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        淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究

        2025-03-18 00:00:00崔云龍姜宏鋒
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年5期
        關(guān)鍵詞:淺孔廢石尾砂

        摘 要:針對金屬礦區(qū)淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場的優(yōu)化需求,本文采用對比試驗方法,系統(tǒng)研究了不同灰砂比配比方案對開采后地質(zhì)應(yīng)力分布的影響,旨在優(yōu)化充填體配比,以改善地質(zhì)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn),灰砂比為1∶5時,礦區(qū)地質(zhì)應(yīng)力性能最優(yōu)。進一步,在最優(yōu)灰砂比基礎(chǔ)上,通過調(diào)控填充體料漿濃度(80.0%~85.0%)發(fā)現(xiàn),當濃度為83.0%時,膠結(jié)填充體的單軸抗壓強度接近峰值。本文不僅明確了最優(yōu)配比參數(shù),還揭示了濃度對強度的具體影響規(guī)律,為提升礦區(qū)開采安全和效率提供了科學依據(jù),具有顯著的創(chuàng)新性和應(yīng)用價值。

        關(guān)鍵詞:淺孔留礦;嗣后膠結(jié)充填采場;充填體配比;地應(yīng)力;灰砂比;單軸抗壓強度

        中圖分類號:TD 853" " 文獻標志碼:A

        與傳統(tǒng)采礦方法相比,淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法通過膠結(jié)充填體支撐采場周圍巖體,能夠顯著減輕圍巖的變形和片落,降低地表塌陷的風險,從而提高采礦過程的安全性[1]。不僅如此,該方法能有效減少礦山開采過程中的振動和噪聲,降低礦石飛濺和粉塵污染,保護工人的健康,同時也有利于環(huán)境保護。在具體的實施過程中,充填體作為支撐結(jié)構(gòu),是保持采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在充填處理后,礦柱和圍巖的受力狀態(tài)由單向或雙向變?yōu)槿?,以此提高礦柱和圍巖的強度[2]。同時,充填體也承擔降低巖體應(yīng)力能量釋放速度的職責,通過防止應(yīng)力集中,減少巖爆等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[3]。結(jié)合上述分析,除了在充填過程中確保充填材料的密實度,避免產(chǎn)生空洞或松散區(qū)域外,充填材料也需要具有一定的強度和穩(wěn)定性,以確保充填體能夠承受上方巖層的質(zhì)量,形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)[4]。這就意味需要合理控制充填材料的含水率,避免因過高含水率導致充填體強度下降或產(chǎn)生不良后果。同時,根據(jù)采礦區(qū)的具體情況,選擇合適的充填材料配比就成為了極為重要的研究內(nèi)容[5]。

        因此,本文提出淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究,并確定了最優(yōu)的充填體配比。

        1 膠結(jié)充填采場概況

        1.1 礦區(qū)分布

        某金屬礦區(qū)總面積約為106.0km2,根據(jù)礦床分布和資源儲量,劃分為3個主要采區(qū)。其中,東區(qū)是礦區(qū)的核心開采區(qū)域,占地面積約3.0km2,其銅礦床的形成與特定的地質(zhì)構(gòu)造和巖漿活動密切相關(guān)。該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,礦體形態(tài)規(guī)則,礦石以硫化銅礦為主,品位高且均勻,是冶煉高品質(zhì)銅材的理想原料來源。此外,東區(qū)還伴生有少量的金、銀等貴金屬,具有較高的綜合利用價值。中區(qū)占地面積約4.0km2,地質(zhì)條件較復雜,礦體種類繁多,包括銅、鉛、鋅等多種金屬礦體,且礦石類型多樣,既有硫化礦也有氧化礦,給開采和選礦工作帶來了較大挑戰(zhàn)。此外,該區(qū)域還存在一定的地質(zhì)構(gòu)造變動,例如斷層、褶皺等,增加了開采難度和安全風險。西區(qū)以鉛鋅礦為主,占地面積約3.0km2,礦石儲量豐富,但品位相對較低。該區(qū)域地層相對平坦,礦體形態(tài)較簡單,適合大規(guī)模機械化開采。同時,由于品位較低,因此需要通過提高開采效率和降低開采成本來提高經(jīng)濟效益。

        1.2 礦區(qū)地質(zhì)

        對礦床發(fā)育情況進行勘察,主要發(fā)育有巖漿礦床和熱液礦床??辈斓玫降膸r漿礦床和熱液礦床的鉆探柱狀信息見表1和表2。

        在此基礎(chǔ)上,對礦區(qū)的實際地應(yīng)力情況進行統(tǒng)計,

        可知垂直主應(yīng)力為11.61MPa,最大水平主應(yīng)力為50.26HMPa~112.37HMPa,水平主應(yīng)力均值為86.34H,最小水平主應(yīng)力為5.96H~6.37H。其中,H表示開采深度。

        當采用淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法開展具體的開采施工時,需要采用合理的充填體對開挖區(qū)域周圍的巖層結(jié)構(gòu)進行加固,以確保其穩(wěn)定性能夠達到安全需求[6]。

        2 淺孔留嗣后充填采場充填體配比方案設(shè)置

        2.1 充填體原料準備

        本文結(jié)合礦山的實際情況以及地質(zhì)信息,選擇尾砂、廢石、水泥、水和粉煤灰作為淺孔留礦嗣后充填采場中充填體的原料。原料的性質(zhì)見表3。

        按照上述所示的方式,利用準備的原料對充填體配比進行設(shè)計,為后續(xù)的充填體配比優(yōu)化研究提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

        2.2 淺孔留嗣后充填采場充填體設(shè)置

        針對具體的淺孔留嗣后充填采場充填體,結(jié)合礦山的實際應(yīng)力情況,本文設(shè)計其規(guī)格均按照礦房×礦柱為15.0m×15.0m的統(tǒng)一標準。針對充填體配比,共設(shè)計了2種方案。

        方案1:水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1。

        方案2:水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶6∶1∶1。

        結(jié)合設(shè)置的2個充填體配比方案,將尾砂、廢石、水泥、粉煤灰等原料依次投入攪拌機中。

        啟動攪拌機在室溫(25℃)下攪拌2min~5min,使所有原料充分混合均勻,并避免破壞原料的顆粒結(jié)構(gòu)。

        將攪拌好的充填料通過輸送泵或管道輸送至采空區(qū)進行充填。輸送過程中應(yīng)確保充填料的連續(xù)性和均勻性。

        充填時應(yīng)從采空區(qū)的低處開始逐層向上充填,確保充填體的密實度和均勻性。并注意觀察充填體的變化情況,及時調(diào)整充填速度和方向。

        充填完成后應(yīng)立即進行不少于7d的噴水保濕養(yǎng)護,以防止充填體表面干裂和強度降低。噴水次數(shù)和水量應(yīng)根據(jù)天氣情況和充填體的實際情況而定,每天至少噴水1次。

        由此,在具體的充填體性能測試階段,結(jié)合淺孔留嗣后充填的客觀需求,分別開展了填充后開采區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力分布以及膠結(jié)填充體單軸抗壓強度測試。

        3 試驗分析

        3.1 應(yīng)力分析

        首先,當對2個充填體配比方案下開采過程中整體礦區(qū)應(yīng)力分布情況進行分析時,本文模擬了采礦區(qū)域在特定的礦塊尺寸下的開采策略[7]。根據(jù)開采區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、開采方式及充填體的分布特點,合理布置地應(yīng)力測點。測點應(yīng)選擇在具有代表性的位置,例如采空區(qū)邊界、充填體與圍巖接觸面附近等。將地應(yīng)力傳感器安裝到測孔中,并確保傳感器與巖體緊密接觸,能夠準確測量巖體內(nèi)的應(yīng)力變化。

        其中,礦塊長度定義為75.0m,這一長度設(shè)計旨在平衡開采效率與作業(yè)面的穩(wěn)定性。礦塊寬度設(shè)定為30.0m,階段高度設(shè)定為70.0m,頂板和底板的厚度均保持為15.0m,分段高度劃分為17.5m,采用“跳采”模式,即“隔一采一”的回采順序,遵循先采礦房后采礦柱的原則,在礦塊開挖完成后,立即進行一次性充填作業(yè)。有助于實現(xiàn)開采區(qū)域的應(yīng)力平衡和地壓管理。在礦塊開挖完成后立即進行一次性充填作業(yè),可以迅速恢復開采區(qū)域的穩(wěn)定性,減少地壓顯現(xiàn)和安全隱患。同時,充填體的存在還能夠為后續(xù)的開采作業(yè)提供支撐和保護。

        在此基礎(chǔ)上,啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對傳感器進行連續(xù)或定時的數(shù)據(jù)采集。對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析,對不同填充體配比方案下的應(yīng)力分布情況進行分析,得到的應(yīng)力云圖如圖1所示。

        結(jié)合圖1的不同開挖階段應(yīng)力分布情況對不同填充體配比對應(yīng)的測試結(jié)果進行分析。其中,方案1的尾砂含量適中,既能提供足夠的骨架支撐,又能保證填充體的密實度和均勻性。過多的尾砂可能導致填充體過于松散,而過少的尾砂則可能使填充體強度不足。加入廢石和粉煤灰有助于改善填充體的力學性能和耐久性。廢石顆粒較大,可以提供額外的骨架支撐,而粉煤灰則能填充細小孔隙,提高填充體的密實度和強度。水泥與水的比例適中,既能保證水泥充分水化,形成足夠強度的膠結(jié)材料,又不會因水泥過多而導致收縮裂縫或水泥過少而強度不足。

        由于填充體材料配比合理,膠結(jié)后的填充體具有較高的強度和剛度,因此能夠更好地分擔開挖過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。高強度應(yīng)力區(qū)域面積最大,表明填充體在承受應(yīng)力時能夠保持較好的整體性和穩(wěn)定性。填充體與周圍巖體之間的相互作用增強,形成了有效的應(yīng)力傳遞和分擔機制,有助于減少因開挖引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        因此,方案1的應(yīng)力強度最高,且高強度應(yīng)力區(qū)域面積最大,表明其能夠有效分擔開挖帶來的礦區(qū)應(yīng)力,保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;相比之下,方案2中,尾砂的含量增加到了6份,這可能導致填充體過于松散,顆粒間的接觸面積減少,從而降低了填充體的整體強度和剛度。同時,尾砂含量過高還可能影響填充體的密實度和均勻性,使填充體在承受應(yīng)力時容易發(fā)生變形和破壞。

        由于填充體強度和剛度相對較低,其在承受開挖應(yīng)力時容易發(fā)生局部破壞或變形,導致應(yīng)力分布不均。具體表現(xiàn)為應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸下降的發(fā)展趨勢,即隨著開挖進行,填充體的應(yīng)力承受能力逐漸降低。填充體與周圍巖體之間的相互作用減弱,無法形成有效的應(yīng)力傳遞和分擔機制,加劇了局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此,方案2的應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸下降的發(fā)展趨勢。

        綜上所述,結(jié)合不同方案的具體配比情況進行分析,當水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1時,對應(yīng)填充體膠結(jié)后的應(yīng)力性能最高。

        3.2 強度分析

        在確定最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上,本文對填充體的濃度進行分析。

        首先,按照預定的充填體配比方案,將尾砂、廢石、水泥、粉煤灰等原料混合均勻??刂铺畛潴w料漿的濃度分別為80.0%、81.0%、82.0%、83.0%、84.0%、85.0%。使用模具將混合料制成直徑為50mm、高度為100mm的圓柱形試塊。其次,將制備好的試塊放入溫度為(20±2)℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護時間通常為28d,以確保試塊達到穩(wěn)定的物理力學性能。養(yǎng)護期滿后,從養(yǎng)護室中取出試塊并清理表面附著的雜物和水分。使用砂紙輕輕打磨試塊兩端,確保端面平整且與軸線垂直。最后,設(shè)置試驗機的加載速率為0.5MPa/min~1.0MPa/min,并啟動試驗機將實際的膠結(jié)周期達到28d的充填體試塊作為抗壓強度的具體試驗對象進行加載測試。

        為了避免偶然性對測試結(jié)果的影響,每個濃度分別準備了3個試樣。其中,具體的單軸抗壓強度見表4。

        結(jié)合表4的試驗結(jié)果對不同濃度填充體料漿的強度進行分析。其中,整體膠結(jié)填充體單軸抗壓強度呈現(xiàn)隨著填充體料漿濃度增加而逐漸增大的發(fā)展趨勢。但是對具體的數(shù)值進行對比,當填充體料漿濃度為83.0%時,其膠結(jié)填充體單軸抗壓強度的同比增幅最大,達到了3.0MPa以上。當填充體料漿濃度由83.0%升至84.0%時,對應(yīng)膠結(jié)填充體單軸抗壓強度增幅僅為0.3MPa。

        這是因為水泥在水的作用下發(fā)生水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠等產(chǎn)物。這些產(chǎn)物填充在顆粒間的孔隙中,形成膠結(jié)網(wǎng)絡(luò),將尾砂、廢石等顆粒緊密地粘結(jié)在一起。隨著填充體料漿濃度增加,水泥顆粒之間的距離縮短,促進了水泥水化反應(yīng)的進行。然而,當料漿濃度達到一定程度(例如83.0%左右)時,水化反應(yīng)可能接近飽和點。這意味在該濃度下,水泥顆粒已經(jīng)能夠充分接觸并發(fā)生水化反應(yīng),生成足夠多的水化產(chǎn)物來填充顆粒間的孔隙并形成有效的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)。因此,當濃度繼續(xù)增加(例如從83.0%升至84.0%),雖然理論上可以進一步減少孔隙率,但水化反應(yīng)的增量有限,導致膠結(jié)作用的增強幅度也相應(yīng)減小。

        由此可以得出結(jié)論,當填充體料漿濃度為83.0%時,膠結(jié)填充體單軸抗壓強度達到相對較高的狀態(tài),且單軸抗壓強度達到臨近峰值的狀態(tài)。

        4 試驗結(jié)果

        綜合上述針對具體淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場進行的充填體配比方案綜合試驗分析可以得出結(jié)論。1)在一定比例范圍內(nèi),當水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1時,填充體膠結(jié)后礦區(qū)地質(zhì)的應(yīng)力性能最高。2)在水泥∶水∶尾砂∶廢石∶粉煤灰為1∶2∶4∶1∶1的前提下,當填充體料漿濃度為83.0%時,膠結(jié)填充體單軸抗壓強度的狀態(tài)接近峰值。

        5 結(jié)語

        淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法相較于傳統(tǒng)采礦方法具有顯著優(yōu)勢,并在采礦施工中發(fā)揮關(guān)鍵作用。充填體的主要作用是支撐和穩(wěn)定采場,為達到有效防止圍巖變形和地表塌陷的目的,需要滿足一定的強度和穩(wěn)定性要求。本文提出淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采場充填體配比優(yōu)化研究,確定了最優(yōu)的充填體配比,能夠保障采礦過程的安全。

        參考文獻

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