【www.zhangdahai.com--其他范文】
梁耀东，高峰，艾浩泉，罗增武，黄世顶
(1.广西高峰矿业有限责任公司， 广西 南丹县 5472051；
2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)
广西高峰矿业有限责任公司（以下简称高峰矿）主要以锡矿开采为主，也包含伴生锌、铅、锑、银及其他可利用矿产资源的综合开采。高峰矿年采选能力为30万t，矿山井下每年产生约10万t的废石。矿山采用的采矿方法为机械化上向水平分层充填法。纵观当前矿山井下充填技术，尾砂与废石依然是矿山充填骨料的主要来源。对于分层充填法开采的矿山，利用尾砂进行胶结充填的工艺和技术已比较成熟，但目前针对矿山废石与全尾砂的充填工艺技术仍然是分而用之[1]。
高峰矿目前采深已达1200 m[2]，如果实现废石不出坑，将大幅降低运输成本和充填成本。对于废石的利用有两种技术思路。一是部分废石在井下转运后充入采空区，然后用质量浓度为63%～68%的全尾砂胶结料浆在废石表面进行淋灌，以提升废石充填体的强度，该工艺简单，操作方便，适用于对二步骤采场充填或空区治理。另外一种思路是在井下将废石破碎至较小粒径的碎石，然后与尾砂、水泥利用充填工业泵进行混合后泵送充填，主要用于构筑底部结构、采场的浇面及对充填强度有较高要求的结构工程。高峰矿目前主要采用第一种方式。
对于第一种充填方式，废石与尾砂胶结混合充填体沉降的问题，相关学者已经开展了大量研究[3-6]。但是由于混合充填料相互作用的关系较为复杂，难以采用数值模拟[7]。因此，为了了解尾砂胶结料浆的流动特征和沉降规律，指导矿山进行充填料浆浇灌，一定程度改善和提高混合充填体的强度，开展了高峰矿废石及尾砂混合充填体的沉降相似模拟试验。
1.1 试验材料与装置
试验材料主要包括废石、尾砂和水泥，废石和尾砂取自高峰矿，水泥为P·O32.5普通硅酸盐水泥。其中废石密度为2.72 g/cm3，孔隙率为29.4%，单轴抗压强度为70 MPa左右；
尾砂密度为3.09 g/cm3，孔隙率为43.06%，可以看出尾砂的孔隙率较大。通过对废石和尾砂的粒径进行分析，发现尾砂主要为小于1000 μm的颗粒，各种粒径分布较为均匀，属于连续级配；
废石最大粒径为10 mm，其中2～4 mm的颗粒占多数。
高峰矿井下矿块结构参数为：长60 m、宽10 m、阶段高50 m。为了反映出采场形状对混合充填体的影响，自行加工试验装置。现根据采场的形状大小参数，按1:100的比例设计试验模型。试验器材主要有铁铲、搅拌棒、钢尺、搅拌桶等。
1.2 试验设计
根据矿山的实际情况，废石先充入采空区，而尾砂胶结料浆集中一次性充填完成，对于废石的充填过程，有单点下料和多点下料的方式。此处试验根据矿山实际情况采用多点下料方式。同样根据矿山实际，配置质量浓度为66%的尾砂料浆，灰砂比均为1:4。
主要试验过程如下所述。
（1）装填废石。首先在模型内装入废石，达到高度要求后将废石表面进行平整，废石充填高度为20 cm。
（2）尾砂胶结料浆淋灌。将配制好的尾砂胶结料浆从废石顶部间隔淋入，在料浆初期流动后达到30 cm高度标记线处为止。
（3）测量点布置。由于壁面效应，充填体不同位置的沉降量是不一样的，为了能较好地反映室充填体的沉降量，在充填体表面按照一定的顺序布置测量点，通过对测量点的观测，来获得充填体不同位置的沉降量，测量点布置情况如图1所示，一共有3行（A行、B行、C行），每行7个测点。（4）观测时间确定。为了能反映混合充填体随时间变化的沉降情况，设定的测量时间分别为1 h、6 h、24 h、48 h、72 h。
图1 测量点布置
2.1 充填料浆随时间的沉降特征
胶结尾砂料浆充入空区与废石混合时，在水力和重力作用下，胶结尾砂料浆在与废石的接触过程中，不断受到废石的剪切作用并进入废石表层或接触层孔隙之中，包裹住大颗粒废石散体，废石与尾砂胶结料浆紧密结合，形成混合充填体。
不同时间各监测点的平均沉降量和总沉降量见表1，混合充填体沉降曲线如图2所示。
表1 不同时间各监测点的平均沉降量和总沉降量
2.2 试验结果分析
根据表1和图2、图3可知，每行的首尾部沉降量较小，中部沉降量较大；
靠近模型壁的位置沉降量较小，远离模型壁的位置沉降量较大。通过对比A行、B行和C行的沉降量，可以发现A行和C行的最终沉降量大致相同，B行的沉降量最大，这是由于料浆和模型在接触面上产生黏滞作用，导致充填体的沉降量较小，这就能解释为什么矿山中围岩与充填体的接触面上的沉降量要比其他位置小。在矿山实际的尾砂胶结料浆充填工作中，当靠近围岩和矿柱的位置时，可以适当增加灌浆的时间；
当位于充填区中部的地方时，可以适当减少灌浆的时间，这样可以保证充填体各位置的沉降趋于一致性，提高充填效果和充填体的整体强度。
图2 混合充填体沉降曲线
图3 混合充填体沉降过程
根据总平面不同时间的平均沉降量，拟合出平均沉降量随时间变化的关系。
式中，y为充填体的沉降量，cm；
x为充填体的沉降时间，h。
由图4可知，尾砂胶结料浆灌浆后，混合充填体的沉降量在初期较大，前5 h内的沉降呈指数增加，10 h后趋于一个稳定值，即充填体沉降量基本保持不变，尾砂料浆与废石混合充填体基本固结，在下部废石的上面形成一个胶结覆盖层。
图4 混合充填体沉降量随时间的变化曲线
（1）充填体平均沉降量和时间的关系曲线拟合结果表明，充填体沉降量与时间呈指数关系。即废石表面淋灌尾砂料浆形成混合充填体的初期沉降量迅速增加，混合充填体在10 h后基本固结并保持稳定。
（2）模型中间混合充填体的沉降量大于四周，呈现出壁面效应。因此，在矿山实际采用废石表面直接淋灌时，靠近围岩和矿柱的位置，可以适当增加灌浆的时间；
位于充填区中部的地方，可以适当减少灌浆的时间，这样可以保证充填体各个位置的沉降趋于一致性，增强充填的效果，提高充填体的整体强度。
