官在平，許文遠，蔡桂生，周 磊

（1.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北 宜昌443000；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

興發(fā)集團興隆磷礦年產(chǎn)礦石40萬t，目前采用房柱法開采，隨著開采時間的增長，井下形成大規(guī)模采空區(qū)，給礦山的安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。同時，礦山采用房柱法進行開采時，留設(shè)的礦柱造成了較多的資源無法回收，對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國家資源保障都造成巨大影響。

因此，為了提高礦石回采率，解決采空區(qū)安全隱患，確?；夭砂踩⒏咝?，礦山?jīng)Q定開展兩步驟回采嗣后充填采礦法的試驗研究。其中充填工藝及充填配比參數(shù)是整個試驗研究工作的基礎(chǔ)，為此根據(jù)確定的充填工藝開展了井下泵送充填工藝配比參數(shù)試驗研究工作。

1 充填系統(tǒng)及工藝流程

興隆磷礦采用井下移動式泵送充填系統(tǒng)進行礦柱膠結(jié)充填，其充填骨料為攔渣壩廢石，廢石在地表破碎成－10mm且具有連續(xù)級配的碎渣，膠結(jié)劑為PO 32.5普通硅酸鹽水泥、充填用水為礦山生產(chǎn)用水。其工藝流程為：碎渣、水泥分別通過汽車托運至井下充填攪拌站儲存。充填時，廢渣通過鏟車向JS750攪拌機受料斗中定量供料；水泥人工定量添加到受料斗中；充填料漿用水來自井下水倉，通過電動調(diào)節(jié)閥向攪拌機定量供水，各充填材料采用兩臺強制式攪拌機間歇式攪拌，攪拌均勻的廢石充填料漿輸送給混凝土泵受料斗，然后通過混凝土輸送泵泵送至采場進行充填，其工藝流程見圖1。整套系統(tǒng)設(shè)置各種監(jiān)控儀表，以監(jiān)控和調(diào)節(jié)充填料漿的實際流量和濃度等各種充填參數(shù)。系統(tǒng)充填能力＞45m3/h，充填一班作業(yè)，每班8小時。

2 興隆磷礦混凝土充填技術(shù)參數(shù)設(shè)計

混凝土充填料由固體物料、膠凝劑和水三部分材料組成。混凝土充填料的組成材料及其配比應(yīng)滿足混凝土充填料管道輸送性能（穩(wěn)定性、可塑性、流動性和流變性）和充填體強度性能的要求［1］。

圖1 井下移動式泵送充填系統(tǒng)工藝流程圖

2.1 可泵性輸送的要求

混凝土充填料是近似于賓漢姆體的非牛頓流體，混凝土充填料管道輸送的流動狀態(tài)為結(jié)構(gòu)柱塞流，管道輸送對混凝土充填料在穩(wěn)定性、可塑性、流動性和流變性等方面有較嚴格的要求［2］。具體包括四部分：①混凝土充填料必須具有抵抗離析的能力，在管道輸送中不會產(chǎn)生沉淀、分層、離析，并在管道中靜置短時間內(nèi)能夠被重新啟動輸送，即混凝土充填料應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性；②混凝土充填料必須具有在克服屈服應(yīng)力后產(chǎn)生非可逆變形的能力，在管道輸送過程中混凝土充填料“柱塞”斷面上顆粒不會產(chǎn)生錯位，即混凝土充填料應(yīng)具有良好的可塑性；③混凝土充填料在外加機械力或自重力的作用下，能夠在管道中和采空區(qū)中順利流動，即應(yīng)具有良好的流動性；④混凝土充填料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及其在管道輸送過程中的管流阻力要小，即應(yīng)具有良好的流變性。

根據(jù)國內(nèi)外礦山混凝土充填技術(shù)的研究成果及混凝土充填技術(shù)在礦山應(yīng)用的實際經(jīng)驗，滿足穩(wěn)定性、可塑性、流動性、流變性要求和符合工業(yè)條件的混凝土充填料，其固體物料最大粒徑與輸送管道管徑之比不能超過1∶5；固體物料中粒級盡量連續(xù)，并且含有一定比例的細骨料，且含量不宜小于15%；混凝土充填料的坍落度在150～250mm；混凝土充填料的分層度不宜大于20mm。

2.2 回采工藝對充填體強度的要求

礦山開采采用沿走向礦房礦柱兩步回采嗣后充填采礦法，充填體的強度必須滿足采礦工藝的要求。充填體所需強度是指回采相鄰礦塊時，能夠具有一定的自立高度和暴露寬度并且處于穩(wěn)定狀態(tài)下膠結(jié)充填體應(yīng)具有的最低強度。

膠結(jié)充填體強度設(shè)計應(yīng)當基于充填體在采空區(qū)所起的力學作用來考慮。膠結(jié)充填體在采空區(qū)的力學作用大致分為兩種：第一，支護不穩(wěn)定的采場圍巖特別是破碎的采場上盤及頂板；第二，膠結(jié)充填體在厚大礦體高階段開采中主要起自立性人工礦柱的作用，其對圍巖的支護作用居于次要地位。在許多情況下，往往要求膠結(jié)充填體同時起上述兩種作用［3］。

興隆磷礦膠結(jié)充填的力學作用是支護采場頂板，維護采場穩(wěn)定性，確保采空區(qū)安全，避免地表塌陷。同時，膠結(jié)充填需要具有一定的自立性，減小采場跨度，確保采礦過程中的安全性。

根據(jù)面積承載力理論，充填體承受的應(yīng)力為它所承擔的上覆巖層的自重，即上覆巖層作用在充填上的應(yīng)力，上覆巖層指普氏拱內(nèi)巖層。因此，要計算充填體應(yīng)力，首先應(yīng)根據(jù)充填體礦柱承載機理，確定深部回采免壓拱塑性區(qū)范圍內(nèi)巖層的重量。根據(jù)普氏地壓理論，塑性區(qū)的半徑可表示為式（1）。

式中：Rp為塑性區(qū)半徑；γ為巖體容重（N/m3），27440N/m3；Φ為內(nèi)摩擦角，56.70；C為內(nèi)聚力（MPa），9.6MPa；R0為盤區(qū)跨度（m），85m；H為礦體埋深（m），500m；P0為為開采深度的垂直自重應(yīng)力；H為礦柱高度，4.5m。

由此計算得普氏塑性區(qū)半徑為79m，免壓拱內(nèi)覆巖高度為H0＝RP－h(huán)/2，可得等效覆巖高度為77m。上覆巖層作用在充填體礦柱上的應(yīng)力計算見式（2）。

式中：δp為礦柱應(yīng)力；γ：上覆巖層容重（N/m3）；H0為等效覆巖高度（普氏拱內(nèi)巖層），77m；B0為礦柱間隔寬度（m），6m；L0為礦柱間隔長度（m），0m；BP為礦柱寬度（m），7m；LP為礦柱長度（m），62m。

計算得充填體礦柱應(yīng)力為3.9MPa，按1.2的安全系數(shù)考慮，充填體礦柱強度應(yīng)達到4.6MPa。

3 充填料漿流動性及配比參數(shù)試驗

3.1 原材料及要求

根據(jù)興隆磷礦充填材料來源，興隆磷礦充填骨料為－10mm廢石（以下簡稱碎渣）組成，碎渣具有連續(xù)級配，是將攔渣壩廢石通過混合破碎機一段破碎制備而成。為使試驗材料與現(xiàn)場實際情況相符合，試驗材料采用現(xiàn)場生產(chǎn)的實際廢渣；試驗?zāi)z凝材料采用實際充填所用的PO 32.5普通硅酸鹽水泥、充填用水為礦山生產(chǎn)用水。

3.2 充填料坍落度試驗

當混凝土充填輸送濃度較低時，會出現(xiàn)料漿離析現(xiàn)象，會造成泵送輸送困難以及充填體質(zhì)量下降；而當輸送濃度過高時，會增加輸送阻力，增加了輸送成本［4］。因此，實際充填中應(yīng)根據(jù)料漿的流動性及和易性確定最佳的輸送濃度，混凝土坍落度是綜合反映其流動性、和易性的指標。通過初步實驗觀察發(fā)現(xiàn)，興隆磷礦碎渣混凝土充填料漿，在濃度低于76%時，其和易性非常差，料漿分層離析現(xiàn)象嚴重，不宜采用泵壓輸送。因此，對高于76%的料漿進行坍落度試驗，考察其流動性。

試驗采用標準混凝土坍落度筒測定了灰砂比1∶4條件下，不同輸送濃度的混凝土充填料漿坍落度，其測試結(jié)果見表1。

表1 碎渣混凝土充填料漿坍落度

根據(jù)混凝土泵送充填料的坍落度在150～250mm的要求，并通過試驗觀察，料漿濃度在78%以上時料漿和易性較好，且流動性較好能夠滿足泵壓輸送的要求。

3.3 充填料漿配比試驗

根據(jù)礦山回采工藝要求充填體強度大于4.6MPa，因此，需要進行相應(yīng)的強度配比試驗確定其充填參數(shù)。結(jié)合坍落度試驗結(jié)果，設(shè)計配比強度組分為：料漿濃度76%～82%、砂灰比4～10。其測試結(jié)果見表2。

表2 碎渣－水泥膠結(jié)充填體單軸抗壓強度試驗結(jié)果

通過試驗結(jié)果來看，料漿濃度為82%，砂灰比為4時，其充填體強度大于4.6MPa，能夠滿足回采工藝的需求。因此，從充填體強度的角度講，充填料漿濃度不宜低于82%、砂灰比不大于4。

4 結(jié)論

1）通過分析充填體力學作用原理，結(jié)合礦山回采工藝的特點，并經(jīng)過模擬計算，得到其滿足回采工藝所需的充填體強度應(yīng)大于4.6 MPa。

2）根據(jù)混凝土泵送充填料的坍落度在150～250mm的要求，并通過試驗觀察，料漿濃度在78%以上時料漿和易性較好，且流動性較好能夠滿足泵壓輸送的要求。

3）充填料漿濃度為82%，砂灰比為4時，其充填體強度為6.4MPa，大于回采所需的4.6MPa，能夠滿足回采工藝的需求。

4）針對礦山所采用的充填骨料，根據(jù)強度配比試驗結(jié)果，并綜合充填料漿流動性特點，推薦充填參數(shù)為：采用－10mm且具有連續(xù)級配的碎渣作為充填骨料，采用泵送充填料漿時其充填濃度為82%、砂灰比為4為宜。

［1］ 楊全文，胡廷正，張虹.粗骨料對泵送混凝土性能的影響［J］.水利建設(shè)與管理，2010（9）：72－76.

［2］ 袁杰，張寶生，葛勇.混合骨料混凝土的力學性能研究［J］.混凝土，2004（11）：42－44.

［3］ 王劼，鄭懷昌，陳小平.充填采礦法膠結(jié)充填體力學作用分析［J］.有色金屬，2004，56（3）：109－111.

［4］ 王新民.深井礦山充填理論與技術(shù)［M］.長沙：中南大學出版社，2005.