新城金矿尾砂胶结充填体固结性能研究

王述清，杨 鹏2，，郭良银，吕文生，于跟波，滕召良

（1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京市信息服务工程重点实验室（北京联合大学），北京 100101；3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 莱州 261438）

充填采矿法在国内外应用历史悠久。特别是近二十多年来，随着无轨采矿设备的推广和充填工艺的不断完善，充填采矿法在世界范围内得到了日益广泛的应用［1］。这一方面是地下开采深度逐步增加对维护矿山和采场的需要，另一方面是提高自然资源回收率和环境保护的需要［2］。一般认为充填采矿法能够很好地维护岩层稳定，防止矿山地表变形。但实践证明，采用充填采矿法的充填体所导致的累积变形对矿山地表影响很大。国内某镍矿采用高强度下向胶结充填开采，其地表沉降变形已超过半米。因此，必须关注由于充填体变形及累积变形引发的矿山地质条件变化带来的安全风险，否则由此引发的灾害是不可想象的。充填新技术实施过程中，充填试块的压缩性能直接关系到充填质量［3］。研究充填试块在不同压力下的沉降关系，对地表沉降进行预测和有效控制，达到最佳沉降控制效果具有重要的理论意义和实用价值［4］，而且也有利于尾矿的处理，减小对环境的破坏，有利于保护环境［5］。

1 充填体固结试验

1.1 尾砂粒级分析

本次试验利用国家标准检验筛（GB6009—97）和标准振筛机进行尾砂粒级分析。试验所取尾砂为新城金矿的分级尾砂，试验所取分级尾砂质量为297.0g，测得尾砂粒级分布曲线图如图1所示。计算得出尾砂粒级不均匀系数Cu为1.687，说明新城金矿尾砂过于均匀，大小颗粒相差不大。一般认为不均匀系数大于5，尾砂所形成的充填体密实程度较好。尾砂粒级曲率系数Cc为1.054。

图1 尾砂粒级分布曲线图Fig.1 Graded distribution graph of tailings

1.2 充填体固结试验方法

本试验的试样制备步骤如下：将搅拌好的充填料倒置于定制的模具内。试验试件的高度为160 mm、直径为80mm。将制备好的试块放入养护箱进行标准养护处理。根据测试要求的不同，养护龄期分别为7d、14d、28d等。试件的养护条件为湿度95%、温度20℃。

待充填试块达到预定龄期之后，进行固结试验。对于埋深1 000m的矿山，其地压可达到25MPa左右。固结试验加载压力等级参考《土工试验规程》，分别采用0.1MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa、3.2MPa、6.4MPa、12.8MPa、25.6MPa的压力等级。充填体固结试验过程中加载压力递增速度不得大于1MPa／min。每级加载压力后恒压10min再加载下一级压力。每级压力加载完成后，压力机记录下充填试块的压缩量，可计算得出相应的压缩率。充填试块的固结试验过程如图2所示。充填试块固结试验结束后，利用脱模工具、千斤顶进行脱模处理，脱模后的试件放入养护箱进行标准养护。养护天数分别为0d、7d、14d、28d等。待充填试件养护完成后，在压力机上测定其单轴抗压强度。

图2 充填试块固结试验Fig.2 Consolidation test of filling block

1.3 计算方法

压缩率用式（1）计算：

式中：Sp—压缩率；H0—固结前试块高度；Hi—在轴向压力P作用下试块的高度。

每种充填试块进行3次测定，每组试块尾砂的粒级组成和孔隙率是不相同的，因而压缩率也互有差异，最终结果取其平均值。

1.4 测定数据

对胶结充填试块进行固结性能试验，其具体试验条件见表1所示。对于埋深达到1 000m的矿体，垂直压强达到25MPa左右。充填料在轴向压强为25.6MPa条件下，其压缩率的结果如图3所示。由图3可知，充填料的灰砂比越大，其压缩率也越大。因为充填料的灰砂比越大，单位体积内尾砂的含量越多，尾砂的孔隙率要大于水泥的孔隙率。充填试块的灰砂比越大，水泥含量越少，其固结性能就越低，导致充填试块压缩率不同。因此，充填料的灰砂比越大，其压缩率也相应地增加。在应用充填采矿法的矿山当中，适当地减小充填料的灰砂比，充填试块的压缩率会相应减小，由充填体的压缩导致矿山地表累积变形也会相应减小，有利于充填矿山地表的稳定。由图3可以看出，充填试块在龄期为7d的时候，压缩率最大，达到16%左右；充填试块在龄期分别为14d、28d时，其压缩率的变化不太大，压缩率只有12%左右。因此，在应用充填采矿法的矿山，最好要待充填体的龄期至少达到14d左右后，然后再进行下一步的开采工作，这样可以减小充填体的压缩率和矿山地表的累积变形，有利于矿山的安全生产。

表1 充填试块的试验条件Table 1 Test conditions of filling block

图3 不同龄期下充填试块的压缩率Fig.3 Compression ratio of filling block at different age

1.5 压缩性能分析

灰砂比为1∶8，质量浓度为70%的充填试块在小于25.6MPa条件下压缩率的变化规律如图4所示。

图4 不同压强条件下压缩率变化规律Fig.4 Change rules of compression ratio under the condition of different pressures

对以上不同养护龄期在不同压强下的压缩性能测试结果进行回归分析，可知充填试块压缩率与压强之间呈现出二次曲线关系，其回归方程一般表达式见式（2）。

式中：Sp—压缩率；a，b—系数；P—轴向压强。

对于不同的充填试块，其a、b和c的值是不相同的，它们是与充填试块有关的系数。以上充填试块在不同压强下压缩率的回归方程列于表2。由相关系数可知，计算检验表明按回归方程计算结果与实测结果吻合性良好。

表2 不同充填试块的压缩率回归方程Table 2 Regression equation of compression ratio of different filling blocks

2 固结后强度试验

不同龄期、灰砂比为1∶8、质量浓度为70%的充填料进行固结试验完成后，分别放入养护箱进行标准养护，养护天数分别为0d、7d、14d、28d等。待充填料标准养护完成后，放置于压力机上测定其抗压强度。固结后不同养护天数条件下充填试块的抗压强度如图5所示。由图5可知，随着养护天数的增加，充填试块的抗压强度也相应地增大。充填试块固结前的龄期越长，固结后其抗压强度有下降的趋势。是因为固结前的龄期越长，胶结料所形成的水化产物基本完成，固结试验过程中越多的水化产物遭到破坏，固结后养护过程中形成新的水化产物则越少，则相应充填试块的抗压强度越低。龄期为7d、14d的充填试块，在养护天数达到7d后，其抗压强度相差不大；且在养护天数为7d的时候，充填试块的抗压强度达到最大抗压强度的95%左右。

图5 固结后充填试块的抗压强度Fig.5 Compressive strength of filling block after consolidation

3 结论

1）研究了龄期7d、14d、28d，灰砂比为1∶8、1∶10的胶结充填试块在不同的加压等级条件下的压缩率变化规律，得出充填试块的灰砂比越大，其压缩率也越大。充填试块在龄期达到14d以后，其压缩率变化不大。

2）对龄期7d、14d、28d，灰砂比为1∶8的胶结充填试块在不同压力条件下的压缩率进行拟合，得出充填试块的压缩率与压力之间符合二次曲线的关系。拟合曲线的相关系数达到0.999左右，说明按回归方程计算结果与实测结果吻合性良好。

3）把固结试验后的胶结充填试块放入养护箱进行标准养护，养护一定时间后测定其抗压强度。由试验结果得出胶结充填试块固结试验前的龄期越长，固结试验后其抗压强度有下降的趋势；固结试验后胶结充填试块的养护天数越长，其抗压强度有增大的趋势。

［1］ 王湘桂，唐开元 .矿山充填采矿法综述［J］.矿业快报，2008（12）：1－5.

［2］ 蔡嗣经 .矿山充填力学基础［M］.2版 .北京：冶金工业出版社，2009.

［3］ 余 斌 .粗粒级混合充填料压缩性能试验研究［J］.铜业工程，2000（4）：1－3.

［4］ 涂 强，张修峰，刘鹏亮，等 .不同粒径级配煤矸石散体压缩变形试验研究［J］.煤炭工程，2009（11）：68－70.

［5］ 路世豹，李 晓，廖秋林，等 .充填采矿法的应用前景与环境保护［J］.有色金属（矿山部分），2004，56（1）：2－4.