谦比希铜矿充填体强度计算及物料配比优化

1、 谦比希铜矿充填体强度计算及物料配比优化姜振兴 （中国恩菲工程技术有限公司，北京 海淀 100038）摘要：谦比希铜矿西矿体采用上向进路膏体充填采矿法进行回采。为了避免充填强度设计过剩，降低水泥单耗及充填成本，本文根据西矿体的开采结构参数，采用经验类比及理论分析相结合的方法，确定了西矿体较为适宜的充填强度。在此条件下通过开展膏体流动性能、强度性能、及凝固性能的试验研究，确定了充填浓度及物料配比，为矿山降本增效提供了参考。关键词：膏体充填，塌落度，凝结时间，充填强度，物料配比Calculation of the Filling Body Strength and the Materials Ra

2、tio Opertimizationin Chambishi Copper MineJIANG Zhenxing(China ENFI Engineering Co., Ltd., Haidian, Beijing, 100038)ABSTRACT: The upward drift mining with paste backfilling mining method was used in the west ore body of Chambishi Copper Mine . In order to avoid the high cost of cemented filling caus

3、ed by over-designed for paste filling material strength, the empirical analogy and theoretical analysis were used to design the appropriate strength of backfilling based on the mining structure parameters of the west ore body. The filling concentration and mixture ratio of backfilling materials were

4、 determined by the experimental test such as paste flowability, strength, and setting property. The results can offer a useful reference for decreasing cost and increasing benefit in mining.KEY WORDS: paste filling, collapsed slump, setting time, filling strength, material ratio 引言谦比希铜矿西矿体是矿区目前的主采矿体

5、，年产量达100余万吨。矿体倾角30°左右，平均厚度为7.36m，采用上向进路充填采矿法进行回采1。原充填工艺为分级尾砂充填，生产过程中存在分级尾砂产出率低、水泥单耗高、充填泌水导致围岩劣化等问题，由此矿山于2012年引进了全尾砂膏体充填技术2。为了在确保井下安全回采的同时，避免充填强度设计过剩，降低水泥单耗及充填成本，本文根据西矿体的开采工艺及结构参数，采用经验类比及理论分析相结合的方法，设计了西矿体较为适宜的充填强度。在此条件下通过开展膏体流动性能、强度性能、及凝固性能的试验研究，确定了充填浓度及物料配比，为矿山降本增效提供了参考。1.采矿方法及充填工艺1.1采矿方法西矿体开采进

6、路延矿体走向布置，进路规格为46m×4m，由矿体上盘向下盘间隔回采，一步骤矿房回采结束后采用胶结充填，二步骤矿柱回采后，由于对充填体强度要求较低，可采用非胶结或水泥含量较低的充填方式。1.2充填工艺西矿体矿体较破碎，顶板稳定性差，且地下涌水量大。矿山原采用分级尾砂充填，由于围岩条件较差，矿柱不回收，回采率仅为40-50%。为提高资源利用率，矿山于2013年引进了膏体充填工艺，配备了深锥浓密机、充填柱塞泵等核心设备。膏体充填系统的工艺流程如图1所示：尾矿浆由选厂泵送至充填站深锥浓密机，经过絮凝沉降、压密脱水、剪切排水等后形成质量浓度约70%的底流。水泥给料及计量采用微粉秤，底流矿浆与设

7、计量的水泥进入搅拌系统进行二段卧式搅拌；均匀拌合后的膏体由充填柱塞泵经管道输送至井下空区。图1 膏体充填工艺流程图Fig.1 The process flowsheet of cement paste backfilling2.充填强度计算赞比亚水泥生产原料较为匮乏，水泥价格高、供应不足。因此，在满足井下回采强度要求的前提下，控制充填材料中的水泥单耗，降低充填成本显得尤为重要。根据矿山两步骤进路回采的工艺，一步骤回采空区的充填须具有一定的自立强度以支撑顶板，而二步骤进路充填对强度没有要求，但其凝固性能需满足采、充循环接替。综述所述，本文根据西矿体采矿方法，采用经验类比与理论分析的方法，对一步骤

8、回采进路的充填强度进行了研究，为物料配比优化提供依据。2.1经验类比法首先对国内外类似矿山的充填强度设计进行了技术统计。凡口铅锌矿采用机械化上向分层充填采矿法，充填工艺为全尾砂胶结充填，一步骤充填要求28天强度1.52MPa3。三山岛金矿采用上向分层点柱充填采矿法，全尾砂胶结充填的强度要求为28天0.71MPa4。焦家金矿采用机械化上向分层进路充填采矿法，充填体28天强度约1.5MPa5。在国外，加拿大莱瓦克（Levack）镍矿及汤普森（Thompson）镍矿6采用上向水平分层充填采矿法，分级尾砂胶结充填的28天强度分别为0.3MPa及0.45 MPa。综上所述，由于采矿工业水平及传统设计思想

9、的差异，各矿山实际使用的充填体的设计强度相差甚大，但总体而言，一般在0.34.0MPa之间，其中绝大多数在1.02.5MPa之间。相比之下，国外充填强度设计较低，我国充填强度设计偏高。2.2理论分析法相关学者针采用理论方法对充填体强度的设计进行了研究。Thomas等基于极限平衡分析法，研究了围岩与充填体间摩擦力所导致的成拱作用，并据此提出了用于充填强度设计的Thomas公式7。卢平8研究发现，Thomas公式只考虑了充填体的几何尺寸和充填料的容重，而忽略了充填料本身的强度特性，并据此提出了卢平修正模型。孙恒虎9等认为充填体内部的剪切滑移是导致其垮落破坏的根本原因，并建立了充填体自立状态下的力学

10、模型，如图1所示。充填体受到三个方面的作用力：充填体自身重力G；滑动面上阻止充填体下滑的抗剪阻力T；充填体两侧围岩阻止其沿剪切滑移面下滑的力，称之为壁面抗剪阻力T1。充填体保持自立的条件是：极限状态下，充填体在滑动面上的重力分力G1等于最大剪切力T与壁面（围岩或充填体之间）抗剪阻力T1之和。图2充填体自立状态下的受力模型Fig.2 The mechanical model of filling body in self-stabilization state （1）由图2可知，在滑动面以上，充填体重力在滑动面切向的分量为： （2）滑动面上可承受的最大剪切力为： （3）围岩或充填体提供的壁面抗剪

11、阻力为： （4）由式（1）条件可得： （5）式中：L-充填体长度，取30m；W-充填体宽，取4 m；H-充填体高，取4 m；C-充填体粘结强度，取0.2 MPa；-充填体内摩擦角，取35°；C1-充填体与围岩粘结强度，取0.02 MPa；1-充填体与围岩摩擦角，取10°；k-侧压系数，取0.3；-充填体容重，取17.8 N/m3；综合上述分析，考虑1.2的安全系数，据此确定西矿体一步骤回采进路的充填体强度为0.31 MPa；3 充填物料配比优化的试验研究基于前述设计强度，开展膏体流动性能、凝固性能以及强度性能试验，根据试验结果对物料配比进行优化，推荐合理的充填浓度及配比。受

12、物料来源限制，西矿体充填物料主要由水泥及全尾砂组成，影响膏体性能指标的因素包括充填浓度及灰砂比，试验浓度范围68%72%，灰砂比1:820。3.1 膏体流动性能试验采用塌落度作为膏体流动性的评价指标，通过开展试验测试，获得了浓度、灰砂比对膏体流动性的影响规律，结果如图3所示。由图3（a）可知，膏体浓度越高，塌落度越小，当浓度达到73%时，塌落度迅速降低至20 cm。因此，在灰砂比1:820范围内，质量浓度低于72%，则膏体流动性满足塌落度2527cm的要求。由图3（b）可知，全尾砂浓度68%时，灰砂比在1:820之间变化时，塌落度未发生变化；全尾砂浓度70%时，不同灰砂比条件下塌落度范围为26

13、26.5cm；当浓度为72%时，塌落度随砂灰比的增大，先由20.5cm降低至19cm，再增大到21 cm，变化范围较小，可认为水泥掺量对膏体塌落度影响较小。这是由于：1) 水泥掺量总体上较少，其掺入后对尾矿粒度的影响不大；2）矿山尾砂的粒度较细（-38 m占到40%以上），部分颗粒的粒度近似于水泥细度，水泥掺入量的多少对混合物料的整体级配改变不大。(a) 塌落度随膏体浓度变化曲线 (b) 塌落度随灰砂比变化曲线图3 塌落度随浓度及灰砂比的变化规律(a) The change curve of the slump with concentrations (b) The change curve

14、of the slump with cement contentFig 3. The changs of the slump with concentrations and cement content3.2 膏体凝结性能试验凝固性能是指膏体拌合后至开始失去塑性所需的时间，其又具体分为初凝时间和终凝时间。凝固性能对矿山充填具有重要的现实意义，凝结时间越短，则充填体早期强度越高，有利于缩短井下采充作业的循环周期，提高矿山生产效率。本文采用砂浆凝结时间测定仪，对充填浓度68%，灰砂比分别为1:8、1:10、1:12、1:16、1:24时膏体的凝结时间进行了测定，结果表明：灰砂比1:8时凝结时间在2

15、0-24 h之间、1:10在30-35 h之间、1:12在4855 h之间、1:16在7075 h之间、1:24则大于100 h。3.3 充填体强度性能试验开展充填体强度性能试验，测试了充填体在不同龄期的单轴抗压强度，部分结果如图4所示。由图可知：充填体强度随浓度增大而增大，相同灰砂比条件下，浓度73%时膏体的28天强度是浓度68%时的5倍左右。当灰砂比1:8，浓度大于71%时，充填体7天强度即能达到0.3 MPa；当灰砂比1:12，浓度大于72%时，充填体14天强度可达到0.3 MPa；当灰砂比1:16，浓度大于73%时，充填体28天强度方可达到0.3MPa。膏体单轴抗压强度随水泥添加量的减

16、小而迅速降低，当灰砂比低于1:16以后，强度变化不大。(a) 充填体强度随浓度变化(b) 充填体强度随灰砂比变化图4 充填体单轴抗压强度变化曲线(b) The change curve of UCS with concentrations (b) The change curve of UCS with cement contentFig 4. The changs of the filling body Uniaxial Compressive Strength (UCS) with concentrations and cement content3.4 充填物料配比推荐根据上述试验结果，

17、同时在保证膏体具有较好的流动性，即塌落度大于25cm，满足充填体自立要求，即设计强度0.32 MPa的前提下。建议一步骤进路充填浓度70%72%，灰砂比1:1216；二步骤进路充填浓度70%72%，灰砂比1:241:30；4 井下实际充填效果采用推荐配比参数进行井下充填，膏体具有较好的流动性，能够均匀的充满整个进路，如图5所示。同时通过采联口处挑高、采场内安设排气管、施工充填井等手段，实现了充填体的高效接顶，如图6所示。现场施工过程中，在临近充填体一侧预留12m矿壁，矿壁采用控制爆破，且爆破滞后于主进路一炮距离同时爆破，避免了充填体垮落导致的贫化、采场顶板不稳等问题。图5 采场内膏体流动状态

18、图6 采场充填接顶状态 Fig.5 The flowing state of paste in mined-out area Fig.6 The roof-contacted filling state in stope 5结论（1） 采用经验类比及理论分析的方法，设计西矿体一步骤回采进路充填强度为0.31 MPa；（2） 流动性能试验结果表明：膏体塌落度随浓度的升高而降低，随灰砂比变化不明显，为了使膏体流动性满足塌落度2527cm的要求，充填浓度应当低于72%；（3） 强度性能试验结果表明：充填体强度随浓度增大而增大，随水泥添加量的减小而迅速降低；当灰砂比1:12，浓度大于72%时，充填体天强度可达到0.3 MPa；当灰砂比1:16，浓度大于73%时，充填体28天强度方可达到0.3MPa；（4） 根据试验结果推荐物料配比：一步骤进路充填浓度70%72%，灰砂比1:1216；二步骤进路充填浓度70%72%，灰砂比1:241:30；参考文献1 张晋军. 谦比希铜矿膏体充填技术应用研究J. 中