深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究.pdf

第 2 6卷第 6期 2 0 0 5年 6月 岩 土 力 学 Ro c k a n d So i 1 M e c b a n i c s 、 ， b 1 ． 2 6 No ． 6 J u n． 2 0 D 5 文章编号1 0 0 0 -7 5 9 8 - 2 0 0 5 0 6 8 6 5 一o 4 深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究 李一帆 ，张建明 2 ，邓 飞 3 ，白世伟 1 ． 中国科学 院武汉岩土 力学研究所 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 1 ；2 ． 东同矿 业公司，江 西 东乡 3 3 1 8 1 2 ； 3 ． 江西理工大学 环境 与建筑学 院，江西 赣州 3 4 1 0 0 0 摘要采空区充填体可以改善围岩应力状态 、限制 围岩移动的规模 ，维护空区的稳定性和地表的生态环境 。根据充填体作 用的机理，利用正交试验研究影响尾砂充填体强度的因素，优选出符合工程需要的尾砂胶结充填体材料配比，分析了该配比 下的充填体强度特性 。 结果表明， 充填体可 以有效地限制该矿 区的地压活动， 对于资源 的二次利用和环境保护也有较大意义。 关键词采空区令尾尾砂 ；胶结充填体；正交实验 中图分类号T D 8 5 文献标识码；A Ex p e r i m e nt a l s t u d y o n s t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c s o f t a i l i n g s c e m e nt b a c k fil l i ng a t d e e p- s e a t e d mi n e d- o ut a r e a LI Yi f a n l ， ZHANG J i a n mi n g ， DENG F e i ， BAI S h i we i l 1 ． I n s t i t u t eo fRo c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， Ch i n e s eAc a d e myo fS c ie n c e s ， W u h a n4 3 0 0 71 ， Ch i n a ； 2． Do n g t on gM i n i n gCo mp a n y ， D o n g x i a n g 3 3 1 8 1 2 ， C h i n a ； 3 ． I n s t i t u t e o f E n v i r o n me n t a n d A r c h i t e c t u r e ， J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y ， Ga n z h o u 3 4 1 0 0 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t S t a b i l i t y o f mi n e d - ou t a F e a i s ma i n t a i n e d b y i mp r o v i n g t h e s t a t e o f s t r e s s a n d r e s t ri c t i n g i t s d i s p l a c e me n t i n s u r r o u n d i n g r o c k wi t h b a c k f i l l i n g；a n d e n v i r o n me n t i s a l s o p r o t e c t e d o n t h e e a r t h s u r f a c e ．Ba s e d o n t h e me c h a n i s m o f the b a c k f i l l i n g ，the i n flu e n c e s o f ma t e ri a l f a c t o r s o n t h e b a c k f i l l i n g a r e a n a l y z e d ； a n d t h e o p t i ma l mi x i n g p r o p o r t i o n o f ma t e ria l s i s f o u n d wi th o r t h o g o n a l e x p e rime n t ； a n d t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e b a c k fil l i n g wi t h o p t i ma l mi x i n g p r o p o rti o n are s t u d i e d ． Th e r e s u l t s s h ow tha t the b a c k fi l l i n g c a n r e s t r i c t g e o s t a t i c a c t i v i t y ； p r o t e c t e n v i r o n me n t ； a n d f a c i l i t a t e t h e r e u s e o f r e s o u r c e s o f t h e mi n e ． Ke y wo r d s mi n e d o u t a r e a ； wh o l e t a i l i n g s ； c e me n t f i l l i n g b o d y ； o rth o g o n a l e x p e rime n t 1 前 言 随着人类对矿产资源大规模的开发和利用，浅 部的矿产资源逐渐枯竭，开采正转向深部矿体。因 此，地压问题将 日益突出，并成为实现深部安全、 高效开采的主要障碍。充填技术是解决深部地压控 制、维护采空区稳定、保障安全作业、保护地表不 遭破 坏和维持 既有 的生态环 境的有效途径 之一 。尾 砂胶结物作为充填体用于矿 山井下充填具有无污 染、水泥耗量低、接顶性能和充填体整体性能良好 等优点，在考虑矿山复垦要求时，也颇有吸引力， 一 直受到矿山工程技术人员的重视I J J 。尾砂胶结物 作为充填体的发展方向应从绿色、高性能两方面考 虑绿色，即节约资源、能源、保护环境，这是尾 砂胶结物充填技术 自身可持续发展的要求； 高性能， 即要求达到强度、耐久性要求，使充填采矿方法获 得最佳经济技术效益。然而尾砂胶结物充填技术在 理论方面还有很多值得研究的课题，在充填料的物 料构成方面，还没有很成熟的理论。本文就水泥一 尾砂胶结充填体的配比优化及强度特性作了探讨性 的研 究 。 2 充填体作用机理 在不受岩体构造面控制的条件下，某范围岩体 发生移动必然受到周围母岩的牵制、约束作用，深 度愈大， 滑动体受围岩的约束夹制作用愈大。因此， 作用在充填体上的应力只是很小的一部分。国内外 学者经过大量 的实验研究 ，认为充填体一般承担 收稿 日期2 0 0 5 0 2 2 8 基金项目 囟 家自 然科学基金重点项目 N o ． 5 0 3 3 4 0 6 0 作者 筒介李一帆，男 ，1 9 7 4年出生，博 }研究生，从事采矿与岩 LT程方面的研究。 维普资讯 岩 土 力 学 2 0 0 5住 2 0％～7 0％，中等条件下为 4 0％，即承载系数 K 0 ．4 。 一般情况下，围岩活动是有一定方式的，即 使大规模岩移也并非一下子发生整体剪切式的破坏 移动，而是先由侧向临空面发生小规模片落，使整 体围岩失去应力平衡，最终发生大规模岩移[ 6 】 。若 表层围岩没有破坏 ，岩体 自身承载性能得以维持， 就不会失稳。充填体就是维持岩体表层的完整 ，使 其破坏不向纵深发展，是以施加固压的方式维持了 原岩的完整性，调动原岩 自承能力支撑地压，并非 靠 自身强度硬性抵抗围岩活动。因此，充填体只能 改善围岩应力状态、限制围岩移动的量值、减小其 规模 。无论充填体的力学指标高于或低于围岩 ，都 不能完全阻止围岩移动和完全避免由于围岩移动引 发的地压活动。主要原因是从岩体开挖到充填并 达到设计强度有一个时间过程；充填体围岩之间的 空隙 一般不能完全接项 、充填体的沉缩性， 都是岩 移发生的充分条件【4 】 。 因此， 对于采空区充填体的力学指标一味强调 过高，无论从工程稳定性和经济上来说都有不合理 之处。应从多方面考虑，全面分析影响因素，综合 考虑材料组成，优化物料配比，既达到工程强度需 求，又能降低充填成本【3 】 。 3 尾砂胶结物充填体强度的实验研究 3 ． 1 实验背景 本实验是为了给大柳行金矿Ⅶ矿体充填开采设 计充填体提供强度依据而进行的， 该矿主要开采对象 为Ⅶ矿体东部。 该矿体倾角4 5 6 0 。 ， 埋深为-1 5 0 m ～一 6 0 0 m，矿体厚度为2 ～2 ． 5 m。矿体顶板为破碎 的花岗岩，底板为页岩，顶、底板岩石抗压强度都 很低。矿体对应的地表为重点环境保护林区，开采 后不允许发生沉陷。为确保开采顺利进行，同时维 护地表生态环境 ，经综合分析论证，决定采用下向 胶结充填法开采 ，矿块长度 设计为2 0 m，高度为 3 0 m，充填体采用水泥和尾砂胶结物。 3 ．2 充填体强度设计依据 为使充填体有效地限制地压，维护采区安全 ， 在充分了解地质条件 的基础上 ，对埋深为-2 7 5 m 中段的一个矿块利用有限元对采空区和充填体的稳 定性进行了数值分析。由于矿体的厚度仅为矿块长 度的 1 ／ 1 0左右，采用平面应变有限元法，利用弹塑 性模型计算。通过计算分析可知，胶结充填体内最 小主应力大致为0 ．0 2 ～0 ．3 5 MP a ， 最大值为0 ．7 6 MP a ； 最大主应力仅为0 ． 2 9 ～1 ．2 8 MP a ， 最大值达2 ．5 1 MP a 。 结合麦康国际矿业有限公司对该矿采空区及充填体 稳定性的评估，期望本实验的指标为单轴抗压强 度为 2 ． 5 5 MP a ，抗剪强度为 0 ．3 5 MP a j 。 3 ．3 实验方法、材料、实验指标、实验因素及取值 3 ． 3 ． 1试验 方法 为了达到强度要求，减少充填成本，节约试验 时间，拟采取正交试验方法 。该试验方法能够考虑 多因素的综合效应 ，同时又能分清试验结果的主要 影响因素，对优选充填体的材料配比是一种较好的 方法 ，在材料配比优选时经常采用口 】 。 3 ．3 ．2实验材料 实验材料包括4 2 5 增 通硅酸盐水泥、全尾尾 砂为该矿选矿厂排出的尾砂， 干重度为1 5 ．5 8 k N ／ m3 ， 渗透系数为1 0 8 ． 5 9 m m／ h ， p H 值为1 1 ．2 。 粒径级配如 图1 所示 。 咖{ 缸 蛊 a ⋯⋯ I 、 ＼ l o 2 1 o I l 0 颗粒粒径， m 图1 尾砂颗粒粒径级配 图 F i g ． 1 Ta i l l n g s ’ g r a i n - s i z e d i s t r i b u t i o n c u r v e 3 _ 3 ． 3试验 指标 、因素及取值 试验采用3 因素3 水平正交设计安排实验点，试 验指标为单轴抗压强度、抗剪强度 ；因素为水泥占 充填固料总量的百分含量z l ，浓度Z 2 ，养护时间Z 3 ， 因素的取值如表一1 所示。 表 1 试验因素钧水平取值 Ta bl e 1 Fa c t o r s a n d l e v e l s o f e x pe r i me nt ma t e ria l 3 ． 4 试件制备及试验结果 根据 3因素 3 水平正交组合实验设计，共制备 9组试件，每组浇注 2 4个试件。试件的规格直径为 7 6 mm， 高为 1 5 2 mm。 浇注好的试件放在养护室内。 养护室 内的温度和湿度保持与矿 山井下采空区相 近，分别养护 7 ，2 8 ， 5 6 d ，然后 ， 在中国科学院武 汉岩土力学研究所研制的 R MT --1 5 0 C岩石力学试 ∞ 鲫 ∞ 柏 加 0 维普资讯 第 6期 李一帆等深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究 8 6 7 验系统机上测试其单轴抗压强度和抗剪强度 ，实验 结果列入正交分析表，如表 2所示。 表 2 尾砂胶结充填体试件强度正交分析表 T a bl e 2 Or t h o g o na l a n a l y s i s o f fil l i n g s t r e n g t h Z l ／ ％ z 2 ／ ％ z 3 ／ d R／ MP a t ／ M P a 说明‰ 、‰分别为各 因素水平 下的平均抗 压和抗剪强度，R R、R 分别为各 因素下的强度极差 。 3 ． 5 数据分析 1 极差分析通过计算各因素对抗压强度和 抗剪强度 的极差可以看到，各因素对尾砂胶结充填 体抗压和抗剪强度的极差顺序都是水泥含量，养护 时间，浓度。因此，可以认为，各因素对尾砂胶结 充填体抗压和抗剪强度影响程度的敏感性。首先是 水泥含量；其次是养护时间；最不敏感的是浓度。 2 直观分析通过极差分析可以定量地确定 各因素对充填体强度影响的敏感程度，但不能看出 强度随各因素变化的大体趋势，将各因素水平及相 应强度绘成 曲线图可以更清楚地看出每个因素的影 响趋势。 从图2 中我们可以看到， 随着水泥含量的增 大，单轴抗压强度迅速提高；在前期时间因素的影 响不明显，而后期随着养护期的延长，抗压强度迅 速提高。当浓度增大到一定程度时，对抗压强度影 响很小。从图3 看到，随着各因素的提高， 抗剪强度 亦迅速提 高 。 3 优选配比根据前文的分析，本实验希望 获得单轴抗压强度为 2 ． 5 5 MP a ， 抗剪强度为0 ．3 5 MP a 左右的尾砂充填体。从表 2可以看出，选取 z 2 ， Z z 2 ， Z 3 3 组合，即水泥百分比含量为尾砂水泥总 数 的 1 2％，浓度 为 6 8％，养 护时间为 5 6 d的一组 试件其单轴抗压强度 为 2 ．5 6 4 MP a ，抗剪强度为 0 ．3 7 3 MP a 接近强度期望值， 该材料配比即为优选出 的最优材料组成。 各因素水 平 图2 抗压强度与各因素水平变化曲线 F i g ． 2 Co mp r e s s i o n s t r e n gth V S ． 1 e v e l s o f f a c t o r s 0 8 0 ． 6 堇 o． 器 0．2 0 1 2 3 各因素水平 图3 抗剪强度与各因素水平变化曲线 F i g ． 3 S h e a r s t ren gth V S ． d i v e rse l e v e l s o f f a c t o rs 3 ． 6 充填体特性 1 经过优选的符合要求的组合而配制的充填 体早期强度较低 ，可通过加入早强剂如石膏、氯化 钙提高充填体的早期强度，在实验过程中曾经加入 少量石膏，其早期抗压和抗剪强度比不加石膏的试 件早期强度提高 2 0 2 5％左右， 如图 4 ， 图 5 所示。 山 鹱 1 0 3 7 l 5 2 8 5 6 时间， d 图 4 充填体添加早强剂前后抗压强度对比 F i g ． 4 C o mp r e s s i o n s t r e n gth s wi t h a d d i t i v e V S ． w i t h o u t a d di tiv e 山 震 时间／ d 图5 充填体添加早强剂前后抗剪强度对比 F i g ． 5 S h e a r s t r e n gth s w i t h a d dit i v e V S ． wit h o u t a d d i ti v e 4 3 2 ● 0 苫、 鹱 埘 粥 0 0 0 0 n n 川 枷 刎 矧 湖 螂 一 ●2 2 O 0 0 0 n 3。2 2 3，。2 3 ；s 跏 伽 ●●3 2 0 0● 。2 3。2 3。2 3 捌啪 叭 ，，， ‰ B 盟。 ， 维普资讯 岩 土 力 学 2 0 0 5年 2 优化配比的充填体具有典型的弹塑性性质， 其全应力一 应变曲线如图 6所示。 酿 出 图 6 充填体全应力． 应变曲线 Fi g ． 6 Th e s t r e s s s t r a i n c ur v e o f f i l l i n g 3 从图 2看出随时问的增加，充填体的强度 还会继续增加，对后续开采增大的地压 留有储备抵 抗能力，对于限制地压有一定的积极意义。 4 在压力测试的过程中发现，充填体颗粒分 布均匀，没有其它充填采矿过程中经常发现的离析 现象，说明该试验优选 出的材料配比是符合该矿 山 充填的实际需要。 4 结 论 1 本文探讨了在胶结充填料中以全尾尾砂代 替传统的以分级尾砂，增加 了充填料的来源，同时 减少了细尾砂 占地面积，更重要的是减少 了环境污 染，更具绿色环保意义。 2 正交实验优选 出的物料 配 比配制 的充填 体 强度能够达到矿山生产的安全要求 ，避免了以增大 水泥含量提高充填体强度的盲 目性，减少了不必要 的投资，节约了采矿成本。 3 在实际生产过程中，全尾尾砂不必脱水， 可通过系统取样测出含水率，加入水泥和早强剂 ， 配成膏体充填，可减少废水净化的费用。 4 充填体的强度受浓度的影响不大，不应以 卣目增大浓度的方法来提高充填体强度。 5 由于该矿Ⅶ矿体的顶、底板都不够稳固， 随矿体开采后，围岩会迅速变形破坏，因此建议在 充填膏体中添加适当早强剂， 提高充填体早期强度， 限制 围岩 的早期变形 。 参 考 文 献 【 1 】 张钦礼， 过江，王新 民．粉煤灰全尾砂胶结充填新技 术【 J 1 ．有色金属， 1 9 9 9 ， 5 l 2 5 7 ． Z HA NG Q i n l i ， GUO J i a n g ， WANG Xi n - mi n ． C e me n t f i l l i n g t e c h n o l o g y o f fl y a s h - t a i l i n g [ J ] ． No n f e r r o u s Me t a l s ， 1 9 9 9 ， 5 l 2 0 5 7 ． 【 2 】 黄志伟．无废开采评价理论的研究【 M】 ． 长沙中南大 学 出版 社， 2 0 0 3 ． 【 3 】 周科平 ，古德生．安庆铜矿尾砂胶结充填灰砂配比的 遗传优化设计【 J 1 ．金属矿山， 2 0 0 1 ， 3 0 l 7 l l l 3 ． ZHOU Ke p i n g ，GU De - s h e n g ．Ge n e t i c o p t i m a l d e s i g n o f t a i l i n g - f i l l i n g c e me n t i n A n q i n g C o p p e r Mi n e [ J ] ． Me t a l Mi n e ， 2 0 0 1 ， 3 0 1 7 1 1 1 3 ． 【 4 】 黄志伟． 尾砂水采充填的研究【 J 1 ． 金属矿 山，2 0 0 3 增 刊 2 6 2 9 ． HUANG Z hi we i ． S t u d y o f t a i l i n g c e me n t wi t h wa t e r t e c h n o l o g y [ J ] ． Me t a l Mi n e 。 2 0 0 3 ， s u p p ． 2 6 2 9 ． 【 5 】 王志 方．充填体 强度 研究 【 J 】 ．化工 矿 山技术 ，1 9 9 6 ， 2 5 3 1 3 1 6 ． WANG Z h i f a n g ．S t u d y o f c e me n t f i l l i n g s t r e n g th[ J ] ． Ch e m Mi n e T e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 ， 2 5 3 1 3 1 6 ． [ 6 1 B r o wn E T ．An a l y t i c a l a n d c o mp u t a t i o n al me tho d s i n e n g i n e e r i n g r o c k me c h a n i c s [ M] ． L o n d o n Al l e n and Un wi n， 1 9 8 7． 【 7 】 麦康 国际矿业公司．大柳行金矿 充填体设计强度 咨询 报 告【 R】 ． 2 0 0 4 ． 岩土力学编辑部新增电话号码 为方便与广大作者 、读者和评审专家的交流与联系，从 2 0 0 5年 6月起， 岩土力学编辑部新增一部 电话，其 电话号码、传真号码均为 0 2 7 ． 8 7 1 9 9 2 5 2 。原来的电话号码不变。特此告知。 岩土力学编辑部 2 0 0 5 ． 5 ． 2 0 维普资讯