混合碎石料配比對漿體流動性能和充填體強度的影響

摘 "要：隨著礦產資源的開發，如何治理采空區和高效回收利用殘礦已經成為很多礦山亟待解決的問題。該文對哈圖金礦采一礦區（934～1 094 m）空區治理與殘礦資源回收利用進行研究，首先從礦山尾砂的基本性質、充填料漿流動性、尾砂充填強度配比方面進行研究測試，得出灰砂比1∶20變化至1∶4時，充填體強度變化較大，同時添加20%碎石砂可增強充填體強度效果，特別是早期強度提升顯著。并結合礦山具體情況，采取直接利用干尾砂進行充填（尾礦不再選）的采空區治理方案。對殘采、充填工藝技術進行充分研究的基礎上，在采一礦區934 m中段選擇上向進路充填采礦法開展殘采礦體實驗，工業實驗結果達到預期。該文采空區治理與殘礦資源回收利用實例可為其他礦山提供參考和借鑒意義。

關鍵詞：膏體充填；早期強度；添加碎石骨料；流變參數；采空區治理

中圖分類號：TD325.3 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-00６５-0５

Abstract： With the development of mineral resources， how to manage the empty zone and efficiently recycle the residual ore has become an urgent problem for many mines. In this paper， research was conducted on empty mining area management and residual resources recycling of one mining area （934～1 094 m） in Hatu gold mine， first from the basic properties of mine tailings， filling slurry mobility， tailings filling strength ratio research test， concluded that the gray sand ratio of 1∶20 change to 1∶4， the strength of the filling body changes， and at the same time， add 20% crushed sand can enhance the effect of the filling body strength， especially the early strength enhancement is significant. At the same time， adding 20% gravel sand can enhance the strength effect of the filling body， especially the early strength enhancement is significant. According to the specific conditions of the mine， we adopt the management plan of filling the empty mining area by directly utilizing the dry tailing sand （the tailing is no longer selected）. On the basis of the full study of the residual mining and filling technology， the residual mining orebody experiment is carried out by selecting the upward filling mining method in the middle section of mining No. 1 mining area， and the industrial test results meet the expectations. The examples of goaf treatment and residual ore resources recovery and utilization in this paper can provide reference and reference significance for other mines.

Keywords： paste filling; early strength; adding macadam aggregate; rheological parameters; goaf treatment

金屬礦山隨著開采進行，采空區暴露面積加大容易造成圍巖應力集中，導致頂板和圍巖不穩定，出現冒頂巖爆等威脅礦山生產安全的地質災害[1]。

哈圖金礦礦床嚴格受構造斷裂控制，走向近東西向，主要含礦斷裂走向80～90°，傾角58～72°。采一礦區一直采用淺孔留礦法采礦方法，漏斗底部結構[2]，貧化率達到50%，損失率達到40%。在934～1 094 m中段積累了大量空區，且采場礦柱也未及時回收，局部區域沿脈巷發生了開裂、塌方冒落，相鄰采場以及上下中段采場有些已經貫通，因此上部空區處理勢在必行。同時，采用淺孔留礦法存在支脈無法兼顧開采問題，并留下開采混亂的間柱和頂底柱，也給礦山安全生產、可持續發展帶來不少難題。

利用充填系統的優勢，上向分層尾砂膠結充填采礦法取代淺孔留礦法，用于開采千米深度及以上礦井，綜合生產能力能達1 000 t/d。針對哈圖金礦礦區特征，本文提出了一種空區充填治理方案，不僅能消除采空區安全隱患，還能對礦柱殘礦資源回收利用，實現礦山綠色高效開采[3]。

1 "研究現狀與治理方案

1.1 "現狀

哈圖金礦現有３個采區：400 m采區已經結束開采，600 m采區正在采用上向水平分層充填法開采礦柱，深部區域設計生產規模1 000 t/d，即年產礦石33萬t。

目前，哈圖金礦采一礦區934～1 054 m中段空區數目共計140個，其中934 m水平30個、974 m水平41個、1 014 m水平40個、1 054 m水平29個，空區頂板暴露面積少有超過500 m2。采空區總體積30.94萬m3。

1.2 "治理方案

減少采空區發生應力集中現象，緩和圍巖應力集中程度，可以實現控制和管理地壓，保證礦山安全生產[4]。

根據哈圖金礦采空區治理原則和工程實際情況，研究利用尾礦干尾砂進行充填（尾礦不再選）。采用1∶4～1∶10灰沙比進行上向進路充填采礦法回收殘礦和頂底柱[5]。在地表充填站制備充填料后，經管道輸送至采場，在采場上部充填天井布置充填管道至采場進行一次充填。本文通過對充填料流動性和力學性能開展實驗，測試尾砂充填體力學響應強度特性能否滿足采空區治理要求。

2 "尾砂料漿測試

2.1 "尾砂基本物理性質

根據經驗公式對實驗用尾砂進行了測試，在不同齡期下對充填體強度影響顯著性大小的順序為質量濃度大于尾砂級配[6]，尾砂級配對強度影響僅次于質量濃度，尾砂級配質量至關重要。實驗用尾砂比重2.79、松散孔隙率62.4%、密實孔隙率48.4%，全尾砂比表面積428.0 m2/kg，全尾砂顆粒不均勻系數α=16.1大于5，顆粒級配較不均勻，粒度組成兩極分化大，尾砂骨料級配良好。充填體強度隨pH的增大而減小[7]，本研究尾砂中有毒有害及影響充填體質量的成分（P、S、Mn、Zn、As）含量較低，堿性含量較低。回填料中加入鈣基膨潤土（Ca-B）和硅粉（SF），同摻入水平下可以顯著提高強度[8]。對充填體強度發展有利的元素Si、Ca、Al含量較高，全尾砂能夠用于充填[9]。本文研究使用尾砂Si、Ca含量高對充填體強度有明顯增益作用。

2.2 "充填料漿流動性

充填料漿對流動性有較高要求，具有良好流動性與強度是完成充填的重要條件，有研究表明尾礦骨料比與強度呈一元二次關系，與坍落度呈負線性[10]。王培強等[11]研究充填質量濃度為64%～74%，灰砂比為1∶4～1∶12時，料漿屈服應力小于100 Pa，管道流動阻力小于6.0 kPa/m可應用井下充填。侯永強[12]對金川礦區采用廢石摻量為30%混合粗骨料，質量濃度為82%～83%時效果最佳。本文流動性分析計算如圖1所示。在考慮管道全斷面具有流速時，根據伯努利方程和賓漢流變方程式得出

在膠結膏體充填法中，漿料充填的關鍵流變參數至關重要[13]。本實驗采用h=1.2 m，h′=0.24 m，D=0.065 m，L=2.06 m參數。代入求得不同灰砂比與濃度的充填料漿流變參數見表1。

3 "尾砂充填強度力學特性

姚宣成[14]研究國內某金礦充填的最優配比為1∶0.5∶8，濃度為66%。本文通過實驗對料漿管道沿程阻力i和料漿可實現自流輸送的倍線N分析，當充填料漿濃度74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15時，屈服剪切應力63.79～45.43 Pa，黏性系數6.73 Pa·s，料漿管道輸送的沿程阻力較大（管徑80～150 mm，流量40～100 m3/h時，沿程阻力4.66～189.94 kPa/m），自流輸送的倍線較小（管徑80～150 mm，流量40～100 m3/h時，料漿充填倍線0.09～3.44），料漿可實現自流輸送的范圍較小，綜上分析料漿濃度在74%～72%、灰砂比1∶4～1∶15區間內可以滿足井下充填流動性要求。

根據尾砂物理性質和上述測試分析，采用灰砂比1∶4、1∶10、1∶15和1∶20，濃度74%和72%，3 d強度最高分別可達到2.85、0.68、0.38和0.33 MPa；7 d強度最高分別可達到3.46、0.81、0.55和0.39 MPa；28 d強度最高分別可達到3.64、0.87、0.61和0.44 MPa。灰砂比1∶20變化至1∶4時，充填體強度也變化較大。現場可根據礦山實際充填強度要求，靈活選取充填配比參數，來達到充填強度要求。

通過復合外摻料提高全尾砂填料強度[15]。在全尾砂膠結充填體強度配比的基礎上，開展碎石內摻添加量為20%、灰砂比分別為1∶4和1∶10、充填料漿質量濃度為74%和72%、養護齡期為3、7、28 d單軸抗壓實驗，實驗結果見表2—表4。

通過對灰砂比分別為1∶4和1∶10試樣巖石力學實驗，分別在3、7、28 d養護條件下對比添加碎石前后單軸抗壓強度變化，獲得不同齡期單軸抗壓強度發展趨勢如圖2和圖3所示。

綜上所述，充填料漿灰砂比和質量濃度保持不變的情況下，添加碎石砂能夠增強充填體強度，在添加碎石砂量為20%的條件下，充填體的強度強繼續提高，其他3組強度增強下降的趨勢和幅度見表5。進一步分析添加量為20%碎石砂對充填體強度影響特性如圖4所示。表現為3 d期齡養護條件下4組增強效果明顯。7 d期齡養護條件下只有1∶4、74%增強持續提高，其他3組強度增強下降。28 d期齡養護條件下只有1∶4、74%強度增強下降較為顯著，1∶4、72%和1∶4、74%強度增強略有增加，1∶4、72%增強基本穩定。姜明歸等[16]研究灰砂比為1∶4的充填體斷裂韌度隨吸能密度、峰前應變能密度的增幅是灰砂比為1∶6和1∶8的2～3倍。這與本文研究灰沙比1∶4強度增加的結論相符。通過全尾砂膠結充填體和添加碎石全尾砂膠結充填體強度分析，在充填料漿灰砂比和質量濃度不變的情況下，范永亮等[17]研究表明隨著碎石摻量增加，充填體3 d強度出現略微下降，7 d和28 d強度呈現小幅增長的趨勢。這與本文研究結論相近。但本文研究發現灰砂比1∶4，濃度74%時，3 d早期強度增加更為顯著，3 d后強度增加下降。碎石機制砂內摻量為20%時，灰砂比1∶4，濃度74%時，28 d強度增加0.467 MPa。通過以上實驗分析添加20%碎石沙能有效提高充填體初期強度，早期荷載作用促進水泥水化反應，有助于充填體強度的提高[18]。增加碎石沙對增強采空區早期強度，提高穩定性起到較好效果。

4 "結論

1）哈圖金礦采一礦區（934～1 094 m）空區治理與殘礦資源回收利用研究。利用礦山采樣尾砂進行試驗內容，提出了采空區治理與殘礦回收治理方案，而后進行相關工業實驗，工業實驗結果達到預期。

2）針對哈圖金礦采一礦區（934～1 094 m）采空區治理，提出直接利用尾礦庫干尾砂進行充填（尾礦不再選）治理方案。此方案工藝流程簡單、建設工期短、初期建設投資少、投資回收周期短。

3）現場工業實驗采用1∶4～1∶10灰砂比進行上向進路充填采礦工藝回收頂底柱，經實踐證明采場礦、巖體穩定，未出現大面積垮冒現象。經過在現場實踐作業，參數指標還留有空間，也可作為礦山今后規模生產的依據。

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