某矿全尾砂配比优化研究

罗增武*，赵元元，黄世顶



某矿全尾砂配比优化研究

罗增武*，赵元元，黄世顶

（广西高峰矿业有限责任公司，广西南丹，547205）

为了达到尾砂的全部利用，解决尾矿库所带来的问题，某矿东风矿区采用全尾砂胶结充填采矿方法。通过对现场尾砂骨料的物理力学性质和化学组成、配比优化进行分析和研究，评价充填骨料的可行性和寻找最优配比。结果表明，东风矿区尾砂骨料物化性能符合充填需要，并且推荐采场底部两分层采用灰砂配比为1:4，中间两分层使用全尾砂，上部一分层采用灰砂配比为1:8的充填料充填。

全尾砂充填采矿；充填料；最优配比

引言

某矿东风矿区为新成立的矿区，东风矿区目前处于基建期，但矿山出于生产需要，通过九曲矿区大开头矿段现有生产系统，在东风矿区深部-420 m中段，采用阶段矿房法回采了部分矿房，采出的矿石经现有206 主运输平窿运往某矿选厂处理。由于没有充填系统，所以没有进行空区充填，现已形成约9 万m3的采空区。

某矿选厂始建于20世纪60年代，后经多次改造，选厂现生产能力4000 t/d，尾矿产量约3900 t/d，实际能力可达4500～5000 t/d。某矿尾矿库位于某矿选厂南东部约3 km（直线距离约1.2 km）的蒋家杨地段的S型山谷中，三面环山，地形起伏大，坡度陡。地貌类型属于构造剥蚀低山丘陵地貌。某矿尾矿库经多次扩建改造，根据2011年实测，某矿尾矿库保有有效库容约117.5万m3，服务年限仅为1.5年，所以解决某矿尾矿库问题迫在眉睫。

然而，为解决某矿尾矿的存放、堆积问题，遇到了诸多困难。一方面，某矿矿区周边15 km范围内均无适合场地用来新建尾矿库，且新建尾矿库项目从设计立项、建设到投入使用的整个过程，审批程序复杂，建设周期较长，无法满足某矿矿区目前生产的需要。另一方面，正在建设的东风尾矿库，虽然能在一定程度上缓解某矿尾矿库的库存压力，但其相关手续仍在办理，且征地难度较大，建成时间无法确定，也无法解决某矿尾矿库目前的燃眉之急。鉴于上述因素，结合考虑井下开采的充填实际需要，同时为选厂尾砂寻找出路，设计将尾砂充填到井下，对地下开采的采空区采用高浓度尾砂料浆进行充填处理，做到一举两得，既可以解决尾砂的出路问题，又可以解决现有充填技术带来的一系列问题，降低充填成本。

1 充填料物化性能

某矿东风矿区充填骨料分别为全尾砂，胶凝材料为焦家金矿生产的C料。为了评价由采场提供的全尾砂和C料构成的充填骨料的可行性，对其做物理力学性质及化学成份测定，主要结果列于表1和表2。

充填料物理力学性质及化学成份测定结果表明：

（1）根据对东风矿区全尾砂物化性质研究可知，其渗透系数达到22.428cm/h，能够满足作业要求，使其进入充填采场后保持良好的脱水性能，初凝快。

（2）由三联固结压缩仪测定东风矿区的尾砂压缩系数可知，该尾砂的可压缩性适中，既不是属于很松散的类型，也不是很密实的类型。

（3）东风矿区尾砂的不均匀系数C为28.39，该尾砂属于粗粒较多的，其渗透性能很好。

（4）尾砂中硫化物的含量过高对充填料的物态特性和胶结性能均有影响。该矿区尾砂中SO2含量达到90%，对充填体效果影响极大。且尾砂中含有少量有毒元素砷，尾砂充填后的废水必须经过处理后才能排放。

表1 尾砂的压缩性

表2 尾砂的地质参数

2 胶结充填配比实验

2.1 充填配比实验

充填材料配比实验的主要目的是在试验室内制作不同配比的胶结试块，采用WDW-2000万能压力试验机测定其7,14,28天的充填体单轴抗压强度。根据实验结果进行技术，经济分析，推荐尾砂胶结充填优化配比参数，为尾砂胶结充填工业化应用提供依据。

2.2 充填试验结果及分析

根据制定的试验方案，在室内制作试块并测定其相应龄期的单轴抗压强度和28天龄期的抗拉强度值。根据试验结果得出如下结论。

（1）充填体强度与浓度有关，料浆浓度越高，充填体强度越大，试验结果显示：浆体浓度由65%提高至75%，28天单轴抗压强度可提高2～3倍多，但由于尾砂胶结充填体和易性强、粘性大，过高的浓度会使管道输送困难。

（2）随着灰砂配比增大，充填体的抗压强度明显提高。试验结果表明，当砂浆浓度为70%时，配比1:8的充填体14天的抗压强度为0.7041MP， 28天的抗压强度为1.2449MP，根据东风矿区机械设备型号，只要强度在1MP以上就能满足运行要求。

（3）增大充填料配比和增加砂浆浓度都能提高充填体的强度，满足采场要求。如配比1:6，浓度70%的充填体7天的强度为0.6430MP，同配比，浓度为75%的充填体7天强度为1.5175MP，配比为1:4，浓度为70%的充填体7天强度为1.5760MP。所以为了降低充填成本，减少胶凝材料的使用，充分利用尾砂资源，减少尾砂堆积。可以适当增加充填料的浓度，减少配比。

（4）由实验所得数据可知，在28天后的强度值能够达到，2MP以上的只有灰砂配比1:4，1:6，砂浆浓度70%和75%；所以在矿山采用的上向分层水平充填法采矿时，为了保护下分段顶层的回采安全，每个采场的底部第1～3分层需要胶结充填，充填体强度要求较高。故只能选择强度达到2MP以上的充填料。

表3 充填体试块的抗压强度

3 充填采场稳定性的数值验证

根据充填聊的配比优化试验，当在某矿东风矿区采用全尾砂充填，全尾砂选自某矿选场，胶凝材料选自焦家金矿的C料时，料将浓度为70%，灰砂配比为1:4，1:6都能满足采场的作业要求，且泌水率和泌水量都满足采场排水条件，它们都属于大流动性浆体，满足管道的输送要求。

但是仅仅根据本次试验所得结果不能判断灰砂配比为1:4，1:6料浆浓度为70%的充填体就能够满足它的采场稳定性要求。另外如果我们在满足采场稳定性和作业要求的前提下，能够降低灰砂配比，这样就能降低充填成本，提高经济效益。为了解决这两个问题，本论文根据矿山地质情况以及开采现状，利用大型数值软件Midas建立三维空间模型进行数值模拟，确定哪种配比更加合适。

3.1 充填采场模型建立与分析

根据1711号矿体的地质条件和矿块构成要素，为了解决当开采一个矿房两边都是矿体，和一边是充填体一边是矿体的应力应变和位移问题，选择两个矿房一个矿柱进行计算。根据圣维南定理，选取计算的范围为开采范围的3～5倍。我们选取-180水平的采场做为研究对象。把上层175m的围岩自重应力等效为均布荷载，这样就能减少模型的大小，较少计算量。则整个计算模型为404mX146mX45m，如图1所示。矿体厚度简化为平均10m，采场布置参数为每个分层高度为3m，分段总高度为15m。

图1 网格模型

在模型的底部使用全约束，固定它的三个方向位移，四周则约束法向。顶部由于是截取的岩体，则不需要约束，作为自由面。矿房和间柱以0.8m自由划分，矿体用网格尺寸控制，在0.8m～8m之间，围岩则以08m自由划分。整个模型的网格单元数目为109628，方程数目为55444个。选用摩尔库伦定律作为它的破坏准则。

3.2 物理力学参数

力学参数的选取涉及到模拟的真实可靠性问题，只有通过现场调查取样分析，然后再恰当的选择参数大小才能保证数值模拟计算的可靠度。岩体物理力学参数是根据矿区内不同的岩体分别选取的，为简化计算，分析时分为六类：围岩、矿体、高强度尾砂胶结充填体1（灰砂配比为1:4）、低强度尾砂胶结充填体2（灰砂配比为1:6）、全尾砂。本文根据现场取样，做成实验室岩块，通过对岩块的力学参数进行适当修正后来获得比较接近岩体实际的力学参数。如表4所示。

表4 岩体力学参数

3.3 计算结果及分析

通过模拟两个采场和一个矿柱回收的过程，选取典型采场分层开挖过程比较他们的应力，位移，塑性区大小，从而判断采场的稳定性。

应力的分析与比较：

由于选取了两个采场，每个采场分为5个分层，共有13个施工阶段分析，结果信息量太大，故选取特征分层的图片进行展示，其余以表格形式列出。

由于采场护顶层的重要作用以及岩石天生相对较低的抗拉强度，护顶层最大拉应力的大小分布就显得尤为重要，对采场稳定性的影响也是最大的。由下图，表可以看出在各个开挖充填阶段，两种充填体充填采场的应力比价

地下岩体受到很大的挤压作用，且岩石材料的抗剪强度比较低，岩体容易受到剪切破坏，因此在考虑岩石的剪切应力分布具有很大的实际意义。

图2 采场1-5最大主应力分布图（1:6）

图3 采场1-5 最大主应力分布图（1:4）

根据上面三个开挖步骤应力图反映可以得出以下结论：

（1）由于采场跨度比较大，当开挖一分层时，顶底板受到两边岩石的挤压，形成了一个弯矩梁模型。故开挖过程中会出现拉应力，且拉应力集中在顶底板中央，向两边扩散，顶板受到的拉应力大于底板的。

（2）随着开挖阶段的进行，最大主应力进行重新分布，同一个地方的最大主应力会继续增加，拉应力会继续增加。这是由于充填体的弹性模量小于围岩和矿体的弹性模量。故当矿体被开挖，充填体回填之后，受到很大挤压，最大主应力会继续增加。

（3）剪切应力主要分布在充填体、采空区与矿体、矿柱、围岩的交界处。由于交界处存在裂缝，且充填体材料抗压强度较围岩低，当受到围岩挤压时，容易在这些交界处形成较大的剪切应力。

（4）随着开挖阶段的进行，采场的各个地方的剪切应力都会增加。所以连续两个采场，只有回采间柱时，剪切应力值达到最大。

（5）当以配比1:6的充填料回填采空区时，充填体出现的最大拉应力为0.882MP，剪切应力值为4.819MP；当以配比1:4的充填料回填采空区时，充填体出现的最大拉应力为0.829MP，剪切应力值为4.687MP。充填体局部出现拉伸破坏，但是不影响机械和人在上面行走；当以配比1:6的充填料充填采场时，采场顶板最大的拉伸应力只有3.631MP，当以配比1:4的充填料充填采场时，采场顶板的最大拉伸应力只有3.235MP，都没有超过顶板的抗拉强度，故能够保证顶板不冒落，回采的安全性。

4 结论与展望

本文以某矿东风矿区的全尾砂为研究对象，分析了尾砂的物理化学性质。并且以焦家金矿C料，东风矿区全尾砂两种充填材料做充填试验，研究灰砂配比，砂浆浓度，养护龄期对充填体抗压强度的影响。本文最后还运用Midas数值软件模拟采场开挖充填情况，通过分析得出满足采场稳定性且经济合理的最优配比。本文得到的结论有：

（1）东风矿区全尾砂级配良好，粗粒部分较多。渗透系数，压缩模量大小能够满足充填料的要求。但是尾砂中含有极少量的砷元素，应该先处理后再充填。

（2）本文研究了灰砂配比为1：4，1:6，1:8；浓度为65%，70%，75%的料浆的泌水率和坍落度值，其泌水率良好，属于大流动性砼。

（3）对试样做单轴抗压强度力学分析，得到充填体的强度随着灰砂配比，浓度，养护龄期的增加而增加，且灰砂配比对充填体早期强度由较大影响，浓度对充填体正个养护龄期的强度都有影响。只有配比为1:4，1:6，砂浆浓度为70%，75%的充填体其强度能够达到2个MP。

（4）通过数值模拟验证，得出以灰砂配比1:4和1:6的充填料充填采场都能够满足采场的稳定性，但是从经济成本考虑，推荐选用1:6的配比进行充填。

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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

罗增武, 赵元元, 黄世顶. 某矿全尾砂配比优化研究[J]. 数码设计, 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。

罗增武（1990-），男，广西陆川，采矿助理工程师，本科毕业，研究方向：矿山开采。E-mail: 337259064@qq.com