鉛鋅礦尾砂袋式充填體固結(jié)排水特性及固結(jié)增強力學(xué)作用機理研究

鉛鋅礦尾砂袋式充填體固結(jié)排水特性及固結(jié)增強力學(xué)作用機理研究

0充填袋圍堰充填技術(shù)尾砂袋式填充開采法具有靈活性強、頂板回收率高的優(yōu)點?？捎糜趥鹘y(tǒng)填充場的封閉墻、上下?lián)鯄Α⑷斯せ厥罩Ъ艿?。袋式充填技術(shù)在南非得到了廣泛的應(yīng)用，充填袋采用具有滲濾功能的可泵送聚合物制成，通過木柱芯將充填袋固定成特定形狀，通過充填管將膠結(jié)料漿灌注入充填袋內(nèi)，形成袋式充填體。在我國，周愛民等針對香爐山鎢礦大跨度多臨空面復(fù)雜采空區(qū)治理難題，提出了圍堰式袋裝充填技術(shù)，采用充填袋圍堰封堵充填處理空區(qū)，達(dá)到了安全經(jīng)濟、可靠處理空區(qū)的目的隨著充填采礦技術(shù)在地下金屬礦山的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)地下金屬礦山普遍使用高強度充填擋墻。用充填體作為充填擋墻往往需要較高的強度，導(dǎo)致?lián)鯄Τ杀据^高1袋式填充劑的脫水性能的研究1.1尾砂基礎(chǔ)力學(xué)及粒級以彝良鉛鋅礦尾砂為研究對象，開展了尾砂基礎(chǔ)特性試驗及尾砂脫水性能試驗，測得尾砂基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。采用馬爾文激光粒度測試儀測試尾砂粒級，結(jié)果如圖1所示，彝良鉛鋅礦的尾砂屬于細(xì)尾砂，粒級不均勻系數(shù)為8.7，級配效果一般。通過滲透試驗測定尾砂透水性能1.2縮短尾砂固結(jié)時間基于土力學(xué)單向固結(jié)排水理論，尾砂漿進(jìn)入模袋后在外部荷載及灌漿壓力共同作用下快速將水體排出，從而縮短尾砂排水固結(jié)時間式中，m為奇數(shù)正整數(shù)；σ為固結(jié)壓力；D為最大排水距離，若為雙面排水，D為尾砂厚度之半；T2袋式填充性能研究2.1袋式充填體內(nèi)部尾砂抗剪強度模袋體在二維狀態(tài)下的受力分析如圖2所示。袋式充填體作為整體，受外力作用后將發(fā)生整體壓縮變形，引起模袋整體擴張并產(chǎn)生一個張力T。模袋內(nèi)的尾砂受張力T的約束，導(dǎo)致尾砂顆粒間的接觸力N增大，由摩擦定律可知，接觸力N增大導(dǎo)致尾砂顆粒間的摩擦力F增大，即袋式充填體內(nèi)部尾砂的抗剪強度增大。可以認(rèn)為，模袋的加固作用相當(dāng)于在約束尾砂中引起一個附加黏聚力袋子張力T產(chǎn)生的附加應(yīng)力（σ式中，B、H分別為模袋的長度與高度。作用于模袋內(nèi)部尾砂上的總應(yīng)力為外部施加的應(yīng)力（σ由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可知，當(dāng)模袋內(nèi)部尾砂達(dá)到極限平衡時，求得以下關(guān)系式：式中，c和φ為模袋內(nèi)部尾砂的抗剪強度指標(biāo)；K假定尾砂裝入模袋后，內(nèi)摩擦角φ保持不變，將模袋整體當(dāng)作是一種材料，則從式（3）中可以得出模袋整體的黏聚力為：從式（5）可知：模袋內(nèi)尾砂強度對模袋體張力T引起的附加黏聚力c2.2充填體強度試驗采用室內(nèi)試驗，以配比、固結(jié)時間及尺寸為主要影響因素，對比分析了袋式充填體與充填體的力學(xué)性能，得到了應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線及袋式充填體的極限承載能力。試驗采用某鉛鋅礦全尾砂、42.5基準(zhǔn)水泥，選用68%及70%兩種濃度、1∶4,1∶6,1∶8三種灰砂比分別制備了10cm×10cm×10cm的標(biāo)準(zhǔn)試件及10cm×10cm×75cm和10cm×10cm×150cm兩種尺寸的模袋試件。將標(biāo)準(zhǔn)試件及袋式充填體試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護14d，測試其單軸抗壓強度，并分析其破壞模式。為減少尺寸效應(yīng)對充填體強度的影響，將模袋充填體切割成高度為10cm的近標(biāo)準(zhǔn)試件，測試其單軸抗壓強度，如圖3所示。試驗分別得到了標(biāo)準(zhǔn)試件及模袋體強度曲線，如圖4所示。可以看出，將充填體與模袋作為一個整體測試其強度時，在內(nèi)部充填體屈服后，模袋體未達(dá)到其峰值強度，繼續(xù)加載直至模袋體達(dá)到峰值強度，此時的峰值強度大于充填體的峰值強度。由此可知，由于模袋體的固結(jié)增強作用，使得在模袋體的強度較相同條件下充填體的強度有較大提高。強度測試結(jié)果見表1。相同配比、相同齡期及養(yǎng)護條件下，模袋體強度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)試件，且模袋表面積越大，模袋體強度越高。這是由于模袋為高強度、透水性土工材料，尾砂漿進(jìn)入模袋后在外部荷載及灌漿壓力得共同作用下能及時將水體排出，縮短排水固結(jié)時間，模袋尺寸越大越有利于排水固結(jié)。3袋式填充技術(shù)與匹配技術(shù)3.1充填擋墻受力分析充填料漿面高度低于或等于充填擋墻的高度時，受力分析如圖5所示總壓力：充填擋墻所受彎矩大小為：式中，P為總壓力，N;H為擋墻高度，m;W為擋墻寬度，m；γ充填料漿面高度高于充填擋墻時，充填擋墻受力情況計算如下：充填擋墻總壓力P為：充填擋墻所受彎矩大小：當(dāng)一次充填高度達(dá)到3m時，擋墻受到的總壓力最大，其值為306.661kN，最大彎矩33.727kN·m。當(dāng)充填高度降低至1.5m時，此時，擋墻所受最大壓力為76.675kN，最大彎矩6.965kN·m，擋墻受力小。在這種受力狀態(tài)下，擋墻安全性較高。因此，建議首次充填高度不大于1.5m。3.2充填擋墻選擇通常情況下?lián)鯄Φ男问胶芏?，如磚砌擋墻、木制擋墻、混凝土擋墻、鋼筋柔性擋墻等通過綜合分析擋墻的結(jié)構(gòu)特點，以及擋墻的制作成本（見表2），建議進(jìn)路充填時選擇袋式充填擋墻。3.3模袋擋墻體施工為充分利用礦山充填系統(tǒng)，在正常充填過程中，采用三通管、換向閥等將灌漿管路接到要制作擋墻的位置，按照模袋擋墻的規(guī)格，結(jié)合礦山充填能力，注滿一堵?lián)鯄Υ蟾判枰?5min。模袋注滿后，再將管路切換到充填采場中繼續(xù)充填作業(yè)。同時在灌漿管路上安裝DN50的清洗水管，在灌漿結(jié)束后，打開水管清洗灌漿管路。4進(jìn)路、擋墻材料的安裝以彝良鉛鋅礦為工程背景，選取760m中段四邊形進(jìn)路開展進(jìn)路封閉工業(yè)試驗，進(jìn)路斷面規(guī)格為3.5m×3.0m（寬×高），進(jìn)路長約24m，空區(qū)體積約252m通過研究，采用膏體充填料漿澆筑袋式充填擋墻，充填料漿濃度為78%～80%，灰砂比為1∶4。擋墻厚度為1.0m。如圖6所示，在需要封閉的進(jìn)路處，先用鋼管架設(shè)間距為1.0m的2排支架，鋼管架的網(wǎng)度為0.5m×0.5m，要求鋼管插入圍巖或充填體內(nèi)0.2m。支架立好后，在每個支架的內(nèi)側(cè)鋪一層鋼筋網(wǎng)，通過鐵絲固定在支架上，最后在鋼筋網(wǎng)上鋪2～3層土工布，土工布延伸到周邊圍巖，需進(jìn)行噴漿或者水泥砂漿涂抹的方式進(jìn)行密封處理，防止周邊跑漿。在支架圍成的區(qū)域內(nèi)的兩側(cè)邊幫施工1.5m長的錨桿用來固定充填體。在進(jìn)路口提前預(yù)埋進(jìn)路充填管路，固定于頂板上，進(jìn)漿管兩側(cè)分別使用一根倒楔錨桿固定，打入頂板900mm。在2個鋼管架的外側(cè)采用坑木搭斜撐，用以支撐鋼管架。待充填體凝固后，視現(xiàn)場條件選擇性回收擋墻材料。灌漿開始前，先將充填管道內(nèi)的引流水排放至沉淀池，下料開始后待充填料漿濃度達(dá)到設(shè)計的配比參數(shù)時，打開灌漿管路閘閥，開始向模袋內(nèi)灌漿，灌漿流量為30m試驗采場模袋擋墻的實際制作成本約為2330元（含充填料漿的成本），低于礦山目前采用的混凝土擋墻結(jié)構(gòu)方案，成本較混凝土擋墻降低了35.6%。5模袋體固結(jié)增強作用機理(1）通過試驗可知，尾砂粒度較細(xì)，導(dǎo)致滲透性能很差，不利于尾砂的固結(jié)。由于模袋為高強度、透水性土工材料，尾砂漿進(jìn)入模袋后在外部荷載及灌漿壓力的共同作用下