混合碎石料配比對(duì)漿體流動(dòng)性能和充填體強(qiáng)度的影響

摘 "要：隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，如何治理采空區(qū)和高效回收利用殘礦已經(jīng)成為很多礦山亟待解決的問題。該文對(duì)哈圖金礦采一礦區(qū)（934～1 094 m）空區(qū)治理與殘礦資源回收利用進(jìn)行研究，首先從礦山尾砂的基本性質(zhì)、充填料漿流動(dòng)性、尾砂充填強(qiáng)度配比方面進(jìn)行研究測(cè)試，得出灰砂比1∶20變化至1∶4時(shí)，充填體強(qiáng)度變化較大，同時(shí)添加20%碎石砂可增強(qiáng)充填體強(qiáng)度效果，特別是早期強(qiáng)度提升顯著。并結(jié)合礦山具體情況，采取直接利用干尾砂進(jìn)行充填（尾礦不再選）的采空區(qū)治理方案。對(duì)殘采、充填工藝技術(shù)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，在采一礦區(qū)934 m中段選擇上向進(jìn)路充填采礦法開展殘采礦體實(shí)驗(yàn)，工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期。該文采空區(qū)治理與殘礦資源回收利用實(shí)例可為其他礦山提供參考和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：膏體充填；早期強(qiáng)度；添加碎石骨料；流變參數(shù)；采空區(qū)治理

中圖分類號(hào)：TD325.3 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-00６５-0５

Abstract： With the development of mineral resources， how to manage the empty zone and efficiently recycle the residual ore has become an urgent problem for many mines. In this paper， research was conducted on empty mining area management and residual resources recycling of one mining area （934～1 094 m） in Hatu gold mine， first from the basic properties of mine tailings， filling slurry mobility， tailings filling strength ratio research test， concluded that the gray sand ratio of 1∶20 change to 1∶4， the strength of the filling body changes， and at the same time， add 20% crushed sand can enhance the effect of the filling body strength， especially the early strength enhancement is significant. At the same time， adding 20% gravel sand can enhance the strength effect of the filling body， especially the early strength enhancement is significant. According to the specific conditions of the mine， we adopt the management plan of filling the empty mining area by directly utilizing the dry tailing sand （the tailing is no longer selected）. On the basis of the full study of the residual mining and filling technology， the residual mining orebody experiment is carried out by selecting the upward filling mining method in the middle section of mining No. 1 mining area， and the industrial test results meet the expectations. The examples of goaf treatment and residual ore resources recovery and utilization in this paper can provide reference and reference significance for other mines.

Keywords： paste filling; early strength; adding macadam aggregate; rheological parameters; goaf treatment

金屬礦山隨著開采進(jìn)行，采空區(qū)暴露面積加大容易造成圍巖應(yīng)力集中，導(dǎo)致頂板和圍巖不穩(wěn)定，出現(xiàn)冒頂巖爆等威脅礦山生產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害[1]。

哈圖金礦礦床嚴(yán)格受構(gòu)造斷裂控制，走向近東西向，主要含礦斷裂走向80～90°，傾角58～72°。采一礦區(qū)一直采用淺孔留礦法采礦方法，漏斗底部結(jié)構(gòu)[2]，貧化率達(dá)到50%，損失率達(dá)到40%。在934～1 094 m中段積累了大量空區(qū)，且采場(chǎng)礦柱也未及時(shí)回收，局部區(qū)域沿脈巷發(fā)生了開裂、塌方冒落，相鄰采場(chǎng)以及上下中段采場(chǎng)有些已經(jīng)貫通，因此上部空區(qū)處理勢(shì)在必行。同時(shí)，采用淺孔留礦法存在支脈無法兼顧開采問題，并留下開采混亂的間柱和頂?shù)字?，也給礦山安全生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展帶來不少難題。

利用充填系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法取代淺孔留礦法，用于開采千米深度及以上礦井，綜合生產(chǎn)能力能達(dá)1 000 t/d。針對(duì)哈圖金礦礦區(qū)特征，本文提出了一種空區(qū)充填治理方案，不僅能消除采空區(qū)安全隱患，還能對(duì)礦柱殘礦資源回收利用，實(shí)現(xiàn)礦山綠色高效開采[3]。

1 "研究現(xiàn)狀與治理方案

1.1 "現(xiàn)狀

哈圖金礦現(xiàn)有３個(gè)采區(qū)：400 m采區(qū)已經(jīng)結(jié)束開采，600 m采區(qū)正在采用上向水平分層充填法開采礦柱，深部區(qū)域設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模1 000 t/d，即年產(chǎn)礦石33萬t。

目前，哈圖金礦采一礦區(qū)934～1 054 m中段空區(qū)數(shù)目共計(jì)140個(gè)，其中934 m水平30個(gè)、974 m水平41個(gè)、1 014 m水平40個(gè)、1 054 m水平29個(gè)，空區(qū)頂板暴露面積少有超過500 m2。采空區(qū)總體積30.94萬m3。

1.2 "治理方案

減少采空區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，緩和圍巖應(yīng)力集中程度，可以實(shí)現(xiàn)控制和管理地壓，保證礦山安全生產(chǎn)[4]。

根據(jù)哈圖金礦采空區(qū)治理原則和工程實(shí)際情況，研究利用尾礦干尾砂進(jìn)行充填（尾礦不再選）。采用1∶4～1∶10灰沙比進(jìn)行上向進(jìn)路充填采礦法回收殘礦和頂?shù)字鵞5]。在地表充填站制備充填料后，經(jīng)管道輸送至采場(chǎng)，在采場(chǎng)上部充填天井布置充填管道至采場(chǎng)進(jìn)行一次充填。本文通過對(duì)充填料流動(dòng)性和力學(xué)性能開展實(shí)驗(yàn)，測(cè)試尾砂充填體力學(xué)響應(yīng)強(qiáng)度特性能否滿足采空區(qū)治理要求。

2 "尾砂料漿測(cè)試

2.1 "尾砂基本物理性質(zhì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)實(shí)驗(yàn)用尾砂進(jìn)行了測(cè)試，在不同齡期下對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著性大小的順序?yàn)橘|(zhì)量濃度大于尾砂級(jí)配[6]，尾砂級(jí)配對(duì)強(qiáng)度影響僅次于質(zhì)量濃度，尾砂級(jí)配質(zhì)量至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)用尾砂比重2.79、松散孔隙率62.4%、密實(shí)孔隙率48.4%，全尾砂比表面積428.0 m2/kg，全尾砂顆粒不均勻系數(shù)α=16.1大于5，顆粒級(jí)配較不均勻，粒度組成兩極分化大，尾砂骨料級(jí)配良好。充填體強(qiáng)度隨pH的增大而減小[7]，本研究尾砂中有毒有害及影響充填體質(zhì)量的成分（P、S、Mn、Zn、As）含量較低，堿性含量較低。回填料中加入鈣基膨潤土（Ca-B）和硅粉（SF），同摻入水平下可以顯著提高強(qiáng)度[8]。對(duì)充填體強(qiáng)度發(fā)展有利的元素Si、Ca、Al含量較高，全尾砂能夠用于充填[9]。本文研究使用尾砂Si、Ca含量高對(duì)充填體強(qiáng)度有明顯增益作用。

2.2 "充填料漿流動(dòng)性

充填料漿對(duì)流動(dòng)性有較高要求，具有良好流動(dòng)性與強(qiáng)度是完成充填的重要條件，有研究表明尾礦骨料比與強(qiáng)度呈一元二次關(guān)系，與坍落度呈負(fù)線性[10]。王培強(qiáng)等[11]研究充填質(zhì)量濃度為64%～74%，灰砂比為1∶4～1∶12時(shí)，料漿屈服應(yīng)力小于100 Pa，管道流動(dòng)阻力小于6.0 kPa/m可應(yīng)用井下充填。侯永強(qiáng)[12]對(duì)金川礦區(qū)采用廢石摻量為30%混合粗骨料，質(zhì)量濃度為82%～83%時(shí)效果最佳。本文流動(dòng)性分析計(jì)算如圖1所示。在考慮管道全斷面具有流速時(shí)，根據(jù)伯努利方程和賓漢流變方程式得出

在膠結(jié)膏體充填法中，漿料充填的關(guān)鍵流變參數(shù)至關(guān)重要[13]。本實(shí)驗(yàn)采用h=1.2 m，h′=0.24 m，D=0.065 m，L=2.06 m參數(shù)。代入求得不同灰砂比與濃度的充填料漿流變參數(shù)見表1。

3 "尾砂充填強(qiáng)度力學(xué)特性

姚宣成[14]研究國內(nèi)某金礦充填的最優(yōu)配比為1∶0.5∶8，濃度為66%。本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)料漿管道沿程阻力i和料漿可實(shí)現(xiàn)自流輸送的倍線N分析，當(dāng)充填料漿濃度74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15時(shí)，屈服剪切應(yīng)力63.79～45.43 Pa，黏性系數(shù)6.73 Pa·s，料漿管道輸送的沿程阻力較大（管徑80～150 mm，流量40～100 m3/h時(shí)，沿程阻力4.66～189.94 kPa/m），自流輸送的倍線較小（管徑80～150 mm，流量40～100 m3/h時(shí)，料漿充填倍線0.09～3.44），料漿可實(shí)現(xiàn)自流輸送的范圍較小，綜上分析料漿濃度在74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15區(qū)間內(nèi)可以滿足井下充填流動(dòng)性要求。

根據(jù)尾砂物理性質(zhì)和上述測(cè)試分析，采用灰砂比1∶4、1∶10、1∶15和1∶20，濃度74%和72%，3 d強(qiáng)度最高分別可達(dá)到2.85、0.68、0.38和0.33 MPa；7 d強(qiáng)度最高分別可達(dá)到3.46、0.81、0.55和0.39 MPa；28 d強(qiáng)度最高分別可達(dá)到3.64、0.87、0.61和0.44 MPa?；疑氨?∶20變化至1∶4時(shí)，充填體強(qiáng)度也變化較大?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)礦山實(shí)際充填強(qiáng)度要求，靈活選取充填配比參數(shù)，來達(dá)到充填強(qiáng)度要求。

通過復(fù)合外摻料提高全尾砂填料強(qiáng)度[15]。在全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度配比的基礎(chǔ)上，開展碎石內(nèi)摻添加量為20%、灰砂比分別為1∶4和1∶10、充填料漿質(zhì)量濃度為74%和72%、養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、28 d單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2—表4。

通過對(duì)灰砂比分別為1∶4和1∶10試樣巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別在3、7、28 d養(yǎng)護(hù)條件下對(duì)比添加碎石前后單軸抗壓強(qiáng)度變化，獲得不同齡期單軸抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖2和圖3所示。

綜上所述，充填料漿灰砂比和質(zhì)量濃度保持不變的情況下，添加碎石砂能夠增強(qiáng)充填體強(qiáng)度，在添加碎石砂量為20%的條件下，充填體的強(qiáng)度強(qiáng)繼續(xù)提高，其他3組強(qiáng)度增強(qiáng)下降的趨勢(shì)和幅度見表5。進(jìn)一步分析添加量為20%碎石砂對(duì)充填體強(qiáng)度影響特性如圖4所示。表現(xiàn)為3 d期齡養(yǎng)護(hù)條件下4組增強(qiáng)效果明顯。7 d期齡養(yǎng)護(hù)條件下只有1∶4、74%增強(qiáng)持續(xù)提高，其他3組強(qiáng)度增強(qiáng)下降。28 d期齡養(yǎng)護(hù)條件下只有1∶4、74%強(qiáng)度增強(qiáng)下降較為顯著，1∶4、72%和1∶4、74%強(qiáng)度增強(qiáng)略有增加，1∶4、72%增強(qiáng)基本穩(wěn)定。姜明歸等[16]研究灰砂比為1∶4的充填體斷裂韌度隨吸能密度、峰前應(yīng)變能密度的增幅是灰砂比為1∶6和1∶8的2～3倍。這與本文研究灰沙比1∶4強(qiáng)度增加的結(jié)論相符。通過全尾砂膠結(jié)充填體和添加碎石全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度分析，在充填料漿灰砂比和質(zhì)量濃度不變的情況下，范永亮等[17]研究表明隨著碎石摻量增加，充填體3 d強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降，7 d和28 d強(qiáng)度呈現(xiàn)小幅增長的趨勢(shì)。這與本文研究結(jié)論相近。但本文研究發(fā)現(xiàn)灰砂比1∶4，濃度74%時(shí)，3 d早期強(qiáng)度增加更為顯著，3 d后強(qiáng)度增加下降。碎石機(jī)制砂內(nèi)摻量為20%時(shí)，灰砂比1∶4，濃度74%時(shí)，28 d強(qiáng)度增加0.467 MPa。通過以上實(shí)驗(yàn)分析添加20%碎石沙能有效提高充填體初期強(qiáng)度，早期荷載作用促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，有助于充填體強(qiáng)度的提高[18]。增加碎石沙對(duì)增強(qiáng)采空區(qū)早期強(qiáng)度，提高穩(wěn)定性起到較好效果。

4 "結(jié)論

1）哈圖金礦采一礦區(qū)（934～1 094 m）空區(qū)治理與殘礦資源回收利用研究。利用礦山采樣尾砂進(jìn)行試驗(yàn)內(nèi)容，提出了采空區(qū)治理與殘礦回收治理方案，而后進(jìn)行相關(guān)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期。

2）針對(duì)哈圖金礦采一礦區(qū)（934～1 094 m）采空區(qū)治理，提出直接利用尾礦庫干尾砂進(jìn)行充填（尾礦不再選）治理方案。此方案工藝流程簡單、建設(shè)工期短、初期建設(shè)投資少、投資回收周期短。

3）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)采用1∶4～1∶10灰砂比進(jìn)行上向進(jìn)路充填采礦工藝回收頂?shù)字?jīng)實(shí)踐證明采場(chǎng)礦、巖體穩(wěn)定，未出現(xiàn)大面積垮冒現(xiàn)象。經(jīng)過在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐作業(yè)，參數(shù)指標(biāo)還留有空間，也可作為礦山今后規(guī)模生產(chǎn)的依據(jù)。

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