高階段膠結充填體強度的變化規律

張立新

(安徽開發礦業有限公司，安徽 霍邱 237462)

高階段膠結充填體強度的變化規律

張立新

(安徽開發礦業有限公司，安徽 霍邱 237462)

根據企業降本增效要求，礦山使用的充填膠結材料由原來的P.C32.5標號水泥改為新型膠結材料——膠固粉。按照設計要求的充填配比，發現地表實驗室料漿試塊和井下充填體取芯的強度存在很大差異。在-400 m中段的14-1#和10-3#充填采場中，提取不同深度的地表實驗室和井下充填體的巖芯，分析2種膠結材料在不同養護條件下所對應的強度變化規律。對于水泥充填的采場，充填體取芯的強度要比實驗室試塊的強度高1.8 MPa以上；對于膠固粉充填的采場，灰砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6時充填體取芯的強度要比實驗室試塊強度高2.0、1.35和0.7 MPa以上，且隨著充填灰砂比的降低而降低。研究結果為進一步優化充填灰砂比提供了可靠的依據，進而可減少充填材料的消耗，降低充填成本。

膠結材料 充填強度 灰砂比優化 充填成本

安徽開發礦業有限公司新開發鐵礦是國內大型現代化地下開采礦山，位于淮河中上游沖積平原，礦床為沉積變質礦床，礦體埋深標高為-103～-800 m，走向近南北，傾向西，長3.4 km，設計生產規模為750萬t/a。根據礦體賦存條件及工業場地布置，為了滿足自流輸送充填倍線要求，共設置了3個充填站，充填規模為230萬m3/a。經過幾年實踐摸索、改造、擴建，整套充填工藝得到了完善及優化，形成了全國比較先進的全尾砂膠結充填工藝系統[1-2]。

膠結充填采礦法在提高回采率、降低貧化率、控制地壓、降低工業固體廢料排放等方面具有其他采礦法無法代替的優勢[3-6]，但其充填成本較高，礦山原使用的充填膠結材料為PC32.5標號水泥，改為新型膠結材料——膠固粉。隨著鐵礦石價格斷崖式暴跌，在確保充填體強度的基礎上，降低成本顯得尤為重要。因此，礦山將充填膠結材料由原來的PC32.5標號水泥改為新型膠結材料——膠固粉，并通過分析實驗室料漿試塊強度與充填體實際強度的變化規律，尋找合適的灰砂比，減少膠結材料消耗，從而更好地降低充填成本。

1 高階段采場充填體強度要求

高階段采場采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法，中段高度100 m，分段高度25 m，采場寬度20 m。根據國內外充填強度研究結果及設計經驗[7-8]，通過對井下高階段采場開采過程中穩定性參數研究，在充填體周圍巖體不產生破壞即彈性變形的前提下，以充填體自重為基礎，同時考慮充填體上部巖層的部分應力傳遞、爆破的影響，對-400 m中段高階段采場不同段高充填體的強度分布要求如圖1所示[9]。

圖1 高階段采場一步采強度分布Fig.1 The first-step filling strengthdistribution of the high level stope

為掌握單倉充填料漿強度值，從而對采場充填體質量進行預判，在生產過程中，每倉進行取樣澆模試驗。取樣澆模后擺放于養護箱內進行養護，溫度控制在23±3 ℃，相對濕度控制在96%(模擬井下采場溫濕度)，待達到各齡期后測試強度(3 d、7 d、28 d、60 d)，每齡期做3個試塊，最終取其平均值作為實驗室實測試塊強度。同時，對達到養護條件的采場進行充填體取芯，測試充填體取芯的強度。因前期充填膠結材料為水泥，經優化后改為膠固粉，故分別以水泥(李樓14-1#采場)及膠固粉充填采場(李樓10-3#采場)為例進行實驗室試塊及采場充填體取芯的強度分析。

2 水泥充填采場取樣強度分析

2.1 實驗室水泥取樣的強度

李樓14-1#采場共充填55倉，膠結材料為PC32.5標號水泥，尾砂為鏡鐵礦尾礦，料漿濃度均在71%～72%。由于水泥和鏡鐵礦尾砂結合后實驗室強度增長較慢，為確保充填體質量，充填比例全部為1∶4。因其28 d強度值較為穩定，故統計數據從不同段高隨機抽檢，見表1。可以看到，在嚴格控制料漿濃度及灰砂比的前提下，試塊28 d強度值較穩定，強度范圍在3.0～3.5 MPa，滿足設計要求。

2.2 采場充填體取芯的強度

為了準確掌握采場充填體強度變化情況及不同段高充填體強度受自重壓力變化的影響，采場充填結束90 d后對充填體進行取芯檢測。李樓14-1#采場共取2組樣本，1#孔取芯高度67 m，2#孔取芯高度91

表1 李樓14-1#采場實驗室充填試塊和井下充填體取芯強度Table 1 The strength of laboratory filling block and thecore of filling body in Lilou 14-1# stope

m，2組樣本較完整，粗細較均勻，表面光滑。與地表實驗室料漿試塊所對應的段高取芯強度統計結果見表1。2組取芯強度基本都在4.0 MPa以上，滿足采場不同段高設計強度要求。

2.3 強度對比

根據表1可知：實驗室水泥試塊強度較均衡，最低強度為3.0 MPa，最高強度為3.37 MPa，平均強度為3.17 MPa。1#取芯樣本最低強度3.95 MPa，最高強度5.92 MPa，平均強度為5.16 MPa；2#取芯樣本最低強度4.11 MPa，最高強度6.86 MPa，平均強度4.9 MPa。2組取芯孔平均強度比實驗室試塊平均強度高1.8 MPa以上。1#取芯強度高于2#孔，因1#取芯靠近采場充填井位置，料漿進入采場后，自然流動至空場另一端，在流動過程中，料漿中粗顆粒逐步沉降，當到達采場另一端時，料漿中所剩顆粒基本全部為較細顆粒，且多余水也隨之到達，故造成1#充填體樣本強度高于2#孔。

3 膠固粉充填采場取樣強度分析

3.1 實驗室膠固粉取樣強度

李樓10-3#采場共充填57倉，采用膠固粉材料進行充填，料漿濃度均在71%～72%，經過多次實驗室試驗后，根據膠結材料綜合性能及采場段高強度要求，確定其充填比例為1∶4、1∶5、1∶6、1∶4。實驗室強度統計數據為75 m以內隨機抽檢數據，見表2。可以看到，在嚴格控制料漿濃度及灰砂比的前提下，試塊28 d強度基本滿足采場不同段高強度要求。

3.2 李樓10-3#采場充填體取芯強度

10-3#采場充填結束90 d后，對其進行充填體取芯。取芯2組，鉆孔高度均為75 m，2組樣本基本完整，局部有破碎及粗細不均勻現象。與地表實驗室料漿試塊所對應的段高取芯強度統計結果見表2。可以看到，2組取芯樣本的強度全部高于段高強度要求。

表2 10-3#采場實驗室充填試塊和井下充填體取芯強度Table 2 The strength of laboratory filling blockand the core of filling body in Lilou 10-3# stope

3.3 膠固粉實驗室強度與井下充填體取芯強度對比

根據表2可知：灰砂比為1∶4時，實驗室試塊28 d平均強度為3.16 MPa，1#充填體取芯平均強度為5.37 MPa，2#孔平均強度為5.02 MPa，充填體取芯平均強度高于實驗室試塊平均強度2.0 MPa以上；灰砂為1∶5時，實驗室試塊平均強度為2.8 MPa，1#充填體取芯平均強度為4.1MPa，2#孔平均強度為4.2 MPa，充填體取芯平均強度高于實驗室試塊強度1.35 MPa以上；灰砂比為1∶6時，充填體取芯強度高于實驗室試塊強度0.7 MPa以上。3組強度較均衡，均高于設計強度，且隨著充填灰砂比的降低而降低。

4 結 論

(1) 通過對水泥和膠固粉2種膠結材料實驗室試塊強度與井下充填體取芯強度的對比分析，發現采場充填體實際強度比同等灰砂比實驗室試塊強度高。對于水泥充填的采場，充填體取芯強度要比實驗室試塊強度高1.8 MPa以上；對于膠固粉充填的采場，灰砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6時充填體取芯強度要比實驗室試塊強度高2.0 MPa、1.35 MPa和0.7 MPa以上。

(2) 根據2種充填材料實驗室試塊強度與井下充填體強度的變化規律，應進一步優化灰砂比。考慮到目前采場全部采用膠固粉充填，在滿足采場不同段高強度的基礎上，建議每種段高均降低1級灰砂比進行充填，進而降低充填成本。

[1] 盧央澤,郭 章,姜仁義.淺議李樓鐵礦膠結充填體的選擇[J].礦冶,2009(4):20-24. Lu Yangze,Guo Zhang,Jiang Renyi.Discussion on cementation-filling mass in Lilou Iron Mine[J].Mining & Metallurgy,2009(4):20-24.

[2] 魏曉明,李長洪,張立新.急傾斜厚大礦體采礦方法的選擇[J].金屬礦山,2014(4):31-34. Wei Xiaoming,Li Changhong,Zhang Lixin.Selection of mining methods of steeply inclined large and thick ore body[J].Metal Mine,2014(4):31-34.

[3] 曾照凱,張義平,王永明.高階段采場充填體強度及穩定性研究[J].金屬礦山,2010(1):31-34. Zeng Zhaokai,Zhang Yiping,Wang Yongming.Research on the strength and stability on fill body of high-bench stope[J].Metal Mine,2010(1):31-34.

[4] 付建新,杜翠鳳,宋衛東.全尾砂膠結充填體的強度敏感性及破壞機制[J].北京科技大學學報,2014(9):1149-1157. Fu Jianxin，Du Cuifeng，Song Weidong.Strength sensitivity and failure mechanism of full tailings cemented backfills[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2014(9):1149-1157.

[5] 李一帆，張建明，鄧 飛，等.深部采空區尾砂膠結充填體強度特性試驗研究[J].巖土力學,2005，26(6)：865-868. Li Yifan,Zhang Jianming,Deng Fei,et al.Experimental study on strength characteristics of tailings cement backfilling at deep-seated mined-out area[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(6):865-868.

[6] 賀桂成,劉 永,丁德馨,等.廢石膠結充填體強度特性及其應用研究[J].采礦與安全工程學報,2013(1):74-79. He Guicheng,Liu Yong,Ding Dexin,et al.Strength characteristic of cemented waste rock backfills and its application[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2013(1):74-79.

[7] 王發芝.冬瓜山銅礦深部采場充填技術[J].礦業研究與開發,2008(4):4-5. Wang Fazhi.Filling technology of deep stope in Dongguashan Copper Mine[J].Mining Research and Development,2008(4):4-5.

[8] 方志甫,唐紹輝.安慶銅礦深部特大型采場充填體穩定性研究[J].礦業研究與開發,2007(3):1-2. Fang Zhifu,Tang Shaohui.Study on the stability of backfill for deep extra large stopes in Anqing Copper Mine[J].Mining Research and Development,2007(3):1-2.

[9] 長沙礦山研究院有限責任公司,安徽開發礦業有限公司.李樓-吳集鐵礦井下大型采場開采過程中穩定性參數研究報告[R].霍邱:安徽開發礦業有限公司,2015. Changsha Mining Research Institute Co.,Ltd.,Anhui Mining Development Co.,Ltd..Study on Stability Parameters of the Mining Process of Large Underground Mining in the Lilou-Wuji Iron Mine[R].Huoqiu:Anhui Mining Development Co.,Ltd.,2015.

(責任編輯 徐志宏)

Change Laws of the Strength of High Level Cemented Backfill Body

Zhang Lixin

(AnhuiMiningDevelopmentCo.，Ltd，Huoqiu237462，China)

The cemented material，P.C32.5 cement，that was previously used in the mine is replaced by a new cementing material，named cementation powder，according to the requirement of lowering costs and improving efficiency.Based on the filling ratio required in design，there was a great difference between the blocks strength in the surface laboratory test and the core strength at filling body.At the stopes of 14-1#and 10-3#at the -400 m stage，the strength of blocks at surface laboratory and underground core at different depth was extracted，and the change law of strength for two kinds of cementing materials in different curing conditions was analyzed.For cement filling stope，the underground core strength was above 1.8 MPa higher than that of blocks in the laboratory test;For glue powder filling stope，the underground core strength at the three ratio(1∶4,1∶5,1∶6)was respectively above 2.0 MPa and 1.35 MPa and 0.7 MPa higher than that of blocks in the laboratory test，and with the decrease of the ratio，the filling strength was reduced.It provides a reliable basis for further optimizing the cement-sand ratio and thereby reducing the material consumption and filling cost.

Cemented material，Filling strength，The optimization of cement-sand ratio，Filling cost

2015-08-03

張立新(1980—)，男，高級工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-11-042-03