界得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可[9-11].

2.1 數(shù)值模型

由于地下局部開挖對(duì)其周圍一定范圍內(nèi)造成影響，為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，整個(gè)模型的設(shè)計(jì)為進(jìn)路斷面尺寸的5倍[12-14].本算例中根據(jù)某銅礦工程實(shí)際中，回采進(jìn)路斷面尺寸4m×3m（寬×高），建立數(shù)值模型.考慮進(jìn)路長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)路的寬度及高度，可將本算例視為平面應(yīng)變問題，進(jìn)路長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1m即可.通過分析最終確定計(jì)算模型幾何尺寸44m×1m×33m（長(zhǎng)×寬×高）.

本次數(shù)值模擬主要考慮充填體頂板的穩(wěn)定性，故在豎直方向的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，即在豎直方向上每0.5m劃分一個(gè)單元，水平方向每1m劃分一個(gè)單元，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)目為44×1×66.模型從上至下分，依次是上覆圍巖、充填體、礦體.在下向分層膠結(jié)充填采礦中，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，充填體的受力傳遞在3個(gè)分層之間較為明顯，4個(gè)分層以上，充填體的受力傳遞影響已可忽略不計(jì)[15]，所以本算例中，設(shè)計(jì)充填體由3個(gè)分層組成.模型上邊界施加0.04 MPa的垂直應(yīng)力，約束條件取兩側(cè)為限制水平方向位移的滑動(dòng)支座，底部為限制垂直方向和水平方向位移的固定支座，且限制整個(gè)模型y方向的移動(dòng).考慮到實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)在充填體中布設(shè)豎筋以增強(qiáng)充填體的整體性，其直徑一般為16mm，長(zhǎng)度為充填高度的60%，布設(shè)網(wǎng)格為1.6 m×1.6 m.在本例中，用FLAC3D的錨索單元模擬豎筋的作用.整個(gè)數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分見圖9.模型劃分2 904個(gè)結(jié)構(gòu)單元和6 030個(gè)節(jié)點(diǎn)單元.礦體、圍巖、充填體及錨桿的力學(xué)、物理參數(shù)見表5，表6.

圖9 FLAC3D模型及網(wǎng)格劃分

表5 礦體、圍巖及充填體物理力學(xué)參數(shù)

表6 錨桿力學(xué)參數(shù)

2.2 FLAC3D模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述建立的模型，分別模擬在新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體中布設(shè)豎筋、未布設(shè)豎筋，及原有42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填，回采下個(gè)分層，得到了采場(chǎng)周圍的塑性區(qū)分布圖、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及垂直位移云圖.

進(jìn)路回采后，采場(chǎng)周圍的塑性區(qū)分布情況見圖10.其中圖10（a）是布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后塑性區(qū)分布情況，從圖10（a）中可以看出，僅采場(chǎng)的底板存在少量張拉塑性區(qū)分布；圖10（b）是未布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后塑性區(qū)分布情況，從圖10（b）中可以看出，采場(chǎng)的頂板、底板都存在張拉塑性區(qū)分布；圖10（c）是布設(shè)豎筋，42.5水泥級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后塑性區(qū)分布情況，從圖10（c）中可以看出，除了采場(chǎng)底板存在張拉塑性區(qū)分布，充填頂板也存在剪切塑性區(qū)分布；從中可得出，在0.04 MPa垂直應(yīng)力作用下，采用新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填，并布設(shè)豎筋，進(jìn)路開挖后采場(chǎng)更穩(wěn)定.

進(jìn)路回采后，采場(chǎng)周圍的最大主應(yīng)力分布情況見圖11.其中圖11（a）是布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后最大主應(yīng)力分布情況，圖11（b）是未布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后最大主應(yīng)力分布情況，圖11（c）是布設(shè)豎筋，42.5水泥級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后最大主應(yīng)力分布情況，從圖11中可以看出，進(jìn)路以上3個(gè)充填分層區(qū)域也均處于受拉狀態(tài)，最大應(yīng)力值都為0.5 MPa，且底板都由張拉應(yīng)力控制，最大應(yīng)力值分別為 2.20MPa、2.23 MPa、2.20MPa.

進(jìn)路回采后，采場(chǎng)周圍的最小主應(yīng)力分布情況見圖12.從圖12中可以看出進(jìn)路開挖后都受四周（尤其是進(jìn)路兩側(cè)）拱擠壓的作用，從圖12中可以看出進(jìn)路的兩側(cè)幫受壓力控制，壓應(yīng)力集中程度較高，壓應(yīng)力值也最大.圖12（a）是布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下采場(chǎng)最小主應(yīng)力分布情況，最大壓應(yīng)力值2.39 MPa.圖 12（b）是未布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下采場(chǎng)最小主應(yīng)力分布情況，最大壓應(yīng)力值2.38 MPa.圖12（c）是布設(shè)豎筋，42.5水泥級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下采場(chǎng)最小主應(yīng)力分布情況，其應(yīng)力集中與新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下采場(chǎng)最小主應(yīng)力分布情況類似，最大壓應(yīng)力值2.40 MPa，三者相差不大.

圖10 采場(chǎng)塑性區(qū)分布

圖11 采場(chǎng)最大主應(yīng)力分布

圖12 采場(chǎng)最小主應(yīng)力分布

進(jìn)路回采后，采場(chǎng)豎直方向位移分布情況見圖13.圖13（a）是布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后的豎直方向位移分布云圖，從圖13中可以看出，充填體頂板最大沉降值為1.73 cm；圖13（b）是未布設(shè)豎筋，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后的豎直方向位移分布云圖，從圖13（b）中可以看出，充填體頂板最大沉降值為2.30 cm；圖 13（c）是布設(shè)豎筋，42.5水泥級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填下進(jìn)路開挖后的豎直方向位移分布云圖，從圖13（c）中可以看出，充填體頂板最大沉降值為1.81 cm.其中進(jìn)路開挖對(duì)上部充填體變形擾動(dòng)范圍，圖 13（a）、圖 13（c）較圖 13（b）明顯更大，這是因?yàn)樨Q筋發(fā)揮了懸吊作用，將充填體組合成了一個(gè)整體，布置豎筋有效緩解了頂板充填體的變形，降低了頂板充填體的沉降，對(duì)提高充填體頂板穩(wěn)定性具有積極地效果.為保障下個(gè)分層采場(chǎng)作業(yè)安全，采用新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填頂板，必須布設(shè)豎筋.

圖13 采場(chǎng)豎直方向位移分布

通過以上塑性區(qū)分布、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、及垂直位移云圖分析得出，在布設(shè)豎筋的情況下，新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體頂板可以滿足要求.

3 結(jié) 論

1）灰砂比為1∶6和1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的 7 d、14 d、28 d、60 d 養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓、抗拉強(qiáng)度分別高于對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4和1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度；

2）灰砂比為1∶6和1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，在養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的抗壓、抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)均快于對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4和1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度，灰砂比為1∶6和1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體的早期抗壓、抗拉強(qiáng)度優(yōu)于對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4和1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體；

3）在下向分層膠結(jié)采礦方法中，采用新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂充填，必須布設(shè)豎筋，且灰砂比為1∶6和1∶12的新型尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)分級(jí)尾砂替代對(duì)應(yīng)灰砂比為1∶4和1∶8的42.5級(jí)水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填采場(chǎng)頂板，其穩(wěn)定性可以滿足要求.

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