废石胶结充填体强度特性及其应用研究

【摘要】本文以废石胶结充填技术重要性的介绍开始，然后对充填体稳定性的控制因素做了进一步的分析，最后通过实际情况对废石胶结充填体的应用进行了探讨。

【关键词】废石胶结充填体，强度特性，应用

中图分类号：O346文献标识码： A

一、前言

废石胶结充填技术是采矿工程中的一个重要组成部分，在采矿工作中加强对废石胶结充填体强度的重视，不断分析废石胶结充填体的应用，可以保障采矿工程的质量。

二、废石胶结充填技术的重要性

近几十年来，充填采矿法以其技术优势在世界范围内得到了广泛的使用。这一方面主要是由于地下开采深度逐步增加，维护矿山和采场稳定性的需要，另一方面是提高资源回收率和环境保护的需要。其中废石胶结充填技术以它可以处理消纳井下矿坑废石，且无污染，进一步实现废石不出坑胶结充填的技术优势而备受关注。废石尾砂胶结充填技术的应用为世界无废采矿技术发展起到良好的推动作用。不仅能够节约成本，有效处理废石和尾砂，而且能更好的促进矿山开采安全、高效，有利于矿山开采工程的可持续发展。为了降低充填成本，国内外许多矿山尝试采用新型胶结材料和新的充填工艺，以提高充填体强度。澳大利亚芒特艾萨矿曾做过系列试验，用水泥和尾砂混合制成试块，改变炉渣与尾砂的质量比例，进行强度性能测试，试验结果表明:当水泥用量为8%(重量含量)，添加水淬炉渣作辅助胶结剂，其效果比不添加炉渣好，而且试块强度随着炉渣添加量的增加而增高。此外，当水泥用量相同时，炼铅炉渣的胶结效果比炼铜炉渣胶结效果好。

三、充填体稳定性的控制因素

1、影响充填体强度的因素分析

对于充填法采矿，充填体强度直接影响围岩和充填体的稳定性，涉及采场布置形式、结构参数、位置、充填间隔时间和顺序并影响采场的应力变化过程。显然，充填体强度与水泥、骨料和水的配比以及养护时间密切相关。对于同一时间的充填体，灰砂比越大，其弹性模量和抗压强度就越大，采矿成本也就越高。如何减少水泥用量，降低采矿成本，不仅需要对不同配比的充填体力学与变形性质要有准确的认识，更重要的还在于充分研究和分析充填体的充填作用机理，在此基础上，对充填料配比进行优化。胶结充填体的静、动态力学参数，包括抗拉强度、抗压强度、抗剪切强度、弹性摸量、泊松比和内摩擦角等，对围岩和充填体的稳定性分析极为重要。

2、充填体稳定性分析

通过分析胶结充填体应力一应变曲线，表明胶结充填体具有独特的塑性变形的残余强度的支护特性。因为充填体固结后，其内部留有较多的孔隙。在外载荷作用下，固体颗粒相互压缩，使孔隙闭合，压缩密实，继而进入弹性变形和塑性变形阶段。当外载荷继续增加时，充填体则只在外部产生塑性破坏，出现较大的位移，其内部仍保持弹性变形，呈现出明显的残余强度。填体本身承力十分有限，但充填改善了矿柱的受力条件，使矿柱上承受的应力逐步向两旁围岩转移，保证采矿作业的安全。当充填体弹模增大时，充填体内承受力增大，但对充分发挥围岩的支撑作用极为不利。故在设计充填体强度时，应尽量发挥围岩的作用，降低水泥消耗，以降低充填成本。

四、废石胶结充填体的应用

1、充填材料

废石集料是胶结充填的主要造成部分。为了获得最好的力学性能指标，要求废石集料的不同粒级能相互填充，即小粒径级的集料刚好能填充大粒径级的集料的孔隙。但因充填体集料消耗量大，受成本因素制约，一般是就地取材，充分利用矿山掘进废石或露天矿剥离废石和天然集料。

2、废石料制备

井下掘进废石一般不需要加工，可以直接取用。国内的丰山铜矿、金川镍矿和凡口铅锌矿均直接采用井下掘进废石作为充填集料。如采用露天剥离废石作为充填集料，往往需要进行破碎。废石制备站主要包括废石装运、废石料仓和破碎工艺。

3、水泥浆制备

水泥浆制备主要有水泥仓、搅拌桶、稳压水池和输浆管组成。散装水泥一般要求配备破拱架，并在散装水泥仓出口安装给料机，给料机通过软袋管与高效搅拌桶相连接。水泥浆的浓度以满足充填料的混合要求为原则，其搅拌工艺用满足水泥浆制备工程中不发生沉淀。根据规模不同，水泥浆的制备可以采用间断方式或连续方式。当充填规模不大时，一般采用间断废石制浆，其工艺和系统较简单，可靠性高。充填规模较大时，要求采用连续方式制浆。在实际固井水泥浆顶替过程中,往往由于水泥浆较粘稠,或受套管居中度、地层承压能力和环空间隙等因素的影响,所以当达到允许最高的壁面剪切应力时也难以达到紊流顶替。分析了水泥浆在层流顶替状态、壁面剪切应力不变的情况下,流变参数值对水泥浆在管内的流速分布参数影响的规律,从而有利于确定能提高水泥浆层流下顶替效率的流变参数。

3、充填输送工艺

废石胶结充填料的输送一直是制约传统充填工艺的主要环节。新工艺通过分流输送彻底解决了这一难题。其中胶结充填料浆体可通过管道输送到任何采场，而废石散体则可采用多种输送方式，如井下采用矿用汽车或铲运机。分流输送工艺对充填料的输送特性没有特殊要求。因而，分流输送的意义不仅仅在于解决了充填料的输送问题，而且为实现最佳用水量配合和简化物料的配合要求奠定了工艺基础。大中型矿山掘进废石不出坑时，掘进废石可通过井下矿用汽车或无轨车运输，分送到充填料混合点与水泥浆混合，再由铲运机或其它方式运送到采空区充填。掘进废石不出坑的充填工艺需要解决充填料的缓存及废石的产出与充填的平衡问题。废石在井下直接利用，可以降低废石的提升成本，并且在地表不建设废石场，是一种井下掘进废石短流程充填工艺。随着无废矿山的逐步推广，这种短流程将是一种具有发展前景的充填工艺。

4、充填料自淋混合

废石集料与胶凝材料的混合是胶结充填必不可少的一道工序，是废石胶结充填料制备的核心工艺。也是决定能否大规模降低成本地应用废石胶结充填工艺的关键因素。通过试验和研究发现，采用自淋混合方式可以满足采矿工艺的要求。这一混合方式不需要任何混合设备，具有工艺简单、技术可靠和能耗低等优点。而且大幅度降低了制造成本，可实现大规模连续充填。如丰山铜矿采用水泥浆自淋混合工艺，铜坑锡矿采用废石和砂浆同时向采场下淋的混合工艺，均取得了很好的效果。

5、采场充填

（一）、充填体隔墙

采空区充填之前均需在出矿水平构筑隔墙，以防止充填料外泄。废石胶结充填混合料的浓度高，废石所占比例高，因而比纯砂浆充填时构筑隔墙简单。一般可以采用砖料砌筑或散体料堆筑，当然也可以采用木料构筑。

（二）、充填方式

阶段采场进行充填时，从采场上部开掘采场充填井，将充填水平与采空区连通。充填料的充入方式则取决与充填井的倾角，有垂直充填井和斜充填井两张充填方式。采用垂直充填井时，充填料垂直落入采空区，浆料与废石料分布均匀，不会在充填料下落到采空区的工程中造成很明显的充填料分级。当采用斜充填井时，充填井的倾角一般大于55度，尤其要考虑到由于斜井的抛物作用二造成的粗细物料的分级效应。

（三）、充填接顶

阶段采场的充填接顶量较小，接顶次数也较少。当矿山建设有砂浆充填系统时一般可采用砂浆进行充填接顶。当采用废石水泥浆充填工艺时，若采用水泥砂浆充填接顶，则需要建设一套砂浆充填系统。因此，一般不采用砂浆接顶方式，而往往采用无轨铲运机或无轨推卸式铲运机进行接顶。由于进路结束后进行接顶充填，而薄矿脉受构造等影响较大，使地质资料与现场情况很难一致，生产的盲目性较大，对于极富的薄矿脉，无法正常回采，带来工艺上的贫化，虽采取了一些措施（诸如：手选、矿毛分出等），但收效甚微，导致资源利用率低，出矿质量差，经济效益低。在分层进路采矿法的基础上，对独条极薄矿体的回采工艺按削壁充填采矿法进行改造，独条极薄矿体的回采分三步来进行：掘采―压顶―二次压顶。

6、充填体质量保证措施

为了获得满意的废石胶结充填体质量，要求对每道工序严格把关。在工业应用中累积的保障措施值得重视：选用含泥量低的废石原料；控制充填混合料的含水率，根据废石集料的含水率大小来调节水泥浆的实际浓度，使充填混合料的含水率满足设计要求，工业生产期间每个季度取样检测废石料级配，每个工作班进行废石集料的含水率测定，每半个小时进行一次水泥浆浓度检测。当取样检验结果与规定指标不符合时及时调整有关参数。定期测定充填混合料试块的单轴抗压强度，发现不符合设计要求时，及时分析原因。解决全尾砂胶结充填存在的问题关键是固化材料。英国率先研制出一种高水固化材料,但仅能应用于煤矿的无骨料充填。中国矿业大学北京研究生院的孙恒虎教授于1989年研制成功了高水速凝固化新材料,这种材料可以替代水泥,不仅能应用于煤矿的无骨料充填,也应用于金属矿山的全尾砂胶结充填,使金属矿山胶结充填工艺中长期所存在的一系列难题得到解决,高水速凝固化充填材料已成为较好、实用、可推广应用的一种新材料。

五、结束语

综上所述，加强对废石胶结充填体强度特性的剖析，能够对废石胶结充填体的应用进行把握，进而能够提出一强度控制的对策，如此方可在实际的工程中对稳定性进行掌控，提高废石胶结充填体的应用水平。

参考文献

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[4]孙恒虎、刘文永等著.高水固结充填采矿[M].北京:机械工业出版社，2010