羅增武*，趙元元，黃世頂

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某礦全尾砂配比優(yōu)化研究

羅增武*，趙元元，黃世頂

（廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西南丹，547205）

為了達到尾砂的全部利用，解決尾礦庫所帶來的問題，某礦東風(fēng)礦區(qū)采用全尾砂膠結(jié)充填采礦方法。通過對現(xiàn)場尾砂骨料的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成、配比優(yōu)化進行分析和研究，評價充填骨料的可行性和尋找最優(yōu)配比。結(jié)果表明，東風(fēng)礦區(qū)尾砂骨料物化性能符合充填需要，并且推薦采場底部兩分層采用灰砂配比為1:4，中間兩分層使用全尾砂，上部一分層采用灰砂配比為1:8的充填料充填。

全尾砂充填采礦；充填料；最優(yōu)配比

引言

某礦東風(fēng)礦區(qū)為新成立的礦區(qū)，東風(fēng)礦區(qū)目前處于基建期，但礦山出于生產(chǎn)需要，通過九曲礦區(qū)大開頭礦段現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)，在東風(fēng)礦區(qū)深部-420 m中段，采用階段礦房法回采了部分礦房，采出的礦石經(jīng)現(xiàn)有206 主運輸平窿運往某礦選廠處理。由于沒有充填系統(tǒng)，所以沒有進行空區(qū)充填，現(xiàn)已形成約9 萬m3的采空區(qū)。

某礦選廠始建于20世紀(jì)60年代，后經(jīng)多次改造，選廠現(xiàn)生產(chǎn)能力4000 t/d，尾礦產(chǎn)量約3900 t/d，實際能力可達4500～5000 t/d。某礦尾礦庫位于某礦選廠南東部約3 km（直線距離約1.2 km）的蔣家楊地段的S型山谷中，三面環(huán)山，地形起伏大，坡度陡。地貌類型屬于構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌。某礦尾礦庫經(jīng)多次擴建改造，根據(jù)2011年實測，某礦尾礦庫保有有效庫容約117.5萬m3，服務(wù)年限僅為1.5年，所以解決某礦尾礦庫問題迫在眉睫。

然而，為解決某礦尾礦的存放、堆積問題，遇到了諸多困難。一方面，某礦礦區(qū)周邊15 km范圍內(nèi)均無適合場地用來新建尾礦庫，且新建尾礦庫項目從設(shè)計立項、建設(shè)到投入使用的整個過程，審批程序復(fù)雜，建設(shè)周期較長，無法滿足某礦礦區(qū)目前生產(chǎn)的需要。另一方面，正在建設(shè)的東風(fēng)尾礦庫，雖然能在一定程度上緩解某礦尾礦庫的庫存壓力，但其相關(guān)手續(xù)仍在辦理，且征地難度較大，建成時間無法確定，也無法解決某礦尾礦庫目前的燃眉之急。鑒于上述因素，結(jié)合考慮井下開采的充填實際需要，同時為選廠尾砂尋找出路，設(shè)計將尾砂充填到井下，對地下開采的采空區(qū)采用高濃度尾砂料漿進行充填處理，做到一舉兩得，既可以解決尾砂的出路問題，又可以解決現(xiàn)有充填技術(shù)帶來的一系列問題，降低充填成本。

1 充填料物化性能

某礦東風(fēng)礦區(qū)充填骨料分別為全尾砂，膠凝材料為焦家金礦生產(chǎn)的C料。為了評價由采場提供的全尾砂和C料構(gòu)成的充填骨料的可行性，對其做物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份測定，主要結(jié)果列于表1和表2。

充填料物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份測定結(jié)果表明：

（1）根據(jù)對東風(fēng)礦區(qū)全尾砂物化性質(zhì)研究可知，其滲透系數(shù)達到22.428cm/h，能夠滿足作業(yè)要求，使其進入充填采場后保持良好的脫水性能，初凝快。

（2）由三聯(lián)固結(jié)壓縮儀測定東風(fēng)礦區(qū)的尾砂壓縮系數(shù)可知，該尾砂的可壓縮性適中，既不是屬于很松散的類型，也不是很密實的類型。

（3）東風(fēng)礦區(qū)尾砂的不均勻系數(shù)C為28.39，該尾砂屬于粗粒較多的，其滲透性能很好。

（4）尾砂中硫化物的含量過高對充填料的物態(tài)特性和膠結(jié)性能均有影響。該礦區(qū)尾砂中SO2含量達到90%，對充填體效果影響極大。且尾砂中含有少量有毒元素砷，尾砂充填后的廢水必須經(jīng)過處理后才能排放。

表1 尾砂的壓縮性

表2 尾砂的地質(zhì)參數(shù)

2 膠結(jié)充填配比實驗

2.1 充填配比實驗

充填材料配比實驗的主要目的是在試驗室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，采用WDW-2000萬能壓力試驗機測定其7,14,28天的充填體單軸抗壓強度。根據(jù)實驗結(jié)果進行技術(shù)，經(jīng)濟分析，推薦尾砂膠結(jié)充填優(yōu)化配比參數(shù)，為尾砂膠結(jié)充填工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

2.2 充填試驗結(jié)果及分析

根據(jù)制定的試驗方案，在室內(nèi)制作試塊并測定其相應(yīng)齡期的單軸抗壓強度和28天齡期的抗拉強度值。根據(jù)試驗結(jié)果得出如下結(jié)論。

（1）充填體強度與濃度有關(guān)，料漿濃度越高，充填體強度越大，試驗結(jié)果顯示：漿體濃度由65%提高至75%，28天單軸抗壓強度可提高2～3倍多，但由于尾砂膠結(jié)充填體和易性強、粘性大，過高的濃度會使管道輸送困難。

（2）隨著灰砂配比增大，充填體的抗壓強度明顯提高。試驗結(jié)果表明，當(dāng)砂漿濃度為70%時，配比1:8的充填體14天的抗壓強度為0.7041MP， 28天的抗壓強度為1.2449MP，根據(jù)東風(fēng)礦區(qū)機械設(shè)備型號，只要強度在1MP以上就能滿足運行要求。

（3）增大充填料配比和增加砂漿濃度都能提高充填體的強度，滿足采場要求。如配比1:6，濃度70%的充填體7天的強度為0.6430MP，同配比，濃度為75%的充填體7天強度為1.5175MP，配比為1:4，濃度為70%的充填體7天強度為1.5760MP。所以為了降低充填成本，減少膠凝材料的使用，充分利用尾砂資源，減少尾砂堆積?？梢赃m當(dāng)增加充填料的濃度，減少配比。

（4）由實驗所得數(shù)據(jù)可知，在28天后的強度值能夠達到，2MP以上的只有灰砂配比1:4，1:6，砂漿濃度70%和75%；所以在礦山采用的上向分層水平充填法采礦時，為了保護下分段頂層的回采安全，每個采場的底部第1～3分層需要膠結(jié)充填，充填體強度要求較高。故只能選擇強度達到2MP以上的充填料。

表3 充填體試塊的抗壓強度

3 充填采場穩(wěn)定性的數(shù)值驗證

根據(jù)充填聊的配比優(yōu)化試驗，當(dāng)在某礦東風(fēng)礦區(qū)采用全尾砂充填，全尾砂選自某礦選場，膠凝材料選自焦家金礦的C料時，料將濃度為70%，灰砂配比為1:4，1:6都能滿足采場的作業(yè)要求，且泌水率和泌水量都滿足采場排水條件，它們都屬于大流動性漿體，滿足管道的輸送要求。

但是僅僅根據(jù)本次試驗所得結(jié)果不能判斷灰砂配比為1:4，1:6料漿濃度為70%的充填體就能夠滿足它的采場穩(wěn)定性要求。另外如果我們在滿足采場穩(wěn)定性和作業(yè)要求的前提下，能夠降低灰砂配比，這樣就能降低充填成本，提高經(jīng)濟效益。為了解決這兩個問題，本論文根據(jù)礦山地質(zhì)情況以及開采現(xiàn)狀，利用大型數(shù)值軟件Midas建立三維空間模型進行數(shù)值模擬，確定哪種配比更加合適。

3.1 充填采場模型建立與分析

根據(jù)1711號礦體的地質(zhì)條件和礦塊構(gòu)成要素，為了解決當(dāng)開采一個礦房兩邊都是礦體，和一邊是充填體一邊是礦體的應(yīng)力應(yīng)變和位移問題，選擇兩個礦房一個礦柱進行計算。根據(jù)圣維南定理，選取計算的范圍為開采范圍的3～5倍。我們選取-180水平的采場做為研究對象。把上層175m的圍巖自重應(yīng)力等效為均布荷載，這樣就能減少模型的大小，較少計算量。則整個計算模型為404mX146mX45m，如圖1所示。礦體厚度簡化為平均10m，采場布置參數(shù)為每個分層高度為3m，分段總高度為15m。

圖1 網(wǎng)格模型

在模型的底部使用全約束，固定它的三個方向位移，四周則約束法向。頂部由于是截取的巖體，則不需要約束，作為自由面。礦房和間柱以0.8m自由劃分，礦體用網(wǎng)格尺寸控制，在0.8m～8m之間，圍巖則以08m自由劃分。整個模型的網(wǎng)格單元數(shù)目為109628，方程數(shù)目為55444個。選用摩爾庫倫定律作為它的破壞準(zhǔn)則。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

力學(xué)參數(shù)的選取涉及到模擬的真實可靠性問題，只有通過現(xiàn)場調(diào)查取樣分析，然后再恰當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)大小才能保證數(shù)值模擬計算的可靠度。巖體物理力學(xué)參數(shù)是根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同的巖體分別選取的，為簡化計算，分析時分為六類：圍巖、礦體、高強度尾砂膠結(jié)充填體1（灰砂配比為1:4）、低強度尾砂膠結(jié)充填體2（灰砂配比為1:6）、全尾砂。本文根據(jù)現(xiàn)場取樣，做成實驗室?guī)r塊，通過對巖塊的力學(xué)參數(shù)進行適當(dāng)修正后來獲得比較接近巖體實際的力學(xué)參數(shù)。如表4所示。

表4 巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 計算結(jié)果及分析

通過模擬兩個采場和一個礦柱回收的過程，選取典型采場分層開挖過程比較他們的應(yīng)力，位移，塑性區(qū)大小，從而判斷采場的穩(wěn)定性。

應(yīng)力的分析與比較：

由于選取了兩個采場，每個采場分為5個分層，共有13個施工階段分析，結(jié)果信息量太大，故選取特征分層的圖片進行展示，其余以表格形式列出。

由于采場護頂層的重要作用以及巖石天生相對較低的抗拉強度，護頂層最大拉應(yīng)力的大小分布就顯得尤為重要，對采場穩(wěn)定性的影響也是最大的。由下圖，表可以看出在各個開挖充填階段，兩種充填體充填采場的應(yīng)力比價

地下巖體受到很大的擠壓作用，且?guī)r石材料的抗剪強度比較低，巖體容易受到剪切破壞，因此在考慮巖石的剪切應(yīng)力分布具有很大的實際意義。

圖2 采場1-5最大主應(yīng)力分布圖（1:6）

圖3 采場1-5 最大主應(yīng)力分布圖（1:4）

根據(jù)上面三個開挖步驟應(yīng)力圖反映可以得出以下結(jié)論：

（1）由于采場跨度比較大，當(dāng)開挖一分層時，頂?shù)装迨艿絻蛇厧r石的擠壓，形成了一個彎矩梁模型。故開挖過程中會出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力集中在頂?shù)装逯醒耄騼蛇厰U散，頂板受到的拉應(yīng)力大于底板的。

（2）隨著開挖階段的進行，最大主應(yīng)力進行重新分布，同一個地方的最大主應(yīng)力會繼續(xù)增加，拉應(yīng)力會繼續(xù)增加。這是由于充填體的彈性模量小于圍巖和礦體的彈性模量。故當(dāng)?shù)V體被開挖，充填體回填之后，受到很大擠壓，最大主應(yīng)力會繼續(xù)增加。

（3）剪切應(yīng)力主要分布在充填體、采空區(qū)與礦體、礦柱、圍巖的交界處。由于交界處存在裂縫，且充填體材料抗壓強度較圍巖低，當(dāng)受到圍巖擠壓時，容易在這些交界處形成較大的剪切應(yīng)力。

（4）隨著開挖階段的進行，采場的各個地方的剪切應(yīng)力都會增加。所以連續(xù)兩個采場，只有回采間柱時，剪切應(yīng)力值達到最大。

（5）當(dāng)以配比1:6的充填料回填采空區(qū)時，充填體出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.882MP，剪切應(yīng)力值為4.819MP；當(dāng)以配比1:4的充填料回填采空區(qū)時，充填體出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.829MP，剪切應(yīng)力值為4.687MP。充填體局部出現(xiàn)拉伸破壞，但是不影響機械和人在上面行走；當(dāng)以配比1:6的充填料充填采場時，采場頂板最大的拉伸應(yīng)力只有3.631MP，當(dāng)以配比1:4的充填料充填采場時，采場頂板的最大拉伸應(yīng)力只有3.235MP，都沒有超過頂板的抗拉強度，故能夠保證頂板不冒落，回采的安全性。

4 結(jié)論與展望

本文以某礦東風(fēng)礦區(qū)的全尾砂為研究對象，分析了尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)。并且以焦家金礦C料，東風(fēng)礦區(qū)全尾砂兩種充填材料做充填試驗，研究灰砂配比，砂漿濃度，養(yǎng)護齡期對充填體抗壓強度的影響。本文最后還運用Midas數(shù)值軟件模擬采場開挖充填情況，通過分析得出滿足采場穩(wěn)定性且經(jīng)濟合理的最優(yōu)配比。本文得到的結(jié)論有：

（1）東風(fēng)礦區(qū)全尾砂級配良好，粗粒部分較多。滲透系數(shù)，壓縮模量大小能夠滿足充填料的要求。但是尾砂中含有極少量的砷元素，應(yīng)該先處理后再充填。

（2）本文研究了灰砂配比為1：4，1:6，1:8；濃度為65%，70%，75%的料漿的泌水率和坍落度值，其泌水率良好，屬于大流動性砼。

（3）對試樣做單軸抗壓強度力學(xué)分析，得到充填體的強度隨著灰砂配比，濃度，養(yǎng)護齡期的增加而增加，且灰砂配比對充填體早期強度由較大影響，濃度對充填體正個養(yǎng)護齡期的強度都有影響。只有配比為1:4，1:6，砂漿濃度為70%，75%的充填體其強度能夠達到2個MP。

（4）通過數(shù)值模擬驗證，得出以灰砂配比1:4和1:6的充填料充填采場都能夠滿足采場的穩(wěn)定性，但是從經(jīng)濟成本考慮，推薦選用1:6的配比進行充填。

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Study on Proportion Optimization of Whole Tailings in a Mine

LUO Zengwu*, ZHAO Yuanyuan, HUANG Shiding

(Guangxi peak mining limited liability company, Guangxi Nandan, 547205, China)

In order to achieve the full use of tailings, to solve the problems caused by the tailings, a mine Dongfeng mining area using full tail sand filling mine method. Through the analysis and research on the physical and mechanical properties, chemical composition and ratio optimization of the tailings aggregate, the feasibility of filling the aggregate and the optimal ratio were found. The results show that the physical and chemical properties of tailings aggregate in Dongfeng mining area meet the filling requirements, and the two layers at the bottom of the recommended stope are 1: 4, the middle two layers are used with the whole tail sand, Ratio of 1: 8 filling material filling.

Full tailings filling mining; Filling material; Optimal ratio

羅增武, 趙元元, 黃世頂. 某礦全尾砂配比優(yōu)化研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(5): 171-173.

LUO Zengwu, ZHAO Yuanyuan, HUANG Shiding. Study on Proportion Optimization of Whole Tailings in a Mine[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 171-173.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.070

TD853

A

1672-9129(2017)05-0171-03

2017-01-19；

2017-02-23。

羅增武（1990-），男，廣西陸川，采礦助理工程師，本科畢業(yè)，研究方向：礦山開采。E-mail: 337259064@qq.com