焦家金矿尾砂固结充填体自立性能研究.pdf

30采 矿 工 程 黄金 GOLD 2011 年第 2 期/第 32 卷 焦家金矿尾砂固结充填体自立性能研究 收稿日期 2010 －12 －24 作者简介 赵传卿 1969 ， 男， 山东临朐人， 北京科技大学土木与环境工程学院力学科研流动站博士后， 主要从事采矿技术及矿业经济研究; 北 京市朝阳区东四环中路 39 号， 华业国际中心 A 座 10 层， 中植企业集团公司投资银行九部， 100025 赵传卿1， 徐建民2， 林建华1 1． 北京科技大学; 2． 北京康迪建设监理咨询有限公司 摘要 充填体强度是应用充填采矿法矿山安全回采的重要参数之一。介绍了充填体自立的条 件， 并以焦家金矿尾砂固结充填体为例， 对充填体的自立强度影响因素进行了分析， 提出了充填体 自立对浆体浓度及配比的要求， 得出的充填体强度大于 2． 0 MPa 才能揭露充填体保证安全生产的 结论， 给矿山的安全生产提供了理论依据。 关键词尾砂; 充填体强度; 自立; 安全回采 中图分类号 TD 853． 34 3 文献标志码 B文章编号 1001 －1277 2011 02 －0030 －03 充填体被充填到地下采场， 随着地压变化， 必然 要受到挤压， 因此充填体是否具有比较好的自立性关 系到井下采场的安全， 探索在什么条件下充填体能满 足井下采场安全生产要求是研究充填体性能的重要 方面。虽然尾砂充填体的压缩特性比较好， 表现出比 较好的弹塑性特征， 但考虑到井下大面积充填体暴 露， 很容易出现充填体垮塌的问题， 因此非常有必要 研究充填体自立问题， 即在一定的地压情况下， 暴露 的充填体安全性应该如何衡量。本文以山东黄金矿 业 莱州 有限公司焦家金矿 简称焦家金矿 井下充 填及尾砂固结充填材料为研究对象， 进行了充填体自 立性能的探讨。 1充填体自立的条件 充填体要保持自立， 必须满足两个方面的要求 强度条件和抗冲击条件。首先， 充填体只有达到一定 的强度后， 方可保持直立， 不会出现垮落; 其次， 当充 填体受到冲击后， 必须具有足够的抗冲击能力， 才不 至于被冲垮。充填体要保持自立， 就必须保证其不发 生垮落破坏， 据 Smith 模型结果表明， 充填体发生垮 落 破 坏 的 主 要 原 因 就 是 充 填 体 内 部 发 生 剪 切 滑移 ［1 －3 ］。 强度条件 当充填体作为自立性人工矿柱时， 可 将充填体的高度和强度视为一对主要矛盾， 但其强度 并不是像液体那样， 简单的等于高度与容重的乘积。 1979 年 Thomas 等提出应考虑胶结充填体与围 岩壁间的摩擦力所产生的成拱作用。因此， 提出了下 述 Thomas 模型 ［4 －5 ］。 σv γh 1 h/b 1 式中 σv 作用在充填体底部的垂直应力 Pa ; γ 胶结充填体容重 kN/m3 ; h 充填体高度 m ; b 充填体宽度 m 。 该模型考虑了充填体的几何尺寸和充填体的容 重， 而没有考虑充填体自身的强度特性， 所以， 卢平于 1987 年提出下述修正模型 σv γh 1 － k tanα 2hC1 bC sinα 2 式中 k 侧压系数， k 1 － sinφ1 ， φ 1为充填体与围 岩的摩擦角 ; α 充填体摩擦角， α 45 φ 2 ， φ 为充填体的 内摩擦角 ; C1 充填体与围岩的黏结强度 Pa ; C 充填体的黏结强度 Pa 。 该模型是水泥胶结充填体力学特性研究的成果。 对水泥胶结充填体有较好的适用性， 该模型没有考虑 充填体暴露长度对强度的影响。 中国矿业大学高水材料研究所杨宝贵博士根据 剪切滑移的思想， 提出了修订模型， 进一步考虑了充 填体自身的重力、 在滑动面上阻止充填体下滑的抗剪 阻力、 充填体两侧受到围岩或其他充填体的作用， 称 为高水模型 ［6 －7 ］ σv＞ 1 100hjγ sinα － C cosα － 2 L hjC1 tanφ 1 L hjk tanφ1 3 式中 hj 校正高度 m ， hj h － b tanα 2 ; h 充填体高度 m ; 2011 年第 2 期/第 32 卷 采 矿 工 程31 b 充填体宽度 m ; α 充填体摩擦角 ; γ 充填体容重 kN/m3 ; L 充填体长度 m 。 其他参数和卢平公式 2 一样。 式 3 说明充填体保持自立、 不发生垮落所要求 的强度， 不仅与充填体的高度和容重有关， 而且与其 外形的长度和宽度也有关， 同时与充填体自身的强度 特性和围岩对充填体所起的作用密切相关。 从全面和实用性上看， 式 3 更符合现场实际情 况， 因此， 相关分析主要依据式 3 来进行。 2焦家金矿尾砂固结充填体自立性能 2． 1充填体自立强度影响因素分析 从式 3 可以看出， 充填体自立主要受到充填体 的内摩擦角、 充填体高度、 充填体长度、 充填体宽度 影响。 充填体的内摩擦角与所需强度之间的关系曲线 见图 1。由图 1 可知 在其他条件相同的情况下， 充 填体的内摩擦角越小， 所需的强度就越高。但该曲线 是上凸的， 在曲线的前半段， 角度在 5 ～40变化时， 所需强度的变化范围较小。可见， 尽管尾砂固结充填 体的内摩擦角较小， 给其自立产生了不利的影响， 但 这种影响较小; 从另一方面讲， 其内摩擦角小， 抗冲击 能力却较高， 对充填体的自立又是十分有利的。 图 1充填体的内摩擦角与所需强度的关系 充填体高度与所需自立强度的关系曲线见图 2。 由图 2 可知， 充填体的要求强度随着高度的增加而增 加。在开始阶段增幅较大， 到后来曲线渐趋平缓。所 以， 随着高度的增加， 充填体所需的强度并不像想象 的那样呈近似直线上升， 因为此时充填体两端的围岩 或充填体对该充填体的成拱作用越来越大， 从而减小 了充填体底部的应力。这一点与水泥胶结充填体类 似， 两者强度曲线变化规律相近。 图 2充填体的高度与所需强度的关系曲线 无论是在 Thomas 模型， 还是在卢平修正模型中， 均未考虑充填体暴露长度对其强度的要求， 而长度对 充填体强度的影响是客观存在的。充填体长度与所 要求的强度之间的关系见图 3， 图 3 反映了随着充填 体长度的增加， 所要求的强度越来越高， 使其变化比 较均匀， 与高度和强度的变化关系有所不同， 这是因 为， 随着长度的增加， 围岩或其他充填体对该充填体 的作用在相对削弱， 充填体要保持自立， 只有通过提 高自身强度来达到目的。但充填体所需的强度与长 度的关系不是无限度的， 当充填体长度达到足够长 时， 强度与长度就不存在图 3 中这样的关系了。所以 这里充填体的长度仅仅局限于焦家金矿的采场长度 一般在 100 m 以内 。前面提过 ， “高水模型” 是以 焦家金矿的主矿体采场作为研究对象的。 图 3充填体长度与所需强度的关系曲线 充填体的宽度对于充填体所要求强度的影响见 图 4， 在其他条件相同的情况下， 随着充填体宽度的 增加， 充填体所需要的强度呈明显的下降趋势。由于 充填体宽度的增加， 围岩或其他充填体对该充填体的 作用也随着增加， 使得充填体内部的应力减小， 因而 所需要的强度也就大大降低。可见， 增加充填体的宽 度， 对充填体自立时的稳定性是很有利的。 32采 矿 工 程黄金 图 4充填体宽度与所需强度的关系曲线 2． 2充填体自立对浆体浓度及配比的要求 焦家金矿采场沿矿体走向布置， 采场宽度为矿体 水平厚度， 采场长度 30 ～90 m， 中段高度 40 m， 分段 高度 10 m 左右。采场或预留 7 ～10 m 高的底柱， 或 采用无底柱回采， 第一分层施工钢筋混凝土假底或充 填高配比的胶结尾砂浇底。采场分层高度 3 ～ 3． 5 m， 进路宽度 3 ～4 m。 从自立的影响因素可以看出， 在充填体尾砂胶结 剂含量 5 ～12 ， 其内摩擦角约为 5 ～ 20， 要求 的充填体强度为 0． 448 ～ 0． 458 MPa; 从现场的进路 高度可以看出， 充填体的分层高度仅为 3 ～3． 5 m， 对 充填体的自立强度要求非常小; 在充填体长度为30 ～ 90 m 时， 要求充填体的强度为 0． 26 ～ 0． 56 MPa; 3 ～ 4 m充填体宽度， 要求充填体的强度接近 2． 0 MPa。 综合各影响因素可以得出 充填体的强度至少不能小 于 2． 0 MPa。经过多次试验得知， 不同浓度及尾砂胶 结剂含量充填体强度在大于 2． 0 MPa 的情况见图 5。 从焦家金矿现场应用情况来看， 料浆浓度一般不 会低于 65 ， 只要尾砂胶结剂含量在图 5 所示线以 上， 充填体养护时间超过对应的养护龄期 3 d、 7 d、 28 d 后都可以对充填体进行揭露， 这时充填体就不 会垮塌。而且从强度特性方面也可以看出， 在60 图5尾砂固结充填体强度与料浆浓度及胶结剂含量区域图 浓度以上， 只要尾砂胶结剂含量在 10 以上， 8 h充 填体强度就可以达到自立强度要求。现场应用中可 根据实际情况合理选择充填料浆浓度及尾砂胶结剂 含量。 3结论 综上所述， 焦家金矿充填体的强度只有达到 2． 0 MPa以上才可以揭露充填体， 即要根据揭露时间 间隔合理选择料浆浓度及尾砂胶结剂含量才能确保 生产安全。 ［ 参 考 文 献］ ［ 1］刘同有． 充填采矿技术与应用［M］ ． 北京 冶金工业出版 社， 2001． ［ 2］孙恒虎． 当代胶结充填技术［ M］． 北京 冶金工业出版社， 2002． ［ 3］杨鹏， 蔡嗣经． 现代采矿科技论文集［C］． 北京 冶金工业出版 社， 1998． ［ 4］孙恒虎， 刘文永， 杨宝贵， 等． 高水固结充填技术的应用研究与 进展［ C］ ∥第六届全国采矿学术会议论文集． 北京 中国矿 业 杂志社， 1999 373 －378． ［ 5］孙恒虎， 刘文永， 黄玉诚． 高水固结充填采矿［M］ ． 北京 机械工 业出版社， 1998． ［ 6］杨宝贵． 高水固结充填体的力学特性及其应用［D］． 北京 中国 矿业大学 北京校区 ， 1998． ［ 7］李冬青． 我国金属矿山充填技术的研究与应用［J］ ． 采矿技术， 2001 6 16 －19． Research on the self stability perance of tailings cemented backfill in Jiaojia gold mine Zhao Chuanqing1，Xu Jianmin2，Lin Jianhua1 1． University of Science and Technology Beijing; 2． Beijing Kangdi Construction Supervision and Consultant Co． ， Ltd． Abstract Strength of backfill is an important parameter in the backfilling mining ． The paper introduces the self- stable conditions of backfill． With tailings cemented backfill in Jiaojia gold mine as example，analysis is car- ried out on the influencing factors of self- stable strength． The requirements of slurry concentration and proportion are determined． Meanwhile，the strength of backfill should be larger than 2． 0 MPa． The research provides theoretical ref- erences for mining production safety． Keywords ailings;backfill strength;self stability;safety mining 编辑 邢万芳