膠固粉-全尾砂膠結充填體在麻姑山銅鉬礦應用與實踐*

彭凱,王文杰,張中偉,李智偉,許永斌,龔囪

(1.宣城全鑫礦業有限公司, 安徽 宣城市 242000;2.江西理工大學 資源與環境工程學院, 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、下盤圍巖均不穩定,并且全尾砂含硫量高,致使采用上向水平膠結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充填法進行開采。對下向進路膠結充填法而言,生產作業在頂板充填體保護下進行,因此,膠結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充填法能否實施。生產實踐與室內試驗研究表明:膠結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物的類型;另一方面在膠凝材料一定的條件下,膠結充填體強度隨灰砂比[5-6]、質量濃度[7-8]、養護期齡[9]的增大而增大。另外,養護溫度[10]、濕度與環境的海拔高度[11]對膠結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用,較好地解決了以傳統硅酸鹽水泥為膠凝材料的膠結充填體存在強度低、成本高的局限性。

本文以麻姑山銅鉬礦下向進路膠結充填開采為背景,分析了現有C32.5與C42.5硅酸鹽水泥膠結充填體強度特性。針對全尾砂含硫量高的特征,研究了不同灰砂比、不同養護齡期條件下膠固粉-全尾砂膠結充填體強度特性。在此基礎上,提出了適用于麻姑山銅鉬礦下向進路膠結充填方案并成功應用于工程實踐,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。根據礦山實際充填情況,制備試件所需的料漿質量濃度均為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。在此基礎上,計算得到制備不同灰砂比膠結充填體所需水量。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%的養護箱內進行養護。本次試驗共制備C32.5水泥膠結充填體16個,C42.5水泥膠結充填體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、質量濃度為68%,不同養護齡期條件下充填體典型應力-應變曲線見圖2。從圖2可以看出:在單軸壓縮條件下,充填體應力峰值點后所表現出的延性隨著齡期的增大呈現減小的趨勢,充填體殘余強度隨著齡期的增大而增大。

圖2 充填體應力-應變曲線

充填體單軸抗壓強度結果見表1。圖3為平均單軸抗壓強度與齡期的關系柱狀圖。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。總體而言,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充填體強度效果不明顯。

表1 充填體單軸抗壓強度統計

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充填體水化產物具有重要影響,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%,水化反應易生成硫酸鹽,從而導致充填骨架出現裂隙,降低充填體強度。

表2 尾砂主要化學成分質量百分比 %

2.2 膠固粉充填體強度特征

圖4給出了質量濃度為68%,灰砂比分別為1∶6,1∶10,1∶12,養護齡期分別為7 d、14 d、21 d與28 d膠固粉充填體典型應力-應變曲線。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力峰值點后所表現出的延性隨著齡期的增大呈現減小的趨勢,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力-應變曲線

膠固粉充填體單軸抗壓強度統計結果見表3,質量濃度為68%的強度-灰砂比-齡期關系柱狀圖見圖5。從表3與圖5可以看出:灰砂比為1∶6,養護齡期分別為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 質量濃度68%時強度-灰砂比-齡期關系

表3 膠固粉充填體單軸抗壓強度統計

相應的,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。灰砂比為1∶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。隨著養護齡期的增長,灰砂比為1∶10與1∶12的充填體強度呈現線性增長的趨勢,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。灰砂比為1∶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。

以上測試結果表明:在質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物生成速率有關。

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的保護下進行。因此,充填方案的選擇關鍵在于充填體假頂強度能否滿足要求。根據《有色金屬礦山生產技術規程》要求,下向分層充填法假頂膠結充填體強度應不小于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《有色金屬礦山生產技術規程》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《有色金屬礦山生產技術規程》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。考慮到充填接頂效果,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,進路頂板質量無顯著裂隙,不存在開裂、脫層等現象;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,未出現大規模垮塌現象。充填效果表明,在爆破作業與出礦期間膠固粉充填體完整性良好,可較好地保障生產作業安全,并降低礦石損失與貧化。

圖7 實際充填效果

4 結論

(1)麻姑山銅鉬礦尾砂屬高硫尾砂,在質量濃度為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《有色金屬礦山生產技術規程》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性。質量濃度為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,可滿足井下生產要求。