彭凱,王文杰,張中偉,李智偉,許永斌,龔囪

(1.宣城全鑫礦業(yè)有限公司, 安徽 宣城市 242000;2.江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 江西 贛州市 341000)

0 概況

麻姑山銅鉬礦3#礦體傾角為35°～70°,礦體平均厚度約為35 m。由于礦體與上、下盤圍巖均不穩(wěn)定,并且全尾砂含硫量高,致使采用上向水平膠結(jié)充填法時采場地壓活動相對頻繁,礦石損失率與貧化率高。因此,礦山擬探索采用下向進路膠結(jié)充填法進行開采。對下向進路膠結(jié)充填法而言,生產(chǎn)作業(yè)在頂板充填體保護下進行,因此,膠結(jié)充填體能否達到強度要求[1],在一定程度上決定下向進路膠結(jié)充填法能否實施。生產(chǎn)實踐與室內(nèi)試驗研究表明:膠結(jié)充填體強度一方面取決于尾砂本身屬性,例如粒徑大小[2]與化學成分[3]等,一般而言,膠結(jié)充填體強度隨著尾砂細顆粒含量的增加而減小,而尾砂化學成分主要影響水化產(chǎn)物的類型;另一方面在膠凝材料一定的條件下,膠結(jié)充填體強度隨灰砂比[5-6]、質(zhì)量濃度[7-8]、養(yǎng)護期齡[9]的增大而增大。另外,養(yǎng)護溫度[10]、濕度與環(huán)境的海拔高度[11]對膠結(jié)充填體強度影響顯著。近年來,新型膠凝材料[1213]在金屬礦山得到了相對廣泛的應(yīng)用,較好地解決了以傳統(tǒng)硅酸鹽水泥為膠凝材料的膠結(jié)充填體存在強度低、成本高的局限性。

本文以麻姑山銅鉬礦下向進路膠結(jié)充填開采為背景,分析了現(xiàn)有C32.5與C42.5硅酸鹽水泥膠結(jié)充填體強度特性。針對全尾砂含硫量高的特征,研究了不同灰砂比、不同養(yǎng)護齡期條件下膠固粉-全尾砂膠結(jié)充填體強度特性。在此基礎(chǔ)上,提出了適用于麻姑山銅鉬礦下向進路膠結(jié)充填方案并成功應(yīng)用于工程實踐,研究成果可為類似礦山井下充填提供參考,具有一定的工程借鑒價值。

1 單軸抗壓強度試驗

試件骨料為麻姑山銅鉬礦全尾砂,其級配曲線見圖1。根據(jù)礦山實際充填情況,制備試件所需的料漿質(zhì)量濃度均為68%。試件制備前,按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)采用烘干法對全尾砂含水率進行測試。在此基礎(chǔ)上,計算得到制備不同灰砂比膠結(jié)充填體所需水量。本次試驗對象為正方體試件,其尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。試件采用一次性澆筑,待料漿初凝完成后對試件進行脫模處理。最后,置于溫度為20℃、濕度為90%的養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護。本次試驗共制備C32.5水泥膠結(jié)充填體16個,C42.5水泥膠結(jié)充填體16個,GQ-B-02型膠固粉充填體48個。

圖1 級配曲線

單軸抗壓強度試驗采用RMT-150C巖石力學系統(tǒng)完成,其最大荷載為1000 k N,活塞行程為50 mm,機架剛度為5×106N/mm。試驗加載方式采用位移控制,加速速率為0.002 mm/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硅酸鹽水泥充填體強度特征

以C32.5與C42.5硅酸鹽水泥為膠凝材料,灰砂比為1∶6、質(zhì)量濃度為68%,不同養(yǎng)護齡期條件下充填體典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。從圖2可以看出:在單軸壓縮條件下,充填體應(yīng)力峰值點后所表現(xiàn)出的延性隨著齡期的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,充填體殘余強度隨著齡期的增大而增大。

圖2 充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

充填體單軸抗壓強度結(jié)果見表1。圖3為平均單軸抗壓強度與齡期的關(guān)系柱狀圖。從表1與圖3可知,C32.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d單軸抗壓強度分別為0.450～0.514 MPa、0.744～0.909 MPa、0.794～0.898 MPa、0.935～1.088 MPa,相應(yīng)的C42.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d單軸抗壓強度分別為0.537～0.545 MPa、0.696～0.770 MPa、0.827～1.001 MPa、1.012～1.610 MPa?？傮w而言,C32.5水泥充填體與C42.5水泥充填體單軸抗壓強度隨著齡期的增大而增大。C42.5水泥充填體7 d、14 d、21 d與28 d平均單軸抗壓強度較C32.5水泥充填體分別增大了0.070 MPa、0.091 MPa、0.068 MPa、0.102 MPa,說明提高硅酸鹽水泥標號對提高膠結(jié)充填體強度效果不明顯。

表1 充填體單軸抗壓強度統(tǒng)計

圖3 平均單軸抗壓強度-齡期柱狀圖

已有的研究表明[14-15]:尾砂化學成分對膠結(jié)充填體水化產(chǎn)物具有重要影響,其中硫含量對充填體強度影響顯著。對尾砂進行X射線熒光光譜分析,結(jié)果見表2。由表2可知,該尾砂屬高硫尾砂,SO3含量約為6.521%,水化反應(yīng)易生成硫酸鹽,從而導致充填骨架出現(xiàn)裂隙,降低充填體強度。

表2 尾砂主要化學成分質(zhì)量百分比 %

2.2 膠固粉充填體強度特征

圖4給出了質(zhì)量濃度為68%,灰砂比分別為1∶6,1∶10,1∶12,養(yǎng)護齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d膠固粉充填體典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4可看出:與硅酸鹽充填體類似,在單軸壓縮條件下膠固粉充填體應(yīng)力峰值點后所表現(xiàn)出的延性隨著齡期的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,充填體殘余強度隨著齡期與灰砂比的增大而增大。

圖4 典型膠固粉充填體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

膠固粉充填體單軸抗壓強度統(tǒng)計結(jié)果見表3,質(zhì)量濃度為68%的強度-灰砂比-齡期關(guān)系柱狀圖見圖5。從表3與圖5可以看出:灰砂比為1∶6,養(yǎng)護齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強度為1.235～1.660 MPa、3.864～4.695 MPa、4.741～5.487 MPa、4.767～6.334 MPa。

圖5 質(zhì)量濃度68%時強度-灰砂比-齡期關(guān)系

表3 膠固粉充填體單軸抗壓強度統(tǒng)計

相應(yīng)的,灰砂比為1∶10,齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強度為0.068～0.094 MPa、0.742～0.875 MPa、1.432～1.646 MPa、1.818～2.140 MPa?；疑氨葹?∶12,齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d的膠固粉充填體單軸抗壓強度為0.020～0.027 MPa、0.423～0.537 MPa、0.757～0.863 MPa、1.108～1.396 MPa。

從平均單軸抗壓強度分析,灰砂比為1∶10與1∶12的 膠 固 粉7 d強 度 分 別 為0.075 MPa與0.023 MPa,接近于零,但灰砂比為1∶6的膠固粉7 d強度達到了1.400 MPa。隨著養(yǎng)護齡期的增長,灰砂比為1∶10與1∶12的充填體強度呈現(xiàn)線性增長的趨勢,其中,灰砂比為1∶10時,充填體強度增長速率約為0.089 MPa/d,28 d強度為1.938 MPa?；疑氨葹?∶12時充填體強度增長速率約為0.055 MPa/d,28 d強度為1.181 MPa。對于灰砂比為1∶6的充填體而言,隨著養(yǎng)護期齡的增長,充填體強度增長速率總體呈減小的趨勢。其中,14 d強度為4.310 MPa,是7 d強度的3.1倍,21 d強度為5.238 MPa,是14 d強度的1.2倍,28 d強度較21 d強度約增加5.364 MPa,充填體強度快速增長期位于0～14 d。

以上測試結(jié)果表明:在質(zhì)量濃度一定的條件下,膠固粉充填體早期強度可能存在一個臨界灰砂比。當灰砂比小于臨界灰砂比時,膠固粉充填體早期強度可能接近于零,其原因可能與水化產(chǎn)物生成速率有關(guān)。

3 充填方案與實踐

麻姑山銅鉬礦擬采用下向進路充填采礦法開采,該方法在上一分層人工假頂?shù)谋Ｗo下進行。因此,充填方案的選擇關(guān)鍵在于充填體假頂強度能否滿足要求。根據(jù)《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》要求,下向分層充填法假頂膠結(jié)充填體強度應(yīng)不小于3～4 MPa。由于C32.5水泥充填體力學性能小于C42.5水泥充填體,同時灰砂比為1∶10的膠固粉充填力學性能介于灰砂比為1∶6和1∶12膠固粉充填體之間,因此只對灰砂比為1∶6的C42.5充填體與灰砂比分別為1∶6和1∶12膠固粉充填進行對比分析,結(jié)果見圖6。由圖6可知:灰砂比為1∶12的膠固粉充填體除7 d與14 d強度小于C42.5水泥充填體外,其21 d與28 d強度與C42.5水泥充填體強度相當,但難于達到《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對充填體強度的要求。對灰砂比為1∶6的膠固粉充填體而言,其7 d與28 d強度分別為1.400 MPa與5.364 MPa,滿足《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對充填體強度的要求。

圖6 C42.5水泥充填與膠固粉充填強度對比

綜合C42.5水泥充填體與膠固粉充填體的強度特性,推薦麻姑山銅鉬礦下向進路充填法采用膠固粉為膠結(jié)劑,以克服因尾砂硫含量高致使硅酸鹽水泥充填體強度低的局限性。同時,考慮充填成本,推薦分2次對進路進行充填。其中,一期充填質(zhì)量濃度為68%,灰砂比控制在1∶6左右,充填高度為進路高度的1/3～1/2之間,以保障充填體假頂強度。二期充填質(zhì)量濃度為68%,灰砂比控制在1∶10～1∶12之間。

圖7給出進路斷面為3 m×3 m的實際充填效果。其中,一期充填高度為1.5 m;二期充填高度為1.5 m?？紤]到充填接頂效果,二期分兩步驟充填,第一步驟充填高度控制在1.0～1.2 m,待充填體凝固后再進行第二步驟充填,充填高度為0.3～0.5 m。從圖7中可以看出,進路開挖后,進路頂板質(zhì)量無顯著裂隙,不存在開裂、脫層等現(xiàn)象;進路兩幫充填體存在相對明顯的充填界線,充填體自立性良好,未出現(xiàn)大規(guī)?？逅F(xiàn)象。充填效果表明,在爆破作業(yè)與出礦期間膠固粉充填體完整性良好,可較好地保障生產(chǎn)作業(yè)安全,并降低礦石損失與貧化。

圖7 實際充填效果

4 結(jié)論

(1)麻姑山銅鉬礦尾砂屬高硫尾砂,在質(zhì)量濃度為68%條件下,通過提高硅酸鹽水泥標號提高充填體強度的效果不佳,難于達到《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》對充填體強度要求。

(2)相對于硅酸鹽水泥,GQ-B-02型膠固粉對高硫尾砂具有較好的適應(yīng)性。質(zhì)量濃度為68%、灰砂比為1∶6的膠固粉充填體7 d與28 d強度分別為1.400 MPa與5.364 MPa。同時,膠固粉充填體7 d強度受灰砂比的影響顯著。當灰砂比小于等于1∶10時,膠固粉充填體7 d強度接近于零。

(3)推薦采用GQ-B-02型膠固粉作為膠凝材料。建議分兩期對3 m×3 m進路進行充填,充填質(zhì)量濃度為68%。一期充填灰砂比為1∶6,充填高度為1.0～1.5 m;二期充填灰砂比控制在1∶10～1∶12,充填高度為1.5～2.0 m。生產(chǎn)實踐表明,進路頂板與兩幫充填體相對完整,實際充填效果良好,可滿足井下生產(chǎn)要求。