廢石尾砂二步驟無膠結澆注充填技術實踐

胡 龍

(山東省濟寧市國土資源局任城區國土分局)

廢石尾砂二步驟無膠結澆注充填技術實踐

胡 龍

(山東省濟寧市國土資源局任城區國土分局)

采用室內和現場的廢石尾砂二步驟澆注充填試驗，對采空區廢石充填體的形成過程、廢石充填體的孔隙率、尾砂澆注充填量與廢石充填孔隙率的關系等進行了探討。

廢石充填 尾砂澆注充填 廢石孔隙率

我國自20世紀50年代采用廢石干式充填，將礦山生產中產生的大量掘進廢石回填至采空區，既減小了運輸提升壓力，又改善了地表環境。進入80年代，分級尾砂充填工藝興起，在安慶銅礦、張馬屯鐵礦、招遠金礦等礦山得到推廣和應用[1]。

廢石充填能夠提高充填體強度，降低充填成本，水砂管道充填便于實現遠距離輸送，具有充填效率高、充填能力大、成本低的優點。因此開展廢石尾砂二步驟無膠結澆注充填技術研究，將廢石干式充填和水砂充填相結合，對礦山生產具有實際意義。

1 廢石尾砂澆注充填試驗

為模擬廢石尾砂二步驟現場充填情況，利用自制試驗設備進行了室內試驗。

選取塊度最大直徑10 cm以下的某金礦廢石，將其自然放置于鋼化玻璃制成的充填模擬裝置中。廢石填放高度1.5 m，模擬裝置底面規格0.6 m×0.6 m，填放廢石總質量986 kg，由此可知廢石自然松散密度為1.83×103kg/m3。如圖1所示。

圖1 填放廢石的試驗模擬裝置

取某金礦充填用分級尾砂，配置成質量濃度為65%的尾砂料漿，將尾砂料漿攪拌均勻后澆注到廢石容器中，觀察料漿澆注過程及結果，如圖2所示。經過測試可知該金礦充填用分級尾砂的松散密度為1.44×103kg/m3[2]。

圖2 廢石尾砂二步驟澆筑試驗

室內試驗發現：①廢石自然形成的堆積體存在大量空隙；②尾砂充填料漿澆注廢石過程中，料漿滲透順暢且沿試驗裝置底部預留的孔洞大量滲出；③充填料漿最終會在廢石表面形成堆積。

2 礦山廢石充填試驗測試

2.1 廢石充填的采掘平衡

掘進廢石原始體積和爆破后碎脹體積存在差別，常用巖石的碎脹系數KP來衡量，即巖石破碎后松散體積V2與破碎前整體體積V1之比，KP=V2/V1.常見巖石碎脹系數見表1。

表1 常見巖石碎脹系數

掌握了礦山巖石的碎脹系數，對于協調掘進廢石量與采場充填量的平衡、減少廢石提升量、保護地表環境等具有指導作用。

2.2 廢石充填體形成過程

廢石充填體充入空區，經歷了快速壓實、緩慢壓實和穩定壓固3個階段[3]。

(1)快速壓實階段。充入空區的廢石最初處于相對松散狀態，主要發生碎石接觸狀態的調整和碎石間空隙的快速閉合，此時廢石充填體的抗變形能力較低。隨著充填的進行，碎石旋轉移動、廢石間空隙逐漸充填、碎石棱角逐步咬合，形成比較緊湊的骨架。

(2)緩慢壓實階段。較大巖塊經歷前期的壓實調整形成穩定骨架，抗變形能力逐漸增強。以不可逆壓縮變形為主，壓實模量逐漸增加，應變速率減緩。

(3)穩定壓固階段。廢石間空隙逐步充填密實并壓實，碎石基本處于均勻受力狀態，壓實模量與變形速率趨于恒定并最終形成廢石充填體。

2.3 廢石充填壓實變形監測及沉降率計算

某巖金礦山采用機械化上向分層充填采礦法，基建與生產服務巷道的廢石運至采場空區進行充填。為驗證廢石充填體形成過程中的各項指標，進行了現場充填試驗。

將某基建掘進巷道產生的廢石完全放入固定采場，并測算基建廢石原整體狀態下的廢石體積，測得掘進巷道體積V1為1 684.9 m3。

利用GTS-605/AF電子全站儀，在井下試驗采場內均勻布置控制測點,基于礦山井下導線網測定采場空頂高、廢石充填標高與沉縮后廢石最終充填標高。采場內測點布設如圖3所示，測點數據如表2所示。

圖3 點柱充填法采場廢石充填變形監測測點布置

由表2的觀測數據發現，采場內的廢石經過一段時間的沉縮后,最終廢石充填體沉降率為4.84%。由GTS-605/AF全站儀測得采場面積為1 028.4 m2，最終廢石充填體積V2為2 427.2 m3。

廢石充填現場試驗發現：廢石充填具有作業流程多、時間長，充填體形成過程中沉縮率較大的特點，并且最終形成的廢石充填體存在一定的空隙率。廢石充填體中空隙為V2-V1=742.3 m3，廢石充填體孔隙率n=(V2-V1)/V2=30.6%。

3 分級尾砂澆注廢石充填空區

利用管道水力輸送充填尾砂料漿至空區，主要有尾砂儲存、充填料漿制備、充填料漿輸送、計量檢測和采場脫水等部分組成。

表2 采場廢石充填變形監測測點數據 m

測點序號測點標高采場控頂高初始高差最終高差沉降高度1-391.7613.871.471.610.142-391.8053.901.561.640.083-391.5093.951.491.590.14-391.7743.891.541.660.125-391.6594.051.581.640.066-391.5893.871.611.630.027-391.6974.211.491.580.098-391.9983.831.521.610.099-391.6573.921.581.640.0610-391.9963.951.521.610.0911-391.6254.031.431.560.1312-391.2013.861.351.530.1813-391.9354.011.351.560.2114-390.9953.851.621.640.0215-391.8593.961.291.580.2916-391.8623.951.541.630.0917-391.7693.851.461.610.1518-391.2053.981.501.610.1119-391.0263.911.591.630.0420-391.9824.061.261.570.31平均值3.9451.48751.60650.119

用水力旋流器脫去-400目(-34μm)的微細粒后的較粗尾砂，采用管道泵送至地表充填站1 240m3的立式砂倉備用。

尾砂充填前先沖洗管路，并檢查γ射線濃度計和電磁流量計等檢測儀表的準確性。尾砂澆注廢石充填作業中，每隔20min記錄一次充填料漿濃度、流量以及充填開始時間和完成時間等參數。

由尾砂充填檢測數據可知，尾砂充填料漿平均流量為116m3/h，充填料漿平均質量濃度為64.3%，充填時間10.5h，充填料漿密度為[4]

(1)

式中，ρ為充填料漿的平均密度，kg/m3;m1為充填料漿中分級尾砂的質量，kg;ρ1為分級尾砂密度，2.74×103kg/m3;m2為充填料漿中水的質量，kg;ρ2為水密度，1×103kg/m3。

根據式(1)計算，該金礦分級尾砂充填料漿密度為1.69×103kg/m3。由尾砂充填檢測數據計算實際充填尾砂的松散體積為919 m3，而廢石充填體體積為742.3 m3。經過尾砂澆注廢石充填試驗可以發現：①尾砂充填料漿能夠澆注廢石充填體的空隙；②充填采場底部在下分段有少量尾砂跑出，且廢石充填體表面有尾砂堆積使充填表面平整，因此尾砂充填量要略大于廢石充填體空隙體積。

4 結 語

(1)室內和現場試驗標明，實際尾砂充填量要大于廢石充填體體積，廢石空隙率指標將是指導尾砂充填的最少充填量指標。

(2)廢石充填體變形量大，且充填平整度較差，采用尾砂二步驟澆注充填廢石空隙，可有效改善廢石充填的不利影響。

(3)尾砂澆注廢石空隙的流動時，需要對充填區域做好封堵，避免跑砂。

[1] 王新民，古德生，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術[M].長沙：中南大學出版社，2010.

[2] 中華人民共和國建設部.GB/ST 50123—1999 土工試驗方法標準[S].北京：中國標準出版社，1999.

[3] 蘇承東，顧 明，唐 旭,等.煤層頂板破碎巖石壓實特征的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(1)：18-25.

[4] 肖 剛，李樹鵬，姜 磊,等.尹格莊金礦水砂充填采場脫水技術試驗[J].金屬礦山，2013(6)：29-34.

2015-02-13)

胡 龍(1983—)，女，工程師，碩士，272300 山東省濟寧市中區供銷路北首2號。