高水固结尾砂充填采矿充填体合理配比的研究.docx

高水固结尾砂充填采矿充填体合理配比的研究杨本生(河北煤炭建筑工程学院)刘华生(北京科技大学)【摘要】高水固结尾砂充填采矿是一种新型充填采矿法。试验测定了高水固结尾砂充填体的强度和变形特征;研究分析了影响充填体强度的主要因素、高水充填工艺的特殊要求,以及上向、下向进路开采对充填体强度和稳定性的要求;提出了满足支护强度、工艺及经济需求的充填材料的合理配比范围。关键词高水固结尾砂充填体充填体强度充填材料合理配比高水速凝材料是以铝钒土、石膏为主料,配以多种无机原料和外加剂,仿水泥生产工艺制成的甲、乙两种固体粉料,相对密度为310。甲料松散密度1125t/m3,乙料松散密度110t/m3。某金矿尾砂相对密度为215～2.6,松散密度115～1.6t/m3,自然状态下孔隙率为38%～43%。尾砂粒级组成:最大粒径019mm,平均粒径0115mm,小于0128mm粒径的占9318%。主要成分为SiO2、Al2O3、CaO,水为矿井地下水。1引言高水固结尾砂充填采矿是近几年发展起来的一种新型充填采矿方法。该方法采用高水速凝材料作为胶结剂,以尾砂等固体物料作充填骨料,与水共同凝结成固体充填采空区。高水速凝固结材料是一种新型工程材料。其主要特性:高水(体积含水率可达87%～90%,质量水固比大于215∶1),速凝,早强,后期强度稳定,强度再生,良好的悬浮性和输送性,无毒无腐蚀性等。这种材料已成功地应用于煤矿巷道支护和金属矿充填采矿等领域,取得了较好的经济效益和社会效益,并具有重大的推广应用价值。高水固结尾砂充填体是由高水材料、尾砂和水按一定的配比,经搅拌混合制成的甲、乙浆体,通过管路输送到采空区,经混合、凝结、硬化而形成固化体。充填体的物理力学特性随尾砂浆浓度和高水材料的掺加量的变化而改变。其选择的合理配比必须满足下列条件:(1)满足充填采场支护和安全要求;(2)满足高水充填工艺的特殊要求;(3)成本经济合理。3高水充填体力学性能试验311单轴强度试验试验用某金矿尾砂,尾砂浓度45%～70%;高水材料浓度7%～16%。试验最终强度为7d龄期强度。表1仅为尾砂浓度60%、65%充填体的试验结果。试验表明,高水硬化体具有弹塑性变形特征,变形经历固化体压实上凹阶段—弹性变形直线阶段—变形曲线下凹屈服阶段。当应力到达峰值后出现屈服平台,并不发生脆性破坏,仍具有较高的残余强度和塑性变形能力。312三轴试验对尾砂浓度为65%的充填体进行三轴应力2应变试验。试验典型变形曲线见图1。试验结果表明:(1)三轴抗压强度σ1与围充填材料的物理特性及化学组成2收稿日期1996210222杨本生河北省邯郸市河北煤炭建筑工程学院资源系056038岩压力σσσσ3呈近似线性关系,=m3+c。式1中m为常数;σc为单轴抗压强度。(2)三第18卷1997年第4期·15·表1高水固结尾砂充填体单轴强度试验单轴抗压强度(MPa)胶结剂单耗(kg/m3)胶结剂费用(元/m3)序号尾砂浆浓度(%)胶结剂浓度(%)8h1d3d7d015801961108115119014201841106115111116811921531201821151196216411341178211221843148112211921523182115119214631031681152108217311651574821596100581568157715861512345678960606060606565656589101112789101311481651822001171371551731065111902123134316841095轴抗压强度大大高于单轴强度,并随高水材料掺加量的增加而增加。(3)变形特征为弹2塑2流,具有良好的稳定流变特性。(4)固化体发生破坏后,尽管变形很大,但仍具有较高的残余强度和良好的恒阻性能,这对采场支护十分有利。图2尾砂浓度对充填体强度的影响412高水材料掺加量在尾砂浓度、养护条件一定的条件下,高水材料掺加量对充填体强度的影响见图3。高水材料浓度增加,充填体强度相应增大。这可根据采场对充填体强度的要求,确定合理的高水材料用量。图1高水充填体三轴(σ1～σ3)-ε关系曲线强度影响因素分析从试验结果分析可以看出,尾砂浓度、高水材料掺加量、养护期、甲、乙料比例等因素对充填体强度都有影响。411尾砂浓度尾砂浓度对强度的影响见图2。在高水材料浓度一定的条件下,充填体强度随尾砂浓度提高而明显增加。增大尾砂浓度可减少高水材料用量,从而降低充填成本。4图3胶结剂掺加量对充填体强度的影响413养护期·16·黄金τ0图4为砂浆浓度60%、高水材料浓度12%的充填体强度发展曲线。随着养护龄期的增长,充填体强度也随之增加。在24h内,充填体强度增长速度极快,3d后强度增长速度明显减缓;7d后可