混合碎石料配比对浆体流动性能和充填体强度的影响

摘 "要：随着矿产资源的开发，如何治理采空区和高效回收利用残矿已经成为很多矿山亟待解决的问题。该文对哈图金矿采一矿区（934～1 094 m）空区治理与残矿资源回收利用进行研究，首先从矿山尾砂的基本性质、充填料浆流动性、尾砂充填强度配比方面进行研究测试，得出灰砂比1∶20变化至1∶4时，充填体强度变化较大，同时添加20%碎石砂可增强充填体强度效果，特别是早期强度提升显著。并结合矿山具体情况，采取直接利用干尾砂进行充填（尾矿不再选）的采空区治理方案。对残采、充填工艺技术进行充分研究的基础上，在采一矿区934 m中段选择上向进路充填采矿法开展残采矿体实验，工业实验结果达到预期。该文采空区治理与残矿资源回收利用实例可为其他矿山提供参考和借鉴意义。

关键词：膏体充填；早期强度；添加碎石骨料；流变参数；采空区治理

中图分类号：TD325.3 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-00６５-0５

Abstract： With the development of mineral resources， how to manage the empty zone and efficiently recycle the residual ore has become an urgent problem for many mines. In this paper， research was conducted on empty mining area management and residual resources recycling of one mining area （934～1 094 m） in Hatu gold mine， first from the basic properties of mine tailings， filling slurry mobility， tailings filling strength ratio research test， concluded that the gray sand ratio of 1∶20 change to 1∶4， the strength of the filling body changes， and at the same time， add 20% crushed sand can enhance the effect of the filling body strength， especially the early strength enhancement is significant. At the same time， adding 20% gravel sand can enhance the strength effect of the filling body， especially the early strength enhancement is significant. According to the specific conditions of the mine， we adopt the management plan of filling the empty mining area by directly utilizing the dry tailing sand （the tailing is no longer selected）. On the basis of the full study of the residual mining and filling technology， the residual mining orebody experiment is carried out by selecting the upward filling mining method in the middle section of mining No. 1 mining area， and the industrial test results meet the expectations. The examples of goaf treatment and residual ore resources recovery and utilization in this paper can provide reference and reference significance for other mines.

Keywords： paste filling; early strength; adding macadam aggregate; rheological parameters; goaf treatment

金属矿山随着开采进行，采空区暴露面积加大容易造成围岩应力集中，导致顶板和围岩不稳定，出现冒顶岩爆等威胁矿山生产安全的地质灾害[1]。

哈图金矿矿床严格受构造断裂控制，走向近东西向，主要含矿断裂走向80～90°，倾角58～72°。采一矿区一直采用浅孔留矿法采矿方法，漏斗底部结构[2]，贫化率达到50%，损失率达到40%。在934～1 094 m中段积累了大量空区，且采场矿柱也未及时回收，局部区域沿脉巷发生了开裂、塌方冒落，相邻采场以及上下中段采场有些已经贯通，因此上部空区处理势在必行。同时，采用浅孔留矿法存在支脉无法兼顾开采问题，并留下开采混乱的间柱和顶底柱，也给矿山安全生产、可持续发展带来不少难题。

利用充填系统的优势，上向分层尾砂胶结充填采矿法取代浅孔留矿法，用于开采千米深度及以上矿井，综合生产能力能达1 000 t/d。针对哈图金矿矿区特征，本文提出了一种空区充填治理方案，不仅能消除采空区安全隐患，还能对矿柱残矿资源回收利用，实现矿山绿色高效开采[3]。

1 "研究现状与治理方案

1.1 "现状

哈图金矿现有３个采区：400 m采区已经结束开采，600 m采区正在采用上向水平分层充填法开采矿柱，深部区域设计生产规模1 000 t/d，即年产矿石33万t。

目前，哈图金矿采一矿区934～1 054 m中段空区数目共计140个，其中934 m水平30个、974 m水平41个、1 014 m水平40个、1 054 m水平29个，空区顶板暴露面积少有超过500 m2。采空区总体积30.94万m3。

1.2 "治理方案

减少采空区发生应力集中现象，缓和围岩应力集中程度，可以实现控制和管理地压，保证矿山安全生产[4]。

根据哈图金矿采空区治理原则和工程实际情况，研究利用尾矿干尾砂进行充填（尾矿不再选）。采用1∶4～1∶10灰沙比进行上向进路充填采矿法回收残矿和顶底柱[5]。在地表充填站制备充填料后，经管道输送至采场，在采场上部充填天井布置充填管道至采场进行一次充填。本文通过对充填料流动性和力学性能开展实验，测试尾砂充填体力学响应强度特性能否满足采空区治理要求。

2 "尾砂料浆测试

2.1 "尾砂基本物理性质

根据经验公式对实验用尾砂进行了测试，在不同龄期下对充填体强度影响显著性大小的顺序为质量浓度大于尾砂级配[6]，尾砂级配对强度影响仅次于质量浓度，尾砂级配质量至关重要。实验用尾砂比重2.79、松散孔隙率62.4%、密实孔隙率48.4%，全尾砂比表面积428.0 m2/kg，全尾砂颗粒不均匀系数α=16.1大于5，颗粒级配较不均匀，粒度组成两极分化大，尾砂骨料级配良好。充填体强度随pH的增大而减小[7]，本研究尾砂中有毒有害及影响充填体质量的成分（P、S、Mn、Zn、As）含量较低，碱性含量较低。回填料中加入钙基膨润土（Ca-B）和硅粉（SF），同掺入水平下可以显著提高强度[8]。对充填体强度发展有利的元素Si、Ca、Al含量较高，全尾砂能够用于充填[9]。本文研究使用尾砂Si、Ca含量高对充填体强度有明显增益作用。

2.2 "充填料浆流动性

充填料浆对流动性有较高要求，具有良好流动性与强度是完成充填的重要条件，有研究表明尾矿骨料比与强度呈一元二次关系，与坍落度呈负线性[10]。王培强等[11]研究充填质量浓度为64%～74%，灰砂比为1∶4～1∶12时，料浆屈服应力小于100 Pa，管道流动阻力小于6.0 kPa/m可应用井下充填。侯永强[12]对金川矿区采用废石掺量为30%混合粗骨料，质量浓度为82%～83%时效果最佳。本文流动性分析计算如图1所示。在考虑管道全断面具有流速时，根据伯努利方程和宾汉流变方程式得出

在胶结膏体充填法中，浆料充填的关键流变参数至关重要[13]。本实验采用h=1.2 m，h′=0.24 m，D=0.065 m，L=2.06 m参数。代入求得不同灰砂比与浓度的充填料浆流变参数见表1。

3 "尾砂充填强度力学特性

姚宣成[14]研究国内某金矿充填的最优配比为1∶0.5∶8，浓度为66%。本文通过实验对料浆管道沿程阻力i和料浆可实现自流输送的倍线N分析，当充填料浆浓度74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15时，屈服剪切应力63.79～45.43 Pa，黏性系数6.73 Pa·s，料浆管道输送的沿程阻力较大（管径80～150 mm，流量40～100 m3/h时，沿程阻力4.66～189.94 kPa/m），自流输送的倍线较小（管径80～150 mm，流量40～100 m3/h时，料浆充填倍线0.09～3.44），料浆可实现自流输送的范围较小，综上分析料浆浓度在74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15区间内可以满足井下充填流动性要求。

根据尾砂物理性质和上述测试分析，采用灰砂比1∶4、1∶10、1∶15和1∶20，浓度74%和72%，3 d强度最高分别可达到2.85、0.68、0.38和0.33 MPa；7 d强度最高分别可达到3.46、0.81、0.55和0.39 MPa；28 d强度最高分别可达到3.64、0.87、0.61和0.44 MPa。灰砂比1∶20变化至1∶4时，充填体强度也变化较大。现场可根据矿山实际充填强度要求，灵活选取充填配比参数，来达到充填强度要求。

通过复合外掺料提高全尾砂填料强度[15]。在全尾砂胶结充填体强度配比的基础上，开展碎石内掺添加量为20%、灰砂比分别为1∶4和1∶10、充填料浆质量浓度为74%和72%、养护龄期为3、7、28 d单轴抗压实验，实验结果见表2—表4。

通过对灰砂比分别为1∶4和1∶10试样岩石力学实验，分别在3、7、28 d养护条件下对比添加碎石前后单轴抗压强度变化，获得不同龄期单轴抗压强度发展趋势如图2和图3所示。

综上所述，充填料浆灰砂比和质量浓度保持不变的情况下，添加碎石砂能够增强充填体强度，在添加碎石砂量为20%的条件下，充填体的强度强继续提高，其他3组强度增强下降的趋势和幅度见表5。进一步分析添加量为20%碎石砂对充填体强度影响特性如图4所示。表现为3 d期龄养护条件下4组增强效果明显。7 d期龄养护条件下只有1∶4、74%增强持续提高，其他3组强度增强下降。28 d期龄养护条件下只有1∶4、74%强度增强下降较为显著，1∶4、72%和1∶4、74%强度增强略有增加，1∶4、72%增强基本稳定。姜明归等[16]研究灰砂比为1∶4的充填体断裂韧度随吸能密度、峰前应变能密度的增幅是灰砂比为1∶6和1∶8的2～3倍。这与本文研究灰沙比1∶4强度增加的结论相符。通过全尾砂胶结充填体和添加碎石全尾砂胶结充填体强度分析，在充填料浆灰砂比和质量浓度不变的情况下，范永亮等[17]研究表明随着碎石掺量增加，充填体3 d强度出现略微下降，7 d和28 d强度呈现小幅增长的趋势。这与本文研究结论相近。但本文研究发现灰砂比1∶4，浓度74%时，3 d早期强度增加更为显著，3 d后强度增加下降。碎石机制砂内掺量为20%时，灰砂比1∶4，浓度74%时，28 d强度增加0.467 MPa。通过以上实验分析添加20%碎石沙能有效提高充填体初期强度，早期荷载作用促进水泥水化反应，有助于充填体强度的提高[18]。增加碎石沙对增强采空区早期强度，提高稳定性起到较好效果。

4 "结论

1）哈图金矿采一矿区（934～1 094 m）空区治理与残矿资源回收利用研究。利用矿山采样尾砂进行试验内容，提出了采空区治理与残矿回收治理方案，而后进行相关工业实验，工业实验结果达到预期。

2）针对哈图金矿采一矿区（934～1 094 m）采空区治理，提出直接利用尾矿库干尾砂进行充填（尾矿不再选）治理方案。此方案工艺流程简单、建设工期短、初期建设投资少、投资回收周期短。

3）现场工业实验采用1∶4～1∶10灰砂比进行上向进路充填采矿工艺回收顶底柱，经实践证明采场矿、岩体稳定，未出现大面积垮冒现象。经过在现场实践作业，参数指标还留有空间，也可作为矿山今后规模生产的依据。

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