废石尾砂二步骤浇筑充填实践

废石尾砂二步骤无胶结浇注充填技术实践摘要:本文室内和现场的废石尾砂二步骤浇注充填试验，对空区废石充填体的形成过程、废石充填体的孔隙率、尾砂浇注充填量与废石充填孔隙率的关系等进行了探讨。关键词：废石充填尾砂浇注充填废石孔隙率自20世纪50年代我国就已采用废石干式充填，将在矿山生产实践中会产生大量的掘进废石回填至采空区既减小了运输、提升压力又改善了地表环境。进入80年代，分级尾砂充填工艺与技术兴起并在安庆铜矿、张马屯铁矿、招远金矿等矿山得到推广和应用1。废石充填能够提高充填体强度降低充填成本，水砂管道充填便于实现远距离输送，具有充填效率高、充填能力大、成本低的优点。因此开展废石尾砂二步骤无胶结浇注充填技术研究，使废石干式充填和水砂充填相结合，对矿山生产具有实际指导意义。1废石尾砂浇注充填室内研究为模拟废石尾砂二步骤充填现场实际情况，利用自制试验设备进行了室内试验。具体试验步骤为：第一步，取块度最大直径≤10cm的某金矿现场废石，将现场取样的废石自然放置于钢化玻璃制成的充填模拟装置中，如图1所示。其中废石填放高度1.5m，装置底面规格0.6m×0.6m，填放废石总质量986kg，由此可知废石自然松散密度为1.83×103kg/m³。图1填放废石后的试验模拟装置图2废石尾砂二步骤浇筑试验第二步，将取自某金矿充填用分级尾砂配置成质量浓度为65%的尾砂料浆，将尾砂料浆搅拌均匀后浇注到废石容器中，观察料浆浇注过程及结果，如图2所示。经过测试可知某金矿充填用分级尾砂的松散密度2为1.44×10³kg/m³。经过室内试验发现：（1）废石自然形成的堆积体存在大量空隙；（2）尾砂充填料浆浇注废石过程中，料浆渗透顺畅且沿试验装置底部预留的孔洞大量渗出；（3）充填料浆最终会在废石表面形成堆积。2矿山废石充填试验测试矿山废石充填不仅能够处理掘进产生的废石，而且能充填空区为采矿生产服务因此大部分矿山都将掘进产生废石充填于采空区。废石充填流程包括：掘进废石→铲车将毛石装入坑内卡车→运至待充采场→充填。2.1废石充填的采掘平衡问题掘进废石原始体积和爆破后碎胀体积存在差别，常用岩石的碎胀系数来衡量，即用岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，即。表1常见岩石碎胀系数参照表岩石类型砂粘土碎煤粘土页岩砂质页岩硬砂岩碎胀系数1.06-1.15＜1.2＜1.21.41.6-1.81.5-1.8为保证废石不出坑，掘进废石量与采场充填空间需要满足。掌握矿山岩石的碎胀系数，对于掘进废石量与采场充填量的协调平衡、减少废石提升量、保护地表环境等具有重要意义。2.2废石充填体形成过程废石充入空区形成废石充填体经历了快速压实、缓慢压实和稳定压固三个阶段3。快速压实阶段：充入空区的废石最初处于相对松散状态，主要发生碎石接触状态的调整和碎石间空隙的快速闭合，此时废石充填体的抗变形能力较低。随着采矿生产的进行，碎石旋转移动、废石间空隙逐渐充填、碎石棱角逐步咬合形成比较紧凑的骨架。缓慢压实阶段：较大岩块经历前期的压实调整形成稳定骨架，抗变形能力逐渐增强。以不可不可逆压缩变形为主，压实模量逐渐增加，应变速率减缓。稳定压固阶段：废石间空隙逐步充填密实并压实，碎石基本处于均匀受力状态，压实模量与变形速率趋于恒定并最终形成废石充填体。2.3废石充填压实变形监测及沉降率计算某岩金矿山采用机械化上向分层充填采矿法进行采矿生产，基建与生产服务巷道的废石运至采场空区进行充填。为验证废石充填体形成过程中各项指标，进行了如下现场试验。（1）将某基建掘进巷道产生的废石完全掩入固定采场，并测算基建产生废石原先处于整体状态下的废石体积。实际测得掘进巷道体积为1684.9m³。（2）利用GTS-605/AF电子全站仪，基于矿山井下导线网在井下试验采场内均匀布置控制测点测定采场空顶高、废石充填标高与沉缩后废石最终充填标高。采场内测点布设如图1所示，测点数据如表2所示。图1点柱充填法采场废石充填变形监测测点布置图表2采场废石充填变形监测测点数据表测点序号测点标高采场控顶高/m初始高差/m最终高差/m沉降高度/m1-391.7613.871.471.610.142-391.8053.901.561.640.083-391.5093.951.491.590.14-391.7743.891.541.660.125-391.6594.051.581.640.066-391.5893.871.611.630.027-391.6974.211.491.580.098-391.9983.831.521.610.099-391.6573.921.581.640.0610-391.9963.951.521.610.0911-391.6254.031.431.560.1312-391.2013.861.351.530.1813-391.9354.011.351.560.2114-390.9953.851.621.640.0215-391.8593.961.291.580.2916-391.8623.951.541.630.0917-391.7693.851.461.610.1518-391.2053.981.501.610.1119-391.0263.911.591.630.0420-391.9824.061.261.570.31平均值3.9451.48751.60650.119由表2的观测数据发现，掩入采场内的废石经过一段时间的沉缩后最终废石充填体沉降率为4.84%。由GTS-605/AF全站仪测得采场面积为1028.4㎡，最终废石充填体积为2427.2m³。（3）废石充填体中空隙约为，废石充填体的孔隙率为。经过废石充填的现场试验发现：废石充填具有作业流程多、时间长，充填体形成过程中沉缩率较大的特点，并且最终形成的废石充填体会存在一定的空隙率。3分级尾砂浇注废石充填空区3.1水砂充填系统水砂充填系统主要利用管道水力输送充填尾砂料浆至空区，主要有尾砂储存、充填料浆制备、充填料浆输送、计量检测和采场脱水等部分组成。目前，分级尾砂水力输送充填系统以其高效稳定环保的优点广泛应用于地下金属矿山。3.2分级尾砂浇注废石充填试验为使尾砂浇注充填试验保持完整性和连续性，分级尾砂浇注废石充填试验仍借助上述某金矿废石充填空区进行。首先，分级后的粗尾砂采用管道泵送至地表充填站1240m³的立式砂仓备用，某金矿分级尾砂是采用水利旋流器脱去-400目（-34um）的微细粒后的较粗尾砂。其次，进行尾砂充填前应先用水冲洗管路，并检查γ射线浓度计和电磁流量计等检测仪表的准确性。第三，实施尾砂浇注废石充填作业，并每隔20min记录一次充填料浆浓度、流量以及充填开始时间和完成时间等参数。由尾砂充填检测数据可知，尾砂充填料浆平均流量为116m³/h，充填料浆平均质量浓度为64.3％，充填时间10.5h。充填料浆的密度计算公式4为：（1）其中，——充填料浆的平均密度，kg/m³——充填料浆中分级尾砂的质量，kg——分级尾砂的密度，约为2.74×103kg/m³——充填料浆中水的质量，kg——水的密度，约为1×103kg/m³根据式（1）可以计算得出某金矿分级尾砂充填料浆的密度为1.69×103kg/m³。由尾砂充填检测数据可以计算实际充填尾砂的松散体积应为919m³，而废石充填体的空隙体积为742.3m³。经过尾砂浇注废石充填试验可以发现：（1）尾砂充填料浆能够浇注废石充填体的空隙；（2）充填采场底部在下分段有少量尾砂跑出，且废石充填体表面有尾砂堆积使充填表面平整，因此尾砂充填量要略大于废石充填体空隙体积。4小结经过废石尾砂二步骤浇注充填的室内和现场试验可以得到以下经验和教训。（1）室内和现场试验一致标明，实际尾砂充填量要大于废石充填体的空隙体积，因此废石空隙率指标将是指导尾砂充填的最少充填量指标。（2）废石充填变形量大，且充填平整度较差，采用尾砂二步骤浇注充填废石空隙有效改善了废石充填的不利影响。（3）尾砂浇注废石空隙的流动过程较复杂，且尾砂浇注充填时需要对充填区域做好封堵以避免跑砂现象。参考文献1王新民，古德生，张钦礼.深井矿山充填理论与管道输送技术M.湖南长沙：中南大学出版社，2010.2中华人民共和国建设部.土工试验方法标准Z.1999-06-10.3苏承东，顾明，唐旭等.煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究J，岩石力学与工程学报，2012，31(1)：18-25.4肖刚，李树鹏，姜磊等.尹格庄金矿水砂充填采场脱水技术试验J，金属矿山，2013（6）：29-34.