铅锌矿尾砂袋式充填体固结排水特性及固结增强力学作用机理研究

铅锌矿尾砂袋式充填体固结排水特性及固结增强力学作用机理研究

0充填袋围堰充填技术尾砂袋式填充开采法具有灵活性强、顶板回收率高的优点。可用于传统填充场的封闭墙、上下挡墙、人工回收支架等。袋式充填技术在南非得到了广泛的应用，充填袋采用具有渗滤功能的可泵送聚合物制成，通过木柱芯将充填袋固定成特定形状，通过充填管将胶结料浆灌注入充填袋内，形成袋式充填体。在我国，周爱民等针对香炉山钨矿大跨度多临空面复杂采空区治理难题，提出了围堰式袋装充填技术，采用充填袋围堰封堵充填处理空区，达到了安全经济、可靠处理空区的目的随着充填采矿技术在地下金属矿山的广泛应用，国内地下金属矿山普遍使用高强度充填挡墙。用充填体作为充填挡墙往往需要较高的强度，导致挡墙成本较高1袋式填充剂的脱水性能的研究1.1尾砂基础力学及粒级以彝良铅锌矿尾砂为研究对象，开展了尾砂基础特性试验及尾砂脱水性能试验，测得尾砂基础力学参数。采用马尔文激光粒度测试仪测试尾砂粒级，结果如图1所示，彝良铅锌矿的尾砂属于细尾砂，粒级不均匀系数为8.7，级配效果一般。通过渗透试验测定尾砂透水性能1.2缩短尾砂固结时间基于土力学单向固结排水理论，尾砂浆进入模袋后在外部荷载及灌浆压力共同作用下快速将水体排出，从而缩短尾砂排水固结时间式中，m为奇数正整数；σ为固结压力；D为最大排水距离，若为双面排水，D为尾砂厚度之半；T2袋式填充性能研究2.1袋式充填体内部尾砂抗剪强度模袋体在二维状态下的受力分析如图2所示。袋式充填体作为整体，受外力作用后将发生整体压缩变形，引起模袋整体扩张并产生一个张力T。模袋内的尾砂受张力T的约束，导致尾砂颗粒间的接触力N增大，由摩擦定律可知，接触力N增大导致尾砂颗粒间的摩擦力F增大，即袋式充填体内部尾砂的抗剪强度增大。可以认为，模袋的加固作用相当于在约束尾砂中引起一个附加黏聚力袋子张力T产生的附加应力（σ式中，B、H分别为模袋的长度与高度。作用于模袋内部尾砂上的总应力为外部施加的应力（σ由Mohr-Coulomb准则可知，当模袋内部尾砂达到极限平衡时，求得以下关系式：式中，c和φ为模袋内部尾砂的抗剪强度指标；K假定尾砂装入模袋后，内摩擦角φ保持不变，将模袋整体当作是一种材料，则从式（3）中可以得出模袋整体的黏聚力为：从式（5）可知：模袋内尾砂强度对模袋体张力T引起的附加黏聚力c2.2充填体强度试验采用室内试验，以配比、固结时间及尺寸为主要影响因素，对比分析了袋式充填体与充填体的力学性能，得到了应力应变关系曲线及袋式充填体的极限承载能力。试验采用某铅锌矿全尾砂、42.5基准水泥，选用68%及70%两种浓度、1∶4,1∶6,1∶8三种灰砂比分别制备了10cm×10cm×10cm的标准试件及10cm×10cm×75cm和10cm×10cm×150cm两种尺寸的模袋试件。将标准试件及袋式充填体试件放入标准养护室养护14d，测试其单轴抗压强度，并分析其破坏模式。为减少尺寸效应对充填体强度的影响，将模袋充填体切割成高度为10cm的近标准试件，测试其单轴抗压强度，如图3所示。试验分别得到了标准试件及模袋体强度曲线，如图4所示。可以看出，将充填体与模袋作为一个整体测试其强度时，在内部充填体屈服后，模袋体未达到其峰值强度，继续加载直至模袋体达到峰值强度，此时的峰值强度大于充填体的峰值强度。由此可知，由于模袋体的固结增强作用，使得在模袋体的强度较相同条件下充填体的强度有较大提高。强度测试结果见表1。相同配比、相同龄期及养护条件下，模袋体强度明显高于标准试件，且模袋表面积越大，模袋体强度越高。这是由于模袋为高强度、透水性土工材料，尾砂浆进入模袋后在外部荷载及灌浆压力得共同作用下能及时将水体排出，缩短排水固结时间，模袋尺寸越大越有利于排水固结。3袋式填充技术与匹配技术3.1充填挡墙受力分析充填料浆面高度低于或等于充填挡墙的高度时，受力分析如图5所示总压力：充填挡墙所受弯矩大小为：式中，P为总压力，N;H为挡墙高度，m;W为挡墙宽度，m；γ充填料浆面高度高于充填挡墙时，充填挡墙受力情况计算如下：充填挡墙总压力P为：充填挡墙所受弯矩大小：当一次充填高度达到3m时，挡墙受到的总压力最大，其值为306.661kN，最大弯矩33.727kN·m。当充填高度降低至1.5m时，此时，挡墙所受最大压力为76.675kN，最大弯矩6.965kN·m，挡墙受力小。在这种受力状态下，挡墙安全性较高。因此，建议首次充填高度不大于1.5m。3.2充填挡墙选择通常情况下挡墙的形式很多，如砖砌挡墙、木制挡墙、混凝土挡墙、钢筋柔性挡墙等通过综合分析挡墙的结构特点，以及挡墙的制作成本（见表2），建议进路充填时选择袋式充填挡墙。3.3模袋挡墙体施工为充分利用矿山充填系统，在正常充填过程中，采用三通管、换向阀等将灌浆管路接到要制作挡墙的位置，按照模袋挡墙的规格，结合矿山充填能力，注满一堵挡墙大概需要15min。模袋注满后，再将管路切换到充填采场中继续充填作业。同时在灌浆管路上安装DN50的清洗水管，在灌浆结束后，打开水管清洗灌浆管路。4进路、挡墙材料的安装以彝良铅锌矿为工程背景，选取760m中段四边形进路开展进路封闭工业试验，进路断面规格为3.5m×3.0m（宽×高），进路长约24m，空区体积约252m通过研究，采用膏体充填料浆浇筑袋式充填挡墙，充填料浆浓度为78%～80%，灰砂比为1∶4。挡墙厚度为1.0m。如图6所示，在需要封闭的进路处，先用钢管架设间距为1.0m的2排支架，钢管架的网度为0.5m×0.5m，要求钢管插入围岩或充填体内0.2m。支架立好后，在每个支架的内侧铺一层钢筋网，通过铁丝固定在支架上，最后在钢筋网上铺2～3层土工布，土工布延伸到周边围岩，需进行喷浆或者水泥砂浆涂抹的方式进行密封处理，防止周边跑浆。在支架围成的区域内的两侧边帮施工1.5m长的锚杆用来固定充填体。在进路口提前预埋进路充填管路，固定于顶板上，进浆管两侧分别使用一根倒楔锚杆固定，打入顶板900mm。在2个钢管架的外侧采用坑木搭斜撑，用以支撑钢管架。待充填体凝固后，视现场条件选择性回收挡墙材料。灌浆开始前，先将充填管道内的引流水排放至沉淀池，下料开始后待充填料浆浓度达到设计的配比参数时，打开灌浆管路闸阀，开始向模袋内灌浆，灌浆流量为30m试验采场模袋挡墙的实际制作成本约为2330元（含充填料浆的成本），低于矿山目前采用的混凝土挡墙结构方案，成本较混凝土挡墙降低了35.6%。5模袋体固结增强作用机理(1）通过试验可知，尾砂粒度较细，导致渗透性能很差，不利于尾砂的固结。由于模袋为高强度、透水性土工材料，尾砂浆进入模袋后在外部荷载及灌浆压力的共同作用下