稀土矿尾砂胶结充填材料配合比优化研究

荆 倩 婧，徐 帮 树2，董 山3，王 薇，张 万 志

(1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061； 2.山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250061； 3.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250061)

矿山地下开采形成采空区，易引起围岩的移动、变形和破坏[1-3]。若不及时对采空区进行充填处理，随着开采深度的增加，地下开采的影响将波及地表，导致地表土体下沉、塌陷[4-5]。采用尾砂胶结充填的方法处理采空区[6-8]，不仅可以解决尾砂排放量大、无处堆放的问题，还可以有效防止地表塌陷，提高矿产资源回收率，保护生态环境。

目前，许多学者已对矿山采空区尾砂胶结充填材料配合比优化做了大量研究。Fall等[9]采用中心复合试验研究水泥掺量、水灰比、尾砂细度和密度对充填材料性能的影响，并基于响应面法建立了充填材料强度、成本及充填料浆坍落度的预测模型，以充填材料性能的整体满意度为目标，对充填材料配合比进行优化。李一帆等[10]基于充填体的充填作用机理，通过正交试验，对影响尾砂充填体强度的因素进行研究，选出符合大柳行金矿采空区尾砂胶结充填体的材料配合比。杨超等[11]分别对黄狮涝和水木冲的尾矿库尾砂进行物化分析，开展料浆流动性及充填体强度的测试，选出适合南方某金矿充填所用的尾砂及最佳充填料浆参数；宋卫东等[12]研究了不同的料浆浓度、灰砂比和龄期对充填体抗压强度和料浆流动性的影响，并根据同类矿山采空区充填体强度的经验值，确定适合程潮铁矿的尾砂胶结充填材料配合比。赵学龙[13]通过分析矿区尾砂的物化性质，开展充填料浆流动性及强度试验，得出大梨树沟铁矿采空区充填材料的最优配合比。饶运章等[14]采用回归正交组合设计方法，研究了水泥用量和料浆浓度对充填料浆坍落度和充填体强度的影响，得出会宝岭铁矿尾砂胶结充填材料的最优配合比。洪训明等[15]通过正交试验研究了料浆浓度、灰砂比和龄期对充填体抗压强度及料浆坍落度的影响，确定了矿山充填材料的最优配合比。雷大星等[16]对安徽某铁矿尾砂胶结充填体进行了单轴压缩试验、剪切试验和三轴压缩试验，选出了合适的充填材料配合比。崔学伟等[17]根据矿山生产条件和充填材料基本参数，确定新城金矿的充填浓度和充填体强度，并通过正交试验研究灰砂比和龄期对充填体抗压强度的影响，选出了合适的充填材料配合比。综上可知，现有成果已从充填材料的物理性质、化学成分和力学性能等方面开展了尾砂胶结充填材料配合比优化研究，但并未考虑不同配合比的充填材料对抑制地表及建筑物沉降变形的影响。

鉴于此，本文综合采用室内试验和数值模拟的方法，分析不同的料浆浓度和灰砂比对尾砂胶结充填材料力学性能以及对地表、建筑物沉降的影响，并依据GB50771-2012《有色金属采矿设计规范》中地表建筑物的位移和变形允许值，确定稀土矿尾砂胶结充填材料的最优配合比。

1 工程概况

某稀土矿赋存高程-160～-500 m，采用浅孔留矿法开采，井下形成的采空区选用矿区尾砂胶结充填。

矿块沿矿体走向布置，长60 m，高度为阶段高度，宽度为矿体水平厚度，矿房顶柱2 m，间柱6 m，不设底柱。矿体顶板为中粒花岗闪长岩，底板为正长岩。矿体及岩石移动范围内的地表建筑物主要为学校。

2 尾砂胶结充填配合比试验

2.1 试验材料

试验所用尾砂取自矿区尾砂库，胶结剂为矿山材料厂自营生产的普通325水泥，拌和水为自来水。尾砂的物理性质见表1，化学成分见表2，尾砂的粒径级配如图1所示。

表1 尾砂的物理性质Tab.1 Physical property of tailings

表2 尾砂的化学成分Tab.2 Chemical composition of tailings %

图1 尾砂颗粒粒径级配Fig.1 Grain-size distribution of tailings

2.2 试验方案

充填材料的料浆流动性及抗压强度是确定其配合比的关键[18]。文献[19]表明，充填材料的料浆浓度为65% ～ 70%时，充填料浆具有良好的流动性。本次试验分别选取4组料浆浓度和灰砂比进行坍落度试验和单轴压缩试验，其中料浆浓度为64%，66%，68%和70%，灰砂比为1∶6,1∶8,1∶10和1∶12，试验分组设计见表3。通过对比分析不同的料浆浓度和灰砂比对充填材料力学性能的影响，初步确定充填材料配合比。

表3 充填材料配合比试验Tab.3 Test on mix proportioning of backfill materials

2.3 试验过程与结果

根据试验方案制备充填料浆，采用坍落度筒测定料浆的坍落度；将充填料浆装入100 mm×100 mm×100 mm的三联试模制成充填试块；试块养护至预定龄期28 d后，应用JNSJ压力机进行单轴压缩试验(见图2)。充填材料的料浆坍落度和抗压强度的试验结果见表3。

图2 充填试块单轴压缩试验Fig.2 Uniaxial compression test for backfill block

2.4 试验结果分析

2.4.1充填料浆流动性分析

充填料浆的坍落度与料浆浓度的关系如图3所示，与灰砂比的关系如图4所示。

从图3可以看出，灰砂比一定时，随着料浆浓度的增加，充填料浆的坍落度逐渐减小。当料浆浓度大于66%时，不同灰砂比的充填料浆其坍落度均小于12.3 cm，表明充填料浆流动性差，在管道中输送困难；当料浆浓度不超过66%时，不同灰砂比的充填料浆其坍落度为12.3～17.2 cm，表明充填料浆流动性较好，满足管道输送要求。

从图4可以看出，料浆浓度为64%时，随着灰砂比的减小，充填料浆坍落度略呈增大趋势；料浆浓度为66%，68%或70%时，随着灰砂比的减小，充填料浆坍落度略有波动，但变化不大。

图3 坍落度与料浆浓度关系Fig.3 Relationship between slurry concentration and slump

图4 坍落度与灰砂比关系Fig.4 Relationship between cement-sand ratio and slump

此外，观察充填料浆坍落度试验发现，当料浆浓度为66%时，充填料浆析水量较少，没有出现水泥与尾砂分离的现象。因此，充填材料料浆浓度的最优值取为66%。

2.4.2充填材料单轴抗压强度分析

充填材料单轴抗压强度与料浆浓度的关系如图5所示，与灰砂比的关系如图6所示。

从图5可以看出，灰砂比一定时，随着料浆浓度的增大，充填材料的单轴抗压强度逐渐增大。当料浆浓度从64%增加到70%时，不同灰砂比的充填材料抗压强度最大提高约55%。

从图6可以看出，料浆浓度一定时，随着灰砂比的减小，充填材料的单轴抗压强度逐渐减小。当灰砂比从1∶6减小至1∶12时，不同料浆浓度的充填材料抗压强度最大减小34%。

进一步地，从图5可知，当料浆浓度为64%、灰砂比在1∶12～1∶6之间变化时，充填材料的单轴抗压强度增大幅度最小，其最小增加为2.5 MPa；从图6可知，当灰砂比为1∶6、料浆浓度在64%～70%之间变化时，充填材料的单轴抗压强度增大幅度最大，其最大增加为2.1 MPa。这表明相比料浆浓度变化的影响，灰砂比的变化对充填材料抗压强度的影响更大。

图5 料浆浓度与单轴抗压强度关系Fig.5 Relationship between slurry concentration and uniaxial compressive strength

图6 灰砂比与单轴抗压强度关系Fig.6 Relationship between cement-sand ratio and uniaxial compressive strength

3 稀土矿开采充填过程的数值模拟分析

当料浆浓度为66%时，为确定充填材料的最优灰砂比，本文应用FLAC3D软件，研究尾砂胶结充填材料灰砂比为1∶6，1∶8，1∶10和1∶12时，稀土矿采空区回填后对地表及地表建筑物沉降变形的影响。

3.1 模型建立与边界条件

基于地勘钻孔数据，稀土矿体的分布简化为3层，平均厚度为2.2 m，矿体倾角取平均倾角70°，两层矿体之间的夹层厚度分别为110 m和45 m。根据矿区开挖范围，利用FLAC3D建立三维模型，模型长1 000 m，宽874 m，高600 m，如图7所示。

图7 三维数值计算模型Fig.7 Three-dimensional numerical calculation model

模型分组为：第四系地层、中粒花岗闪长岩、正长岩、充填体和学校(地表建筑)，矿体赋存于中粒花岗闪长岩中。

模型底面固定：侧面约束水平方向，顶面为自由边界。岩体力学模型采用摩尔-库仑弹塑性本构模型。建筑物力学模型采用弹性模型，并以等效的均布荷载施加于建筑物表面。

3.2 材料参数

根据地质勘探报告和室内试验，岩体及充填材料力学参数见表4。

表4 材料参数Tab.4 Material parameters

3.3 开挖充填模拟过程

根据此稀土矿的采矿方法和回采工艺，本次模拟过程中依次开挖-160～-210 m,-210 ～-270 m,-270 ～-330 m,-330 ～-390 m,-390 ～-450 m和-450 ～-500 m中段的矿体，每一层中段开采完毕后，及时对采空区进行充填，开挖矿体如图8所示。

图8 网格模型Fig.8 Mesh model

3.4 沉降监测设置

为研究稀土矿开挖充填完成后，地表及地表建筑物的沉降变形规律，地表沉降沿纵向和横向各设置1个断面，地表建筑物学校设置6个监测点，如图9所示。

图9 监测断面及监测点Fig.9 Monitoring sections and monitoring points

3.5 结果及分析

稀土矿山开挖充填结束后，料浆浓度为66%时，采用不同灰砂比充填材料的地表沉降云图如图10所示，地表各监测断面沉降变化曲线如图11所示。

从图10可以看出，料浆浓度为66%时，充填材料的灰砂比越大，地表沉降越小。地表沉降最大值出现在矿体竖向投影到地表的区域，并向四周逐渐减小。灰砂比为1∶6，1∶8，1∶10和1∶12时，地表沉降最大值分别为16.2，17.4，18.3，19.8 mm。

从图11可以看出，料浆浓度为66%时，不同灰砂比的充填材料对地表沉降变形影响的趋势大致相同，地表沉降曲线呈“漏斗型”变化。

稀土矿山开挖充填结束后，学校各监测点的竖向及水平位移如图12所示，其最大变形值见表5。从图12可以看出，料浆浓度为66%时，灰砂比越大，建筑物各监测点的位移越小。

图10 地表沉降云图(单位：mm)Fig.10 Surface settlement nephogram

图11 地表沉降变化曲线Fig.11 Surface settlement curve

图12 监测点位移Fig.12 Monitoring points displacement

依据GB50771-2012《有色金属采矿设计规范》中地表建筑物的保护等级划分，学校的保护等级属于Ⅱ级。从表5可以看出，4种配比中，学校的最大倾斜为0.117 mm/m，小于Ⅱ级建筑物的倾斜变形允许值6 mm/m；学校的最大水平变形为0.095 mm/m，小于Ⅱ级建筑物的水平变形允许值4 mm/m；学校的最大曲率为1.82×10-6/m，小于Ⅱ级建筑物的曲率变形允许值0.4×10-3/m。

表5 学校监测点最大变形值Tab.5 Maximum deformation of school monitoring points

综上所述，使用料浆浓度66%、灰砂比1∶6，1∶8，1∶10和1∶12的充填材料后地表建筑物位移与变形的影响值均在规范保护等级允许范围之内，即能够满足矿山对采空区充填材料的强度要求。此外，从表3可知，料浆浓度为66%时，4种灰砂比的充填材料的单轴抗压强度最小为1.4 MPa。所以，当充填材料的强度超过1.4 MPa时，可以满足该稀土矿山采空区充填材料的强度要求。因此，从经济合理性角度考虑，选取料浆浓度66%、灰砂比1∶12为该稀土矿充填材料的最优配合比。

4 结 论

(1) 采用室内试验和数值模拟手段，综合考虑充填材料的力学性能和充填材料对抑制地表及建筑物沉降变形的影响，确定料浆浓度66%、灰砂比1∶12为该稀土矿尾砂胶结充填材料的最优配合比。

(2) 灰砂比一定时，料浆浓度越大，充填料浆的坍落度越小，流动性越差；料浆浓度一定时，充填料浆的坍落度与灰砂比无明显关系。充填材料的单轴抗压强度与料浆浓度、灰砂比均呈正相关，且灰砂比的影响更大。

(3) 料浆浓度为66%时，灰砂比越大，即强度越大，地表及建筑物的沉降越小。地表沉降最大值出现在矿体竖向投影到地表的区域，并向四周逐渐减小，地表沉降曲线呈“漏斗型”变化。充填材料单轴抗压强度超过1.4 MPa时，可以满足该稀土矿采空区对充填材料的强度要求。