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用废石胶结充填体做岩层支护 TH I A N NR Y U 提要 l基德克里克矿 K i d d C r e e k 通过 对2 0 多十士规模充填体暴露面的 观察研究． 为评价腔 结充填悼对岩屠支护的保护作用提供了充分条件． 本文特 对充填悻强度稿瞰性的试礁室和现场试睦进行了描遗 ．特别对与抵抗瀑破爱动有关的充填 体动 志强度进 行 了详 速 ． 文章讨论了在充填过程申 矿柱直力变化和采场顶底盘变形的几种恻置结果。 同时碰夼绍了一种提高 岩层稳固性的薪方法 舟啦站充填体在泉蟠内构筑一十充填柱塞． 并绪出了使用充填挂塞的分析数据。 一 、充填料的准备和 地下充填系统 骨料主要来源于露天矿 的废 石，破碎 后 最 大粒度为 1 5 e ra。破碎 好的骨料 通 过 天井 运到地下，然后一矿 区用运输机，二矿 区用 卡车将充填料运 到待 充填采场 。 现在使用 的混 合搅 拌方 法有 两种 。一种 是一矿区，充填骨料在混合搅拌天井中 自由 下落，骨料 由运输机运入天井前，将水泥浆 迎面喷射与其混 合。另 一 种是二矿 区用永久 混合搅拌站 的旋 转式 混料机进行 一 次 性 搅 拌。一矿和二矿充填体 中加入的胶结料分别 为骨料重量的 5 和 4 ． 2 。造 浆站内 安 二 个混合搅 拌槽制 造水 泥浆。水 泥浆 标准浓度 为5 5 ，生 产率为8 o t ／ h 。 为 了减轻新投放 骨料 对凝 固充 填休的冲 击，在水泥浆 中加了步量的延缓剂，使水泥 终凝时 间推迟 4 h 。 为 了降低成本 ， 自1 9 8 2 年以来，在 硅酸 盐 水泥 浆 中掺合 了高炉炉渣。一矿 和二矿炉 渣代替硅酸 盐水据量 分别为6 O 和3 O 。 所有 水泥 浆都是经管 网和钻 孔靠 重力 运 送的，管线的末端 接到 位于充填采场 附近的 移 动式混 合搅拌槽 上 。在 二矿管 于是接到永 一 8 一 久充填搅 拌站内的存贮稽上 。 充填 系统 新增加部分是砂 场，将 自然冲 积砂在容积为 5 0 0 t 槽 内进行造浆，砂浆浓度 为6 5 。砂 浆经钻孔和管 网运 到地下 。在 待 充 采场附近，砂浆与水泥浆管 子合并混 合， 然后 再经直径为2 0 c m的钻孔 进 入 采 空场 。 基德 克里克矿 的充填 系统在另 篇文 章中有详 细叙述。 二、充填体的功能与作用 在基德克 里克矿， 为了保 证工 作安 全， 提高回收率和降低贫化 率，每 个地 下采场 回 采后都计划尽快尽早地 进行充填 。充填体所 起的作 用是 延缓矿房两 盘围岩 的破坏， 以利 后来回采毗邻的矿柱 并改善地下 和地表 的总 体稳定性。 除了废石胶结充填之外，为了某些特殊 需要还使用 了砂子胶结充填，将胶结料含量 很高 的水泥砂浆溜放 到采空场 中已充 填的废 石堆上 ，使其 腔结成整 体，似 便改善岩 层支 护条件 和减少 损失贫化 。 由于骨料离 析作 用产生 的空隙，在废 石 胶结充填的同时，用水泥砂浆充填 水泥含 量与废石胶结水泥 含量相 同这 样就 提高了 充填体的稳定性，可以承受相邻矿柱固采时 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 3 Y 十 ． 十 ～ 矿一 斗 一 采～ ．口 { - { 维普资讯 豹爆破震动和重载荷冲击。采场用崖石胶结 充填 绝大部分 之后， 顶板 之下所 泉韵 空间， 用 水泥 含量较 低的水泥砂浆进 行密实的 接顶 克 填，这样便形成了一个顶板支架。 三、 充填体的强度特性 曲线 即使 在水泥 含量相 同的情 况下，废石胶 结充填体的现场强度与许多其他因素有关， 象骨料的级配 、混 台搅 拌方 法及 工艺过程、 充 填方 法 、离析程度 、水的用量 等。 这些因 素 的影响在废石胶 结充填体 C RF 中比砂 子胶结充填体 C S F 中更为明显 因此废 石胶结充填体要达到预期的质量要求，就必 须 精心设计和仔细施工。 正压力 兆帕 国 1 对CRF 圆柱体傲正 剪切试验 结果 高质景 充填 体其水泥 含量 最小 ，但能 经 得住相邻矿柱回采时爆破 的震动，也麓支撑 住 上覆 物的重力荷 载。 有关充填体承 受重力 载荷 的破坏机理在 其他处有专论，可 以用楔块剪切滑动模型理 论解释，见公式 1 Y s剪切强度 ／ 推进力 C LNt a n ／Ws i n D 式 中n 静力安生系数 t c 祝在 凝聚力； L 惜面 长度 D 滑面倾 角 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 3 平面祝 在摩擦 角 滑块 单位宽 度的重 量 N平面法向有效反力． 水握 宙璧 的％ 圈2 不周 水泥含量的 C RF与C S F抗 压强度 从 图l 中可看 出，在进 行稳定性 分析 时 ， 必然用到内聚力 、摩擦角等这些剪切强度系 数，可是 我们 在分析静态 强度时。一般 用抗 压强度 ，这是 因为 抗压 强度 易测 得。图 2 是 直径 为1 5 e ra的废 石胶结充填体 的试 样 和 小 直径砂 子充填体试样 的抗压强度与水泥含量 之 间的关系 曲线 。 下 表列 出了充填 体岩 心试 样 的 物 理 特 性，其数据分别来源于落槌试验 和 现 场 测 试。由表上可看出，每个试梯的强度都在 6 MP a 以上，8 3 8 采场岩心样 的 强 度 最 高 达 l 0 ． 3 MP a 。经化学分析得知谈岩心水泥含量 高达7 ． 3 ，而 采场 充填体水泥含量平 均 为 5 ，这就表明大堆充填体内，有些地方水 泥含量过 高，而 有些地方水泥 含量 还没有 达 到要 求 。 废石胶 结充 填体 抵抗爆破 损坏 的一 些控 制参数，至今尚不能很好确定，但对某些脆 性地质 材料的研究表明 动态 抗拉 强度 起着 重 要作用 。因此可将动态强度与爆破震 动强 度 也就 是质点最大速度关系列成公式 2 ； 一 9一 维普资讯 CRF 的落精 试验 和地下充 填体某些橱理特征裹 样 品 密 g ／ c ra 度B 姜 生期 平 均抗 压 强度 弹 性模 量 M Pa CPa 备 庄 直 径I 5 c m岩 心三十 2 ． 0 2 8 d 6 ． 0 2 ． O l _ 0 Ⅲ落追试 验 三个 直径 l 5 c roC I 柱 三十 2 ． 5 2 8 d 6 ． 】 2 4 m落邂 试验 之一3 8 c m筛下物 采 自8 3 8 采场 的0 个 8 ． 4 c m岩 心 2 ． 3 3 十 月 【 0 ． 3 3 ． 1 水伲 音量7． 3 喵 l 2 3 5 采场 辑堆 锥 2 ． 4 4 年 ． 0 3 ． 8 试验 室 9 - 1 - 样 品 细科屡 4 年 8 ． 5 现场 载荷试 验 中等 骨料层 4 年 3 ． 5 现场 载荷试 验 粗 骨科层 4 年 估计】 ． 3 F d动态强度／ 动载荷 T ／ d p v 式中F d 动老安生系数 ； d 充填 体 密度 ； T 动 态抗拉 强度 P充填 压 缩渡速度 V充填体破坏时质点速度． 与低标号混 凝土相似。废 石胶 结充 填体 的抗压强度高，而抗拉强度低，特别是在充 填料堆 边缘， 由手骨料 的离析怍 甩 ， 其抗 拉强 度就 更低。因此为了减少爆破产生 的震 动破 坏， 就应对低抗拉强度的充填体进 行加 固。 由实践得知，在废石胶结充填体中加入 适量 的砂 予，有助于 降低骨料 的离 析作 用， 提高充填体的静强度 如 图3 所 示，增 强 普 黑 越 陋 嚣 嚣 辞 腔 结剂重量5 ％x骨料重量 围S C RF中磅 的 含 量 对 静 强度 的 影 响 一 1 0一 一 充填 体对 爆破 震动损害的抵抗能力 。用 施密 特重 箍为恒定 动力 源，对充填体怍 动载荷 击试 验，验证 了上 述说法的正确性 。 从 图中看 出， 当骨 料完全被水泥砂浆包 裹时 ，充填体 的抗爆破 震动性能 和其整体稳 定性得到 了全 面改善。 图 4是 其试验结果。 损 坏程 度一 严 重 撮伪 圉4 施密特重 麓的 冲击试验 四、 现场试验 如前所 述废 石胶结充填体， 特别 是现 场 实 际充填体 是极不均质 的。因此 ，必须进行 现场 试验，对实验 室试 验进 行补 充。矿 山做 了以下试 验， 即t 矿柱 应力变化 测量 ，采场顶 底盘变形澍 量；平板 载荷试 验，地震波衰减 系 数 的 溅 量 。 有 色矿 山一 1 9 91 ． 3 维普资讯 由于受 到试 验次数和 非均 质充填体性能 的 限制，某 些测试数 据不靛 傲 为结论数 字， 只做 参考。 1 ． 矿拄应 力的测■ 在2 8 6 7 1 采场充填期问 ，甩 I RAD 型 钢丝 震动 应力 针，对矿柱 的应力变化 进 行 了 测 量 。这个 紧邻即 将充 填 采 场 的 矿 柱 位 于 8 4 0 m水平 ，如图 5所示 。矿柱 两侧 分 别 被 E-w 垂 直剖 面 盥m 圈5 I RAD应壹倪在2 8 6 1 “ t 采蛹 帮璧上的 位置 充填体 和采 空场 隔开 ，所 以它不 再受岩 层横 向应力 的 影响。两只I R AD应 力 针V l 和L l 安设在距采 空场 7 n l 远的矿 柱 内， 随 着 采场 充填的进行测量 出垂直与水平应力 的变 化 。图 6是 其测量结果，在 充填初期 曲线平 缓，岩 石应力变化不 显著 ，但 充填之后，应 力 继续变化 且很显 著， 曲线 变陡。如 图 7所 1 参 1 趟 { 一 一 l 垂直 枰 ． 刖 问， 天 圈6 国采和充 骥时的 岩石应力变 化潮■ 有 色矿 山一 l 9 9 1 ． 3 皇 圈T 充 壤高度对岩 石应 力变 化的 影响 示，垂 直应力变化 比水 平 应力变化快 ，这是 由于矿柱周 围约 束条 件的变化 。因为随着充 填进行，矿柱 的高宽 比有所 降低。 2 ． 采 场帮璧的应 变 在8 3 8 采蛎 4个多 月的充填过 程 中，对 其顶底盘应变做了全面坝 l 量。该采场位于露 天矿的 南端 ，采矿是 从露 天矿的底开始 向下 2 4 0 m，形成 了一 个大天 窗。采场 在 8 2 分 段范 围 长 宽 是3 0 x 5 5 m，采 场帮壁 高 2 4 0 r a 。当 采场矿石全部 出完，上盘 出 现 了 次级 剪切并开始有 大冒顶 发生 ，如果进一步 恶化 ，将会危及 到位于上 盘东部露天矿 的斜 坡道， 如图 8 所 示。下盘 紧邻 8m宽 的剪 协 带，也出现了相当数量的岩石冒顶和不稳固 状况 。基 于这点， 1 9 7 6 年 5月i 1 日到 7月2 日对该采场进行 了充填 。充填 之前，采场 内 已有6 0 rn 高废石。用3 6 万t 的胶结废 石 充 填 料，使充填高度达到6 8 m，这样使得采场 两 盘全高的得到充填料支护。从1 9 7 5 年 5月 开始，用 一个光 电测距仪 和五个 三棱镜 对旗 盘进行 了监测 ，结果发 现充填前顶盘有 所移 动，但充填期间没有发生 任何活动。 自充填以来，上盘一直根稳定，在 已充 填 区段的顶盘沉降量为1 ． 1 c m／ a ，而其他 区 维普资讯 围B 8 3 8 采场 E w剖面 段 为1 ． 6 c m ／ a ，这表明在采场中进行充填 时 两盘 的稳定是有 效的。 在与C ANMET进行联台试验 研 究 时， 在8 2 分段底盘安设 了两 只绳 式钻 孔应变仪 见 图 9和 图1 o 。仪器M一 1 安 在 紧 靠矿 柱的采场边界，M2 安在 采场 中 央 对 面 ， 与底盘面垂直。在整个充填期 间进行测量观 铡，其数 据记录在 图l 1 和图 1 2中。M一2 的 每根钢丝都记录了充填 前 1 2 o O d 变 形 累 计 值。最长的 4 号钢丝，安在剪切带中，离孔 口1 0 ． 7 m， 向上 移动了6 ． 8 c m。最太 应 变值 与 其所在分段 的爆破采场 出矿有 关。观测 记 录 表明，充 填一开始 底盘 向外位 移 就 暂 停 篓 围9 8 3 8 采场在8 2 分段 的跨 度 一 1 2 一 围 1 0 8 3 8 采场Ns 剖面 了。在 以后 的充填 过 程 中，M一2 的 4号钢 丝测得底盘 向采 场 内 移 动 了0 ． 9 ram。M一 1 的最 长钢 丝也 测 出向内移动 了0 ． 4 ram。这些 结果清楚 表明，废 石胶结充填体 产生 了主动 压力，使松 散的两盘 得以支撑 。 8 ． 平扳载荷 试验 为 了研究确定废石胶 结充 填体 现场强度 定量 方法，对1 2 3 5 采场试 验巷道 内充填 体进 行了一系列的实验室抗压 强度 测定 和平板载 荷试 验。平板载荷 试验 中，用 一块 1 01 0 2 ． 5 c m的钢材 馓承压板，在其上用3 0 t 加载 油 缸进行加载，直 到板下 充填体 发 生 破 坏 为 止，如 图l 1 所 示。 圈 1 1 M一 1 绳式应变 仪在下盘测试 曲线 该项试验是在充填体内专为试验而精心 准 备的小碉 室内进 行。加载油缸 固定在被 测 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 3 维普资讯 充填体 巷道璧 对 面的木架上，然后开始 加载试验。试验结果表明，平板载荷试验是 为确定废石胶结充填体现场强度的一种快速 可靠方法。平板试验中充填体摄终承载强度 与单 轴抗压强度 之比。约 为3 ． 21 。 l 97 6年 图 l 2 M一 2 绳式应 变仪在下 盘的测试 曲 线 4 ． 地震测量 爆破应 力波强度 由于 以下原 因衰减 1地震 波从震 源 向四周传 播，强壤 衰 减遵循负乎方 规律， 2 地震波在传播时间，传播介质对 其能量的吸收按指效关系衰减， 3在 临界面处因为 阻抗不 匹配 ，震 波分解 。 我们 知道，在震源 附近。地震 波衰 减主 要是 由于 扩散，而距震源较 远的地方，衰减 主要是 由_于传 播介质的 吸收 ，不 过这两种 衰 减作用比波在界面处被分解而衰 减 要 小 得 多。由于在矿柱内爆破，充填体边界产生的 冲击， 即应 力波也遵循 上述理 论衰减 。 地震测量是在充 填试 验巷 中进行 的，产 生 地震波 的动 力是 用人力大锤，两 台速度传 感器分别在不同位置测出震动强度。震动信 号 输入 移动式存储示 波器，并在示 波器的屏 幕上 显出读数。由试验测试数 据可推导 出下 面结 论。在离析的充填体 内， 吸收引起 的地 震 强度衰减0 ． 9 5 d b ／ m，在 密实的核 心 区 域 衰 减为O ． 5 7 d b ／ m， 地震 波频 率 大 约 是 5 0 0 Hz ，用传导系数来 表达 。充填体和 采 场 界 有 色矿 山一 1 9 g 1 ． 3 面处波的分解是2 5 } 到7 3 ，但 如果在 界 面 处存 在空气隔 层或者问隙的话，分解 系数 将 大大减小 。 五、充填柱塞的设计和应用 克填 完毕采场 的底柱，用深孔 空场 法 回 采 之后 ，会 留下一个 面积很大的充填休暴露 面，如 图1 3 ，如 果充填体 强度 不够，不 能 支 撑上部充 填体的重载荷 以及 承受爆破产生 的 动载荷， 那么就会 引起矿石贫化 增加并 带来 地压、 支护等一系列麻烦问题。 为确定胶结充 填体厚度和在给定水泥含量的条件下空场跨 度 之闻的关系，分 别用梁理论和拱理论进行 T分析研 究。 国l 3 底柱 回采后的充填体 图1 4 是废石胶 结充填体强度特征参数 计 算 结果，其 中投 有 考虑动载荷 。因此实 际应 用中水泥之含量要比图中建议数 高 些 才 可 。对充填柱塞的应用历史可做如下描述 1 3 -- 艺 蛐 地 也 维普资讯 标 准跨 度 H l j 图进路跨度与充璃 塞厚度的计算 1 6 2 8 采场的最后一 次爆破 ，使 矿柱 顶部 遭 到了严重破坏 ，导致该采场上部 拉底巷遭 的充填体暴 露， 而且还影 响了相邻 采场的稳 定。当然不稳定还与矿柱及其 周围的强烈地 质构造有关，采场 内有 大量 已爆破 下来的高 品位矿石。可 以想象到， 当采场 中的矿石放 空，留下 高达百余米 吡牙咧咀 的采场帮 壁， 那么要想在 图1 5 中的1 2 2 9 和1 6 3 2 9 N个 沿 脉 和穿脉中通过就不可能 了，且上 部 的充填 体 还 会导致矿 石贫 化，为 了挽 回这 种局 面，变 不 安全岩层 为安全，防止松 散充填体 进一 步 塌落 ，决定 在采 场 中已爆落矿石上 面 浇注 一 个充填塞 。卣 图可知跨度为2 5 m时水泥台 量 7 的充填塞 最小厚度 为1 7 m，为了给充 填 提 供空间需要放 出采场 中部 分矿石 。充 填之 前 ，先在 矿石堆上铺 一层 细砂 ，以免充填柱 塞的湿式充填料渗透到矿石里面。充填体养 生 一个月之后开始放矿 。放矿 时要 经常 观察 充填塞，看它是否牢 酉地锚固在原位 。从变 形仪上看 出，采 场帮 壁无 明显移动，充填塞 底部也相 当干净，投 粘碎矿 ，整 个工艺是成 功 的 图 1 5 支护 岩层充填 塞的应用 六 、 结 论 在基德克里克矿，充填在维持岩层稳定 中起着 极其重要作用 ，并使 矿 石1 0 0 回 收 成 为可能 ，这一点 已被人们所公 认，现在充 填作 业 已成为整个采矿作业 中不 可缺少的 一 部分}在充填之前必须对每个待充采场进行 仔 细调研，搞清楚充填体在 该采 场起 的作 用 和对相邻采 空区的影响}为降低成本而不 降 低充填体的作用，非胶结充填酌情使用。当 然非胶结充填体只承受被动压力，对岩体支 护只起有 限作 用 ，而废石胶结充 填体对 与其 紧靠舶帮 壁起着 主动压力作用 ，对 帮壁不仅 起支护作 用。而且还提 高了它原来 的强度 。 参 考文 献 略 于琳 译 自 C I M S p e c i a l } }3 5 卷 ， 郭 然 校晓 月编 辑 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 3 维普资讯