会宝岭铁矿全尾砂废石复合充填体沉降试验

饶运章 张中亚 舒太镜 彭立正

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.山东能源临沂矿业集团会宝岭铁矿，山东 临沂 277712)

会宝岭铁矿全尾砂废石复合充填体沉降试验

饶运章1张中亚1舒太镜1彭立正2

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.山东能源临沂矿业集团会宝岭铁矿，山东 临沂 277712)

全尾砂废石复合充填体沉降是一个复杂的非牛顿流体与固体混合物的连续介质力学加载过程，难以通过经验估算或理论推导获得其沉降规律。为研究会宝岭铁矿全尾砂-废石复合充填体沉降问题，通过相似模型试验的方法,对不同比例(高度)全尾砂、废石组成的复合充填进行室内试验模拟。结果分析表明：复合充填体中废石所占比例与其总沉降量呈递减函数关系；复合充填体总沉降量与时间的拟合关系为递减对数关系，且拟合曲线在15 d时斜率明显减小，故在15 d后复合充填体沉降量趋于稳定，可进行顶板胶结作业；比较不同废石比例的复合充填体沉降稳定所需时间，1/2废石比例的复合充填体沉降稳定最快。

全尾砂 废石 复合充填体 沉降规律 模型试验

会宝岭铁矿是一座年采选能力450万t的新型地下开采矿山，采用全段高组合凿爆阶段矿房嗣后充填采矿方法进行开采。

该矿矿块沿矿体走向布置，长度60 m，宽为矿体平均厚度35 m，阶段高度70 m；矿块划分矿房和矿柱，矿柱宽5～6 m，不回收；阶段开采顺序为上行式，不留顶柱和底柱。

根据矿山初步设计，井下废石不出窿，按要求充入采空区，不足部分用全尾砂充填，顶部浇注0.6～1.0 m胶结层作为上阶段出矿底板。因此，全尾砂废石复合充填体沉降问题成为上阶段回采和出矿底部结构稳定性的重要影响因素。

充填体沉降问题已有较多研究[1-4]，大都集中于单一材料充填体，对于尾砂-废石等复合充填体，充填料之间的耦合关系及相互作用机理复杂，沉降难以量化分析，也很难实现数值模拟，相关研究较为罕见。为此，依据会宝岭铁矿实际矿房尺寸和充填工艺，对不同比例(充填高度)全尾砂、废石组成的复合充填进行室内相似模型试验，监测和分析沉降变化规律，旨在为矿山合理实施胶结层充填和上阶段开采提供理论指导。

1 试验概述

1.1 试验设计

试验采用1∶100室内模型，全尾砂废石复合充填试验设计如表1。为了便于观测废石的充填高度(比例)，对废石料进行了一定程度的平整。

表1 室内全尾砂废石复合充填试验设计Table 1 Indoor experimental design of unclassifiedtailings waste rock composite filling body

1.2 模型及充填材料

矿房参数为长×宽×高=55 m×35 m×70 m，每个矿房有4条出矿进路，底部结构为V型堑沟。为此，设计制作了1∶100比例的试验模型(考虑充填下料方便，模型实际高度100 cm)如图1所示，A、B为2个相邻矿房。

图1 试验模型Fig.1 Test model

充填材料为取自矿山现场的全尾砂和2 cm以下全粒级废石。

试验器材有铁铲、搅拌棒、搅拌桶、游标卡尺(精度0.05 mm)、钢尺等。

1.3 试验过程

(1)充填实施。选择开阔的室内场地，安装矿房模型；准备试验器材与充填材料，实施充填。

第1组试验：模拟全废石充填并胶结料浆浇面。在矿房A中间垂直放入并固定一根钢尺，先缓慢充入全粒级废石，匀平表面，废石充填高度69 cm；再在废石面上充填1 cm厚、浓度75%、水泥用量10.5%的全尾砂胶结充填料浆并匀平。

第2组试验：模拟2/3废石、1/3全尾砂水砂充填并胶结料浆浇面。在矿房A中间垂直放入并固定一根钢尺，先缓慢充入全粒级废石，匀平表面，废石充填高度47 cm；再在废石面上充填22 cm厚、浓度75%的全尾砂非胶结料浆并匀平；最后充填1 cm厚、浓度75%、水泥用量10.5%的全尾砂胶结充填料浆并匀平。

第3组试验：模拟1/2废石、1/2全尾砂水砂充填并胶结料浆浇面。在矿房B中间垂直放入并固定一根钢尺，先缓慢充入全粒级废石，匀平表面，废石充填高度35 cm；再在废石面上充填34 cm厚、浓度75%的全尾砂非胶结料浆并匀平脱水；最后充填1 cm厚、浓度75%、水泥用量10.5%的全尾砂胶结充填料浆并匀平。

第4组试验：模拟全尾砂水砂充填并胶结料浆浇面。在矿房B中间垂直放入并固定一根钢尺，并将出矿口堵塞防止全尾砂料浆流出，但不影响排水；再缓慢充入浓度75%的全尾砂非胶结料浆至69 cm高度并匀平脱水；最后充填1 cm厚、浓度75%、水泥用量10.5%的全尾砂胶结充填料浆并匀平。

(2)布置测点。试验过程中，不同位置的充填体沉降量显然不同，受壁面黏滞影响，靠近模型壁的充填体沉降量较其他位置小。矿山实际充填过程中亦如此，即在岩(矿)壁的黏滞作用下，贴近围岩与矿柱的充填体沉降量较其他位置充填体的沉降量小。为了较完整地反映室内试验充填体的沉降量，每组试验待充填完成并脱水后，在充填体表面按顺序布置测点(如图2)，通过测点观测，获取某时刻充填体表面不同位置的沉降量，由此，获得不同位置点的总沉降量。

图2 观测点位置布置(cm)Fig.2 Location arrangement of observation points

(3)观测时间设置。为获得复合充填体随时间变化的沉降数据，1 h后开始实施观测，设定的观测时间依次为1、6、15、24、72、144、360、720 h。利用游标卡尺详细测量每个点的沉降情况，并记录下来。

2 复合充填体沉降试验分析

2.1 复合充填体沉降

根据矿山充填设计及优化配比试验[5-6]，获得了全尾砂的充填浓度及合理的胶结充填体配比。该全尾砂料浆属于非牛顿流体高浓度充填料[7-8]，充入空区与废石复合时，2种材料的接触混合方式是需要讨论的主要问题。在水力和重力作用下，全尾砂浆料在与废石的接触过程中，不断受到废石的剪切作用并进入废石表层或接触层孔隙之中，包裹住大颗粒废石散体，2种材料紧密结合，如图3。

图3 全尾砂与废石接触面情况Fig.3 Contact surface of unclassifiedtailings and waste rocks

对于由全尾砂和废石组成的混合材料，从微观结构来看，充满着孔隙、晶粒结构及微裂纹等特征，全尾砂与水分充满废石孔隙与裂纹并包裹废石材料，所以该力学问题是非牛顿流体与固体混合物的连续介质力学问题。通过矿物成分分析可知，全尾砂与废石在化学性质上都是惰性的，2种材料的混合物可以看作是两相连续介质的叠加，每种材料都有自己的运动，在任何时间t，废石空间x同时充满了全尾砂与水组成的流体物质团X(a)，则物体的运动方程为

(1)

式中，φ(a)为足够光滑的系数函数[6]。

理论而言，该方程探讨全尾砂料浆与废石随时间的运动变化规律，当全尾砂充满废石表层孔隙后，随着尾砂的继续注入，水分不断排出，在废石拱效应及两种材料紧密结合产生的巨大摩擦力下，尾砂进入废石堆的速度减缓直至停止，混合体产生压缩沉降[9-11]。

2.2 复合沉降变化规律

利用试验数据间接反映复合充填体的沉降规律及确定全尾砂胶结充填体的充填时间是本试验的基本目的，先对全尾砂与废石各自的沉降情况设计2组实验，即第1、4组试验，再讨论不同复合比例(高度)情况下充填体的沉降变化规律，即第2、3组试验，实际沉降如图4。由于试验条件及试验场地限制，本试验只讨论静力作用下全尾砂与废石复合充填体的沉降，没有涉及到振动或冲击影响。

图4 复合充填体沉降照片Fig.4 Settlement photo of composite filling body

对11个测点的沉降数据进行处理，得出各组试验在不同时间点的平均沉降量，统计得每组试验最后的总沉降量，见表2。

表2 不同时间各测点平均沉降量与总沉降量

Table 2 Average settlement and total settlementof filling body at different time mm

根据每一组不同时间各测点平均沉降量，拟合出平均沉降量随时间的变化关系曲线，如图5，并获得每组沉降量y随时间x变化的关系曲线方程。

由表2可知，在不考虑其他力学因素影响的条件下，全尾砂充填体的沉降量最大，废石充填体的沉降量最小，在进行井下充填时，充填废石可以减小充填体的沉降量。图5说明：在充填初期，充填体的沉降量较大，随着时间的不断增加，沉降量逐渐变小，直至趋近于一个稳定的值，适合胶结充填体的稳定性要求；每组试验从360 h到720 h，复合充填体还在沉降，但沉降量迅速减小，沉降趋势减缓并趋近于稳定值，从矿山对生产时间的要求出发，在第15 d之后进行胶结充填体的充填，基本可以满足顶部胶结充填体的稳定性要求，在该时间点，根据曲线的斜率可知废石占1/2比例时沉降速度比废石占2/3时小，复合充填体基本达到稳定。

通过对废石量与总沉降量的回归分析，获得废石量与复合充填体总沉降量的变化关系曲线，如图6，废石所占比例越大，复合充填体的沉降量越小，拟合出复合充填体总沉降量y与废石比例x变化的方程

图5 充填沉降量变化曲线Fig.5 Backfill subsidence curve

为

y=-8E-6x3+0.001 6x2-0.132 8x+8.786.

(2)

图6 废石所占比例与沉降量关系Fig.6 Relationship of the proportion of wasterock and the settlement amount

3 结 论

(1)通过设计全新的试验模型及方案，在室内试验的基础上，获得了每组充填体沉降随时间变化的特性曲线及拟合方程，在静荷载作用下，全尾砂的沉降量明显大于废石充填体，随着废石量的增加，复合充填体的沉降量不断减小。

(2)充填体初始的沉降量较大，最终趋近于一个稳定值，通过对复合充填体平均沉降量与时间的关系曲线进行拟合及分析，充填体的沉降量与时间呈对数关系，15 d之后进行胶结充填体的充填比较符合稳定性的要求，废石充填比例为1/2时复合充填体达到稳定的速度较快。

(3)对不同比例的废石量进行沉降分析，获得不同废石比例与复合充填体沉降量的关系曲线及回归方程，系统地讨论了废石比例与沉降量的变化关系。

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(责任编辑 徐志宏)

Settlement Tests of Unclassified Tailings Waste RockCompound Filling Body in Huibaoling Iron Mine

Rao Yunzhang1Zhang Zhongya1Shu Taijing1Peng Lizheng2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000,China；2.HuibaolingIronMine，ShandongEnergyLinyiMiningGroup，Linyi277712，China)

The settlement of unclassified tailings waste rock compound filling body is a complex continuum mechanics loading process of non-Newtonian fluid and solid mixture，so it is difficult to obtain the settlement laws through the theoretical derivation or experience.In order to investigate the settlement of unclassified tailings waste rock compound filling body in Huibaoling Iron Mine，the similarity model test method is adopted to make the indoor simulation experiment on composite filling body with different proportions (height) of unclassified tailings and waste rock.The results showed that the proportion of waste rocks in compound filling body has a decreasing function with the total settlement amount.The fitting of total settlement amount of the compound filling body with time shows a decreasing logarithmic relationship among them.And the fitting curve significantly declined at 15d，so the settlement of compound filling approached to be stable after 15d，and roof cementation can be operated.After contrast on the time that required by settlement of compound filling with different proportions of waste rock，compound filling body with 1/2 ratio of waste rock has the fastest settlement.

Unclassified tailings，Waste rock，Compound filling body，Settlement law，Model test

2015-08-20

国家自然科学基金项目(编号：51364010)。

饶运章(1963—)，男，教授，博士。

TD861

A

1001-1250(2015)-11-037-05