饒運章 張中亞 舒太鏡 彭立正

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.山東能源臨沂礦業(yè)集團會寶嶺鐵礦，山東 臨沂 277712)

會寶嶺鐵礦全尾砂廢石復合充填體沉降試驗

饒運章1張中亞1舒太鏡1彭立正2

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.山東能源臨沂礦業(yè)集團會寶嶺鐵礦，山東 臨沂 277712)

全尾砂廢石復合充填體沉降是一個復雜的非牛頓流體與固體混合物的連續(xù)介質力學加載過程，難以通過經驗估算或理論推導獲得其沉降規(guī)律。為研究會寶嶺鐵礦全尾砂-廢石復合充填體沉降問題，通過相似模型試驗的方法,對不同比例(高度)全尾砂、廢石組成的復合充填進行室內試驗模擬。結果分析表明：復合充填體中廢石所占比例與其總沉降量呈遞減函數(shù)關系；復合充填體總沉降量與時間的擬合關系為遞減對數(shù)關系，且擬合曲線在15 d時斜率明顯減小，故在15 d后復合充填體沉降量趨于穩(wěn)定，可進行頂板膠結作業(yè)；比較不同廢石比例的復合充填體沉降穩(wěn)定所需時間，1/2廢石比例的復合充填體沉降穩(wěn)定最快。

全尾砂 廢石 復合充填體 沉降規(guī)律 模型試驗

會寶嶺鐵礦是一座年采選能力450萬t的新型地下開采礦山，采用全段高組合鑿爆階段礦房嗣后充填采礦方法進行開采。

該礦礦塊沿礦體走向布置，長度60 m，寬為礦體平均厚度35 m，階段高度70 m；礦塊劃分礦房和礦柱，礦柱寬5～6 m，不回收；階段開采順序為上行式，不留頂柱和底柱。

根據(jù)礦山初步設計，井下廢石不出窿，按要求充入采空區(qū)，不足部分用全尾砂充填，頂部澆注0.6～1.0 m膠結層作為上階段出礦底板。因此，全尾砂廢石復合充填體沉降問題成為上階段回采和出礦底部結構穩(wěn)定性的重要影響因素。

充填體沉降問題已有較多研究[1-4]，大都集中于單一材料充填體，對于尾砂-廢石等復合充填體，充填料之間的耦合關系及相互作用機理復雜，沉降難以量化分析，也很難實現(xiàn)數(shù)值模擬，相關研究較為罕見。為此，依據(jù)會寶嶺鐵礦實際礦房尺寸和充填工藝，對不同比例(充填高度)全尾砂、廢石組成的復合充填進行室內相似模型試驗，監(jiān)測和分析沉降變化規(guī)律，旨在為礦山合理實施膠結層充填和上階段開采提供理論指導。

1 試驗概述

1.1 試驗設計

試驗采用1∶100室內模型，全尾砂廢石復合充填試驗設計如表1。為了便于觀測廢石的充填高度(比例)，對廢石料進行了一定程度的平整。

表1 室內全尾砂廢石復合充填試驗設計Table 1 Indoor experimental design of unclassifiedtailings waste rock composite filling body

1.2 模型及充填材料

礦房參數(shù)為長×寬×高=55 m×35 m×70 m，每個礦房有4條出礦進路，底部結構為V型塹溝。為此，設計制作了1∶100比例的試驗模型(考慮充填下料方便，模型實際高度100 cm)如圖1所示，A、B為2個相鄰礦房。

圖1 試驗模型Fig.1 Test model

充填材料為取自礦山現(xiàn)場的全尾砂和2 cm以下全粒級廢石。

試驗器材有鐵鏟、攪拌棒、攪拌桶、游標卡尺(精度0.05 mm)、鋼尺等。

1.3 試驗過程

(1)充填實施。選擇開闊的室內場地，安裝礦房模型；準備試驗器材與充填材料，實施充填。

第1組試驗：模擬全廢石充填并膠結料漿澆面。在礦房A中間垂直放入并固定一根鋼尺，先緩慢充入全粒級廢石，勻平表面，廢石充填高度69 cm；再在廢石面上充填1 cm厚、濃度75%、水泥用量10.5%的全尾砂膠結充填料漿并勻平。

第2組試驗：模擬2/3廢石、1/3全尾砂水砂充填并膠結料漿澆面。在礦房A中間垂直放入并固定一根鋼尺，先緩慢充入全粒級廢石，勻平表面，廢石充填高度47 cm；再在廢石面上充填22 cm厚、濃度75%的全尾砂非膠結料漿并勻平；最后充填1 cm厚、濃度75%、水泥用量10.5%的全尾砂膠結充填料漿并勻平。

第3組試驗：模擬1/2廢石、1/2全尾砂水砂充填并膠結料漿澆面。在礦房B中間垂直放入并固定一根鋼尺，先緩慢充入全粒級廢石，勻平表面，廢石充填高度35 cm；再在廢石面上充填34 cm厚、濃度75%的全尾砂非膠結料漿并勻平脫水；最后充填1 cm厚、濃度75%、水泥用量10.5%的全尾砂膠結充填料漿并勻平。

第4組試驗：模擬全尾砂水砂充填并膠結料漿澆面。在礦房B中間垂直放入并固定一根鋼尺，并將出礦口堵塞防止全尾砂料漿流出，但不影響排水；再緩慢充入濃度75%的全尾砂非膠結料漿至69 cm高度并勻平脫水；最后充填1 cm厚、濃度75%、水泥用量10.5%的全尾砂膠結充填料漿并勻平。

(2)布置測點。試驗過程中，不同位置的充填體沉降量顯然不同，受壁面黏滯影響，靠近模型壁的充填體沉降量較其他位置小。礦山實際充填過程中亦如此，即在巖(礦)壁的黏滯作用下，貼近圍巖與礦柱的充填體沉降量較其他位置充填體的沉降量小。為了較完整地反映室內試驗充填體的沉降量，每組試驗待充填完成并脫水后，在充填體表面按順序布置測點(如圖2)，通過測點觀測，獲取某時刻充填體表面不同位置的沉降量，由此，獲得不同位置點的總沉降量。

圖2 觀測點位置布置(cm)Fig.2 Location arrangement of observation points

(3)觀測時間設置。為獲得復合充填體隨時間變化的沉降數(shù)據(jù)，1 h后開始實施觀測，設定的觀測時間依次為1、6、15、24、72、144、360、720 h。利用游標卡尺詳細測量每個點的沉降情況，并記錄下來。

2 復合充填體沉降試驗分析

2.1 復合充填體沉降

根據(jù)礦山充填設計及優(yōu)化配比試驗[5-6]，獲得了全尾砂的充填濃度及合理的膠結充填體配比。該全尾砂料漿屬于非牛頓流體高濃度充填料[7-8]，充入空區(qū)與廢石復合時，2種材料的接觸混合方式是需要討論的主要問題。在水力和重力作用下，全尾砂漿料在與廢石的接觸過程中，不斷受到廢石的剪切作用并進入廢石表層或接觸層孔隙之中，包裹住大顆粒廢石散體，2種材料緊密結合，如圖3。

圖3 全尾砂與廢石接觸面情況Fig.3 Contact surface of unclassifiedtailings and waste rocks

對于由全尾砂和廢石組成的混合材料，從微觀結構來看，充滿著孔隙、晶粒結構及微裂紋等特征，全尾砂與水分充滿廢石孔隙與裂紋并包裹廢石材料，所以該力學問題是非牛頓流體與固體混合物的連續(xù)介質力學問題。通過礦物成分分析可知，全尾砂與廢石在化學性質上都是惰性的，2種材料的混合物可以看作是兩相連續(xù)介質的疊加，每種材料都有自己的運動，在任何時間t，廢石空間x同時充滿了全尾砂與水組成的流體物質團X(a)，則物體的運動方程為

(1)

式中，φ(a)為足夠光滑的系數(shù)函數(shù)[6]。

理論而言，該方程探討全尾砂料漿與廢石隨時間的運動變化規(guī)律，當全尾砂充滿廢石表層孔隙后，隨著尾砂的繼續(xù)注入，水分不斷排出，在廢石拱效應及兩種材料緊密結合產生的巨大摩擦力下，尾砂進入廢石堆的速度減緩直至停止，混合體產生壓縮沉降[9-11]。

2.2 復合沉降變化規(guī)律

利用試驗數(shù)據(jù)間接反映復合充填體的沉降規(guī)律及確定全尾砂膠結充填體的充填時間是本試驗的基本目的，先對全尾砂與廢石各自的沉降情況設計2組實驗，即第1、4組試驗，再討論不同復合比例(高度)情況下充填體的沉降變化規(guī)律，即第2、3組試驗，實際沉降如圖4。由于試驗條件及試驗場地限制，本試驗只討論靜力作用下全尾砂與廢石復合充填體的沉降，沒有涉及到振動或沖擊影響。

圖4 復合充填體沉降照片F(xiàn)ig.4 Settlement photo of composite filling body

對11個測點的沉降數(shù)據(jù)進行處理，得出各組試驗在不同時間點的平均沉降量，統(tǒng)計得每組試驗最后的總沉降量，見表2。

表2 不同時間各測點平均沉降量與總沉降量

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

根據(jù)每一組不同時間各測點平均沉降量，擬合出平均沉降量隨時間的變化關系曲線，如圖5，并獲得每組沉降量y隨時間x變化的關系曲線方程。

由表2可知，在不考慮其他力學因素影響的條件下，全尾砂充填體的沉降量最大，廢石充填體的沉降量最小，在進行井下充填時，充填廢石可以減小充填體的沉降量。圖5說明：在充填初期，充填體的沉降量較大，隨著時間的不斷增加，沉降量逐漸變小，直至趨近于一個穩(wěn)定的值，適合膠結充填體的穩(wěn)定性要求；每組試驗從360 h到720 h，復合充填體還在沉降，但沉降量迅速減小，沉降趨勢減緩并趨近于穩(wěn)定值，從礦山對生產時間的要求出發(fā)，在第15 d之后進行膠結充填體的充填，基本可以滿足頂部膠結充填體的穩(wěn)定性要求，在該時間點，根據(jù)曲線的斜率可知廢石占1/2比例時沉降速度比廢石占2/3時小，復合充填體基本達到穩(wěn)定。

通過對廢石量與總沉降量的回歸分析，獲得廢石量與復合充填體總沉降量的變化關系曲線，如圖6，廢石所占比例越大，復合充填體的沉降量越小，擬合出復合充填體總沉降量y與廢石比例x變化的方程

圖5 充填沉降量變化曲線Fig.5 Backfill subsidence curve

為

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

(2)

圖6 廢石所占比例與沉降量關系Fig.6 Relationship of the proportion of wasterock and the settlement amount

3 結 論

(1)通過設計全新的試驗模型及方案，在室內試驗的基礎上，獲得了每組充填體沉降隨時間變化的特性曲線及擬合方程，在靜荷載作用下，全尾砂的沉降量明顯大于廢石充填體，隨著廢石量的增加，復合充填體的沉降量不斷減小。

(2)充填體初始的沉降量較大，最終趨近于一個穩(wěn)定值，通過對復合充填體平均沉降量與時間的關系曲線進行擬合及分析，充填體的沉降量與時間呈對數(shù)關系，15 d之后進行膠結充填體的充填比較符合穩(wěn)定性的要求，廢石充填比例為1/2時復合充填體達到穩(wěn)定的速度較快。

(3)對不同比例的廢石量進行沉降分析，獲得不同廢石比例與復合充填體沉降量的關系曲線及回歸方程，系統(tǒng)地討論了廢石比例與沉降量的變化關系。

[1] 張春雷,汪順才,王方漢,等.南京鉛鋅銀礦選礦全尾砂料漿沉降規(guī)律研究[J].金屬礦山,2010(3):26-28. Zhang Chunlei,Wang Shuncai,Wang Fanghan,et al.Study on sedimentation rules of full tailings in beneficiation of Nanjing Lead-Zinc-Silver Mine[J].Metal Mine,2010(3):26-28.

[2] 蔣紅英,厲玲玲,楊曉強,等.散體材料結構沉降與自組織現(xiàn)象分析[J].四川建筑科學研究,2010(6):85-88. Jiang Hongying,Li Lingling，Yang Xiaoqiang,et al.Sedimentation and analysis of self-organize phenomenon of granule materials structure[J].Sichuan Building Science,2010(6):85-88.

[3] 張軍亮,羅新榮.充填矸石力學性質研究[J].煤礦安全,2012(8):37-40. Zhang Junliang,Luo Xinrong.Study on the mechanical properties of gangue filling[J].Mine Safety,2012(8):37-40.

[4] 馬恩榮.細顆粒充填體的自然沉降[J].有色金屬:礦山部分,1980(1):40-43. Ma Enrong.Natural settling of fine particles filling body[J].Non-ferrous metal:Mine Section，1980(1):40-43.

[5] 饒運章,舒太鏡,鄭長龍,等.會寶嶺鐵礦全尾砂膠結充填最優(yōu)配比試驗研究[J].中國礦業(yè),2014,23(3):97-100. Rao Yunzhang,Shu Taijing,Zheng Changlong,et al.Experimental study on the optimal proportion of unclassified tailings cemented filling in Huibaoling Iron Mine[J].China Mining Magazine，2014,23(3):97-100.

[6] 饒運章.粉煤灰和木鈣雙摻用于膠結充填的正交組合試驗[J].黃金,1994,15(10):20-25. Rao Yunzhang.Wood ash and calcium double mixed orthogonal combination test is used to fill the cement[J].Gold,1994,15(10):20-25.

[7] 劉可任.充填理論基礎[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1982. Liu Keren.Filling Theoretical Basis[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1982.

[8] 孫德民,任建平,焦華喆,等.某礦全尾砂膠結充填物料性能研究[J].金屬礦山,2012(3):6-9. Sun Demin,Ren Jianping.Jiao Huazhe,et al.Study on the properties of the unclassified tailings cemented backfill materials in a mine[J].Metal Mine,2012(3):6-9.

[9] 蔡嗣經,王洪江.礦山充填力學基礎[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994. Cai Sijing,Wang Hongjiang.Mine Filling Mechanics Foundation[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1994.

[10] 章根德.固體-流體混合物連續(xù)介質理論及其在工程上的應用[J].力學進展,1993(1):58-68. Zhang Gende.Solid-fluid mixture continuum theory and its application in engineering[J].Advances in Mechanics,1993(1):58-68.

[11] 嚴慶文,陳 進.膏體-廢石聯(lián)合充填技術及應用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2011(6):90-92. Yan Qingwen,Chen Jin.Paste-waste rock joint filling technology and application[J].Modern Mining,2011(6):90-92.

(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(編號：51364010)。

饒運章(1963—)，男，教授，博士。

TD861

A

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