新型膨脹性高效膠結(jié)材料性能的實(shí)驗(yàn)研究

黃小忠 李國(guó)平

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

充填采礦法在金屬礦山、非金屬礦山中的廣泛應(yīng)用，隨著充填新材料、新工藝不斷出現(xiàn)，充填法采礦發(fā)展成為一種安全、高效的采礦方法［1-3］。大多數(shù)的新技術(shù)或新方法僅強(qiáng)調(diào)充填體的成本、強(qiáng)度等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但是關(guān)于充填體如何有效地在地壓控制中發(fā)揮其優(yōu)越性的討論不多，如采空區(qū)（采礦進(jìn)路、礦房）充填接頂困難問(wèn)題。接頂問(wèn)題一直以來(lái)都難以在理論和技術(shù)上解決。充填接頂是使用充填采礦法礦山廣泛關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題，它直接關(guān)系到采場(chǎng)生產(chǎn)安全。如一些金屬礦山因?yàn)椴煽諈^(qū)（采礦進(jìn)路、礦房）在充填時(shí)沒(méi)有接頂，造成地壓活動(dòng)頻繁、圍巖移動(dòng)、片幫、冒落等現(xiàn)象的發(fā)生，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)很大難度［4-5］。因此，為了確保采礦生產(chǎn)作業(yè)的安全，提高充填質(zhì)量和效果，研究如何提高充填接頂?shù)男Ч@得十分必要。

1 研究背景

某礦山采用的上向水平分層進(jìn)路充填采礦法，由于受制備的充填料漿濃度不高、充填體也有收縮以及充填工藝等各方面原因影響，采礦進(jìn)路的接頂率難以得到保證。

為克服這些因素，許多礦山根據(jù)自身的情況采取了人工接頂、強(qiáng)制崩落頂板接頂、加壓泵送充填料接頂、選擇合適的充填料及料漿濃度等不同的措施，在充填接頂方面的確起到了一定的作用，但效果不佳，并且上述方法均為被動(dòng)接頂。為了解決礦山充填接頂率低、接頂效果差等問(wèn)題，就如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接頂開(kāi)展新型膨脹性膠結(jié)材料實(shí)驗(yàn)研究。

2 新型膨脹性高效充填材料實(shí)驗(yàn)研究

2.1 膨脹性實(shí)驗(yàn)

充填料漿按固化劑∶尾砂=1∶7進(jìn)行配制，濃度為60%。膨脹型高效充填材料添加量分別按固化劑質(zhì)量的5%、10%、20%加入充填料漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。膨脹型高效充填材料體積膨脹過(guò)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

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表1 、表2可知:①添加量在10%時(shí)，充填體膨脹最終高度為1 180 mm，膨脹率為11.8%，效果最好；②充填料漿膨脹初始時(shí)間與添加量有關(guān)系，隨著添加量的增大，初始時(shí)間加快。

2.2 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

該礦山采用膠砂比為1∶6，尾礦濃度為60%的料漿進(jìn)行充填結(jié)頂，開(kāi)展新型膨脹性高效充填材料（添加量10%）與普通充填體對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)編號(hào)分別用1#、2#表示。試塊在養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件:溫度為25℃，濕度為90%。對(duì)3，7，28 d的試塊采用MTS816電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3及圖1。

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由表3可知，新型膨脹性高效充填材料比普通充填體試樣3，7，28 d的單軸抗壓強(qiáng)度分別降低了0.21，0.31，0.53 MPa，降低幅度分別約為27.63%，20.54%、23.98%。

由圖1分析可知，新型膨脹性高效充填材料與普通充填體試樣在不同圍壓下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線大致相同，試樣應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線基本為理想塑性，表現(xiàn)出延性破壞特征，即在峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)顯著的屈服平臺(tái)（軸向應(yīng)力基本保持不變，而變形持續(xù)增加），試樣產(chǎn)生塑性流動(dòng)。

2.3 充填接頂實(shí)驗(yàn)

按照采礦進(jìn)路斷面（三心拱斷面）形狀制作1∶20比例的模型，充填料漿按充填接頂?shù)臉?biāo)準(zhǔn)與新型膨脹性高效充填材料混合制備好，將其注入到采礦進(jìn)路模型中，至弧頂?shù)娜种幗Y(jié)束，養(yǎng)護(hù)7 d后拆模，見(jiàn)圖2。

膨脹性材料充填料漿注入模型一段時(shí)間后，充填體體積發(fā)生膨脹，并逐步充實(shí)整個(gè)空間，達(dá)到充填接頂?shù)囊蟆Ｍ瑫r(shí)，在空間受限的條件下，充填體發(fā)揮自身的作用，對(duì)周圍產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力。由此可見(jiàn)，充填體因圍巖變形和位移引發(fā)的被動(dòng)受力變成充填體主動(dòng)支撐圍巖。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)驗(yàn)研究表明，充填體的膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、接頂率基本上能達(dá)到進(jìn)路充填采礦的要求，有效地解決了進(jìn)路充填接頂率不高的問(wèn)題。

（2）膨脹性充填料漿有較好的膨脹性能，能快速地充實(shí)整個(gè)采空區(qū)，從而對(duì)周圍圍巖產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，起到一定的支撐作用，能有效地改變圍巖的變形和位移，讓圍巖的應(yīng)力分布得到改善，保護(hù)采場(chǎng)的穩(wěn)定。