废石尾砂二步骤无胶结浇注充填技术实践

胡 龙

(山东省济宁市国土资源局任城区国土分局)

废石尾砂二步骤无胶结浇注充填技术实践

胡 龙

(山东省济宁市国土资源局任城区国土分局)

采用室内和现场的废石尾砂二步骤浇注充填试验，对采空区废石充填体的形成过程、废石充填体的孔隙率、尾砂浇注充填量与废石充填孔隙率的关系等进行了探讨。

废石充填 尾砂浇注充填 废石孔隙率

我国自20世纪50年代采用废石干式充填，将矿山生产中产生的大量掘进废石回填至采空区，既减小了运输提升压力，又改善了地表环境。进入80年代，分级尾砂充填工艺兴起，在安庆铜矿、张马屯铁矿、招远金矿等矿山得到推广和应用[1]。

废石充填能够提高充填体强度，降低充填成本，水砂管道充填便于实现远距离输送，具有充填效率高、充填能力大、成本低的优点。因此开展废石尾砂二步骤无胶结浇注充填技术研究，将废石干式充填和水砂充填相结合，对矿山生产具有实际意义。

1 废石尾砂浇注充填试验

为模拟废石尾砂二步骤现场充填情况，利用自制试验设备进行了室内试验。

选取块度最大直径10 cm以下的某金矿废石，将其自然放置于钢化玻璃制成的充填模拟装置中。废石填放高度1.5 m，模拟装置底面规格0.6 m×0.6 m，填放废石总质量986 kg，由此可知废石自然松散密度为1.83×103kg/m3。如图1所示。

图1 填放废石的试验模拟装置

取某金矿充填用分级尾砂，配置成质量浓度为65%的尾砂料浆，将尾砂料浆搅拌均匀后浇注到废石容器中，观察料浆浇注过程及结果，如图2所示。经过测试可知该金矿充填用分级尾砂的松散密度为1.44×103kg/m3[2]。

图2 废石尾砂二步骤浇筑试验

室内试验发现：①废石自然形成的堆积体存在大量空隙；②尾砂充填料浆浇注废石过程中，料浆渗透顺畅且沿试验装置底部预留的孔洞大量渗出；③充填料浆最终会在废石表面形成堆积。

2 矿山废石充填试验测试

2.1 废石充填的采掘平衡

掘进废石原始体积和爆破后碎胀体积存在差别，常用岩石的碎胀系数KP来衡量，即岩石破碎后松散体积V2与破碎前整体体积V1之比，KP=V2/V1.常见岩石碎胀系数见表1。

表1 常见岩石碎胀系数

掌握了矿山岩石的碎胀系数，对于协调掘进废石量与采场充填量的平衡、减少废石提升量、保护地表环境等具有指导作用。

2.2 废石充填体形成过程

废石充填体充入空区，经历了快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段[3]。

(1)快速压实阶段。充入空区的废石最初处于相对松散状态，主要发生碎石接触状态的调整和碎石间空隙的快速闭合，此时废石充填体的抗变形能力较低。随着充填的进行，碎石旋转移动、废石间空隙逐渐充填、碎石棱角逐步咬合，形成比较紧凑的骨架。

(2)缓慢压实阶段。较大岩块经历前期的压实调整形成稳定骨架，抗变形能力逐渐增强。以不可逆压缩变形为主，压实模量逐渐增加，应变速率减缓。

(3)稳定压固阶段。废石间空隙逐步充填密实并压实，碎石基本处于均匀受力状态，压实模量与变形速率趋于恒定并最终形成废石充填体。

2.3 废石充填压实变形监测及沉降率计算

某岩金矿山采用机械化上向分层充填采矿法，基建与生产服务巷道的废石运至采场空区进行充填。为验证废石充填体形成过程中的各项指标，进行了现场充填试验。

将某基建掘进巷道产生的废石完全放入固定采场，并测算基建废石原整体状态下的废石体积，测得掘进巷道体积V1为1 684.9 m3。

利用GTS-605/AF电子全站仪，在井下试验采场内均匀布置控制测点,基于矿山井下导线网测定采场空顶高、废石充填标高与沉缩后废石最终充填标高。采场内测点布设如图3所示，测点数据如表2所示。

图3 点柱充填法采场废石充填变形监测测点布置

由表2的观测数据发现，采场内的废石经过一段时间的沉缩后,最终废石充填体沉降率为4.84%。由GTS-605/AF全站仪测得采场面积为1 028.4 m2，最终废石充填体积V2为2 427.2 m3。

废石充填现场试验发现：废石充填具有作业流程多、时间长，充填体形成过程中沉缩率较大的特点，并且最终形成的废石充填体存在一定的空隙率。废石充填体中空隙为V2-V1=742.3 m3，废石充填体孔隙率n=(V2-V1)/V2=30.6%。

3 分级尾砂浇注废石充填空区

利用管道水力输送充填尾砂料浆至空区，主要有尾砂储存、充填料浆制备、充填料浆输送、计量检测和采场脱水等部分组成。

表2 采场废石充填变形监测测点数据 m

测点序号测点标高采场控顶高初始高差最终高差沉降高度1-391.7613.871.471.610.142-391.8053.901.561.640.083-391.5093.951.491.590.14-391.7743.891.541.660.125-391.6594.051.581.640.066-391.5893.871.611.630.027-391.6974.211.491.580.098-391.9983.831.521.610.099-391.6573.921.581.640.0610-391.9963.951.521.610.0911-391.6254.031.431.560.1312-391.2013.861.351.530.1813-391.9354.011.351.560.2114-390.9953.851.621.640.0215-391.8593.961.291.580.2916-391.8623.951.541.630.0917-391.7693.851.461.610.1518-391.2053.981.501.610.1119-391.0263.911.591.630.0420-391.9824.061.261.570.31平均值3.9451.48751.60650.119

用水力旋流器脱去-400目(-34μm)的微细粒后的较粗尾砂，采用管道泵送至地表充填站1 240m3的立式砂仓备用。

尾砂充填前先冲洗管路，并检查γ射线浓度计和电磁流量计等检测仪表的准确性。尾砂浇注废石充填作业中，每隔20min记录一次充填料浆浓度、流量以及充填开始时间和完成时间等参数。

由尾砂充填检测数据可知，尾砂充填料浆平均流量为116m3/h，充填料浆平均质量浓度为64.3%，充填时间10.5h，充填料浆密度为[4]

(1)

式中，ρ为充填料浆的平均密度，kg/m3;m1为充填料浆中分级尾砂的质量，kg;ρ1为分级尾砂密度，2.74×103kg/m3;m2为充填料浆中水的质量，kg;ρ2为水密度，1×103kg/m3。

根据式(1)计算，该金矿分级尾砂充填料浆密度为1.69×103kg/m3。由尾砂充填检测数据计算实际充填尾砂的松散体积为919 m3，而废石充填体体积为742.3 m3。经过尾砂浇注废石充填试验可以发现：①尾砂充填料浆能够浇注废石充填体的空隙；②充填采场底部在下分段有少量尾砂跑出，且废石充填体表面有尾砂堆积使充填表面平整，因此尾砂充填量要略大于废石充填体空隙体积。

4 结 语

(1)室内和现场试验标明，实际尾砂充填量要大于废石充填体体积，废石空隙率指标将是指导尾砂充填的最少充填量指标。

(2)废石充填体变形量大，且充填平整度较差，采用尾砂二步骤浇注充填废石空隙，可有效改善废石充填的不利影响。

(3)尾砂浇注废石空隙的流动时，需要对充填区域做好封堵，避免跑砂。

[1] 王新民，古德生，张钦礼.深井矿山充填理论与管道输送技术[M].长沙：中南大学出版社，2010.

[2] 中华人民共和国建设部.GB/ST 50123—1999 土工试验方法标准[S].北京：中国标准出版社，1999.

[3] 苏承东，顾 明，唐 旭,等.煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(1)：18-25.

[4] 肖 刚，李树鹏，姜 磊,等.尹格庄金矿水砂充填采场脱水技术试验[J].金属矿山，2013(6)：29-34.

2015-02-13)

胡 龙(1983—)，女，工程师，硕士，272300 山东省济宁市中区供销路北首2号。