CN112523801B

CN112523801B - 一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构及其充填工艺

Info

Publication number: CN112523801B
Application number: CN202011324118.1A
Authority: CN
Inventors: 陈秋松; 余一波; 张钦礼; 齐冲冲; 冯岩; 王道林
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112523801A

Abstract

本发明公开了一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构及其充填工艺，充填体内包含若干层纤维编织网，所述纤维编织网的边界与采空区周边岩壁固定连接，所述纤维编织网间隙充填尾砂充填料固化形成充填体。本发明在矿山充填工艺领域创新性地利用抗拉强度高的复合纤维增强材料连接成网铺设采空区，从而增强尾砂充填体力学性能，应用过程中施工方便便捷，可以有效的减少水泥等胶凝材料的损耗，在提高固化强度的同时显著地降低综合充填成本，特别适用于采场暴露高度较小的进路式和上向分层式采场充填，是一种经济效益好、限制条件少的尾砂充填方案，提高了矿山采空区的尾砂充填体整体性能，具有良好的经济效益和推广价值。

Description

一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构及其充填工艺

技术领域

本发明属于矿山充填技术，具体涉及一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构及其充填工艺。

背景技术

在现代社会，矿产资源是人类生存和发展中必不可少的物质基础，在经济高速发展过程中，中国有大约95％以上的动力和85％的工业原料都取自于矿产资源，但是矿产资源是一种不可再生的天然资源。为了提升矿产资源的利用率，提高矿产资源的使用年限，维护和发展绿色可持续矿山变得越来越重要，尤其是进入21世纪以来，由于工业文明对环境产生的污染与破坏已经引起全人类的重视，节能减排与环境保护成为人类社会未来发展的重要话题，因此矿业的发展也迈入了一个全新的阶段——绿色矿山。全尾砂充填采矿法不仅可以实现资源的高效回收(低贫化率，高回收率)、控制因开采问题引起的地质灾害问题(空区垮塌，地表塌陷等)，缓解深部矿床开采遇到的“三高”(高应力场、高温度场、高渗流压力场)问题，还可以最大限度地降低尾矿产出量，减轻甚至消除尾矿库安全隐患，降低尾矿堆积对地表造成的环境污染。因此，全尾砂充填采矿法得到了政府部门和矿山企业的大力支持。

全尾砂充填通常需要添加一定比例的水泥(或其他胶凝材料)以确保充填体的强度满足矿山生产的安全要求。胶凝材料的使用成本高昂，尤其是随着国家和地方政府对采石场控制生产政策的逐步落实，水泥价格水涨船高，其费用占到矿山充填成本的60-85％，制约了全尾砂充填技术的推广应用。因此，寻求一种易于工业应用且能有效提高全尾砂充填体力学特性的方法成为减少矿山企业充填成本主要课题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有矿山尾砂充填体抗压强度低，长期强度低，塑性变形能力差以及水泥使用成本高昂的问题，提供一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构及其充填工艺。

本发明采用如下技术方案实现：

本发明采用一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，充填体内包含若干层纤维编织网，所述纤维编织网的边界与采空区周边岩壁固定连接，所述纤维编织网间隙充填尾砂充填料固化形成充填体。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，进一步的，所述纤维编织网通过若干横向纤维和若干纵向纤维交叉成网，所述横向纤维和纵向纤维的两端分别固定在采空区周边岩壁上。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，进一步的，所述横向纤维和纵向纤维的交结点固定连接。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，进一步的，所述横向纤维和纵向纤维通过锚固在采空区周边岩壁上的挂钩固定。

本发明还公开了一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，包括如下步骤：

步骤一、充填准备工作，架设脱水井和滤水门；

步骤二、沿采空区周边岩壁布设挂钩；

步骤三、铺设纤维编织网，将纤维编织网的边界处与固定在采空区周边岩壁的挂钩固定；

步骤四、封闭滤水门，采用尾砂和水泥的混合充填料充填在纤维编织网的间隙内，充填到顶。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，进一步的，所述步骤一中，脱水井架设在采空区入口附近，脱水井下方连接一刚性的横向脱水管引出滤水门外，滤水门架设在下部采场进路入口处。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，进一步的，所述步骤二中，所述挂钩根据纤维编织网的网格密度以及铺设层数在采空区周边岩壁布设，所述挂钩对应纤维编织网的每条纤维单丝。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，进一步的，所述挂钩与所在岩壁的垂度偏差不超过1％。

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，进一步的，所述步骤三中，先将第一方向的纤维单丝固定，第二方向的纤维单丝上下交错依次穿过第一方向的纤维单丝铺设成网

上述方案中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，进一步的，所述纤维单丝选用断裂强度>1000Mpa、纤维弹性模量>2.2Gpa的玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维或尼龙绳。

本发明具有如下有益效果：

本发明公开的一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，以纤维编织网作为尾砂固化充填的添加剂，以水泥和尾砂骨料混合料进行矿山采场等高强度要求区域充填，在采场回采完毕后，进行充填准备时，在采空区内部按照设定网格密度铺设挂钩，在滤水门上也需要铺设，然后再依次铺设纤维单丝，定位编织成网，在充填体内部形成多层纤维网状结构有着较强的耐腐蚀和抗老化等功效、质量轻、便于运输及施工、强度大、变形小，有效提高采空区充填结构的强度。使得尾砂充填料浆在满足充填输送条件下，综合考虑现有充填成本，在特定的高湿度，酸碱严重环境下，不仅明显的降低了水泥等凝胶材料的单耗，提高了尾砂利用率，还明显的使充填长期强度、抗拉、抗压、抗酸碱的性能提升，综合效益明显。

综上所述，本发明在矿山充填工艺领域创新性的利用抗拉强度高的复合纤维增强材料连接成网铺设采空区，从而增强尾砂充填体，应用过程中施工方便便捷，可以有效的减少水泥等胶凝材料的损耗，在提高固化强度的同时显著地降低综合充填成本，特别适用于采场暴露高度较小的进路式和上向分层式采场充填，是一种经济效益好、限制条件少的尾砂充填方案，提高了矿山采空区的尾砂充填体整体性能，具有良好的经济效益和推广价值。

以下结合具体实施方式对本发明进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的采空区铺设纤维编织网增强固化充填的示意图，为了更好地展示采空区内的纤维编织网，图中省略了充填料。

图2为实施例中的挂钩在滤水门上的布置示意图。

图3为实施例中的纤维交替编织成网的局部示意图。

图中标号：100-采空区，101-滤水门，102-采场进路，2-纤维单丝，21-横向纤维，22-纵向纤维，3-挂钩。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的采空区采用纤维编织网增强尾砂固化的充填方式为本发明的一种具体实施方案，在采空区采用尾砂进行充填，形成的充填体内部嵌设若干层纤维编织网，纤维编织网通过纤维单丝2编织成网，在本实施例中，纤维编织网通过若干横向纤维21和若干纵向纤维22交叉成网，纤维编织网边界的横向纤维21和纵向纤维22的端部分别固定在采空区周边岩壁上，横向纤维21和纵向纤维22作为纤维编织网的纤维单丝，通过锚固在采空区周边岩壁上的挂钩3固定，在纤维编织网间隙充填尾砂充填料固化形成充填体。

本实施例通过编织纤维网增强的尾砂结构施工方案如图1所示，下面对具体的充填工艺进行描述，包括涉及的构件结构，充填工艺，施工各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用、工作原理以及使用注意校正等，做进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思，技术方法和工艺操作有更完整，准确和深入的了解。

步骤一、充填准备工作，架设脱水井和滤水门。首先，根据采场采空区100规模获得的采场模型确定采空区充填步骤，通过准确测量采空区100内部空间的长宽测算采空区体积，设计纤维编织网按照1m×1m的网格密度计算挂钩的使用量，同时做好纤维单丝长度和充足的准备，防止后续的材料不足。在完成整个采场经过回采作业，将整个的矿块矿房内的矿石全部放出并且运输走后，清理采场工作形成采空区100，等完全做完之后，就可以进行最后的充填准备项目。先架设滤水门和脱水井，脱水井一般都是架设在了采空区100在采场进路102的采场入口处，其下方连接一刚性的塑性管引出采场之外，每一个采场脱水井的架设数目要根据现场的实际来确定，目的是节省成本和原料。而滤水门101一般则是在下部的采场进路口附近设置，滤水门101的强度要求高，是为了承受极大的充填压力。

步骤二、沿采空区周边岩壁布设挂钩。挂钩采用金属材质挂钩，纤维单丝2是通过挂钩3固定铺设，在铺设纤维编织网前，先要进行挂钩3的安装工作。首先冲洗采空区壁面，清除浮岩，保证挂钩3能安全、有效的起拉扯纤维的作用；挂钩示意图见图2，然后确定眼位，挂钩3按照1m×1m的网格密度在采空区周边岩壁上作出标记，在钻杆上做好钻深标记；准备好风管、水管及风钻等工具；风钻打眼后，用手镐点眼定位，刨出眼窝，钻头放入眼窝后，按规定的角度和方向均匀用力向前推进直至达到要求深度，然后将挂钩3插入打好的孔内，通过膨胀螺钉等方式进行锚固，对安装后出现偏差的挂钩进行校正，要保证挂钩3相对所在岩壁的垂直度偏差控制在1％以内，对于难以校正到要求的挂钩则拔杆重打；挂钩3在安装后，对每根挂钩进行紧力检测，不合格的挂钩要立即上紧，例外不合格的也要重新拔杆补打。

步骤三、铺设纤维编织网，将纤维编织网的边界处与固定在采空区周边岩壁的挂钩固定。本实施例的纤维单丝2采用玻璃纤维，直径在20mm，纤维平均线密度为1200g/m³，纤维单丝2的断裂强度>1000Mpa、纤维弹性模量>2.2Gpa，实际应用中还可以选用碳纤维或玄武岩纤维或符合强度要求的尼龙绳。

本实施例的玻璃纤维编织网由操作工人在采空区将纤维单丝定位成网而成，铺设纤维单丝的顺序是，由采空区100的上部往下依次将纤维单丝固定在对应的挂钩3上。每一层的纤维网由横向纤维21和纵向纤维22的单丝现场编织组合而成，同层的纤维编织网中，先将第一方向的纤维单丝固定在挂钩3上，然后将第二方向的纤维单丝上下交错依次穿过第一方向的纤维单丝铺设成网，这里所指的第一方向和第二方向即对应采空区内的横向和纵向，可以根据采空区的形状选择横向纤维和纵向纤维的铺设顺序，每一层的纤维单丝中保持横向纤维单丝不动，纵向纤维单丝上下交错编织成网，如图3中所示，纤维单丝铺设完成后，采用乳液涂敷纤维单丝交结点，将纤维单丝的交结点通过胶粘固定，使整层编织后的纤维单丝定位成网。由上往下待到铺设滤水门上部时，停止铺设纤维单丝，保证人员和材料在早期安全、方便的通过。在铺设滤水门区域的纤维单丝时，如图2中所示，先铺设纤维单丝在滤水门下部的挂钩上，等完成后，开始铺设纤维单丝在滤水门后的挂钩上，等到纤维单丝定位成网后，陆续人员和设备的退场，最后封闭滤水门。

步骤四、封闭滤水门，采用尾砂和水泥的混合充填料充填在纤维编织网的间隙内。各种准备工作做好，就通知地表充填站下放充填料对采场进行充填，的充填材料包括水泥和尾砂骨料。利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行矿区充填施工，随着充填高度的加大，脱水井也不断加高，一直等到充填到顶部。

以下通过对设置六组不同体积率的纤维编织网的CTB试件(水泥尾砂回填料浇筑试件)进行UCS(单轴抗压强度)的室内比对试验。

试件编号	纤维编织网体积率	7天后试件UCS	14天后试件UCS	28天后试件UCS
					0	0	3.4145	4.186	6.74
1	2.1％	3.621	4.4175	7.204
					2	4.2％	4.083	4.8855	7.712
3	6.3％	4.4965	5.323	8.6155
					4	8.4％	4.9715	5.9735	9.1685

上表中的室内试验结果显示，同样养护条件和时间下，玻璃纤维编织网体积率的增加对单轴抗压强度有一定的提高。例如：灰砂比为1：6时，纤维编织网体积率为0％，2.1％，4.2％，6.3％，8.4％的7天试件其UCS分别为3.4145，3.621，4.083，4.4965，4.9715，其相对于非增强CTB试件(即纤维编织网体积率为0的0号试件)强度增加分别达到了6.04％，19.57％，31.69％和45.60％。但是，随着养护时间的增加，玻璃纤维编织网增强CTB试件的强度增加率反而降低。例如：灰砂比为1：6，其14天试件的UCS值为4.186，4.4175，4.8855，5.323，5.9735相对于非增强CTB试件强度增加只有5.53％，16.71％，27.17％和42.70％。同时，其28天试件的UCS值为：6.74，7.204，7.712，8.6155，9.1685相对于非增强CTB试件强度增加有6.88％，14.42％，27.82％和36.03％。。

因此，随着纤维编织网体积率的增加，纤维编织网增强CTB试件的UCS值逐渐增大。纤维编织网可以有效提高试件早期强度，随着养护时间变长，试件的强度主要体现于试件基体强度。纤维编织网增强效果降低。事实上，与现有CTB结构相比，纤维编织网对于CTB试件的强度性能改善明显，纤维编织网的加入，提供了试件水平抗拉强度，防止试件UCS测试中的劈裂破坏，增强了基体的韧性。同时，纤维编织网的加入，改善了基体的开裂后响应，使试件破坏后依旧有承压的能力。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种纤维编织网增强尾砂固化充填结构，其特征在于：充填体内包含若干层纤维编织网，所述纤维编织网的边界与采空区周边岩壁固定连接，所述纤维编织网间隙充填尾砂充填料固化形成充填体；所述纤维编织网通过若干横向纤维和若干纵向纤维交叉成网，每一层的纤维网由横向纤维和纵向纤维的单丝现场编织组合而成，所述横向纤维和纵向纤维的两端分别固定在采空区周边岩壁上；所述横向纤维和纵向纤维通过锚固在采空区周边岩壁上的挂钩固定；所述横向纤维和纵向纤维的交结点通过胶粘固定连接。

2.一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、充填准备工作，架设脱水井和滤水门；

步骤二、沿采空区周边岩壁布设挂钩；

步骤三、铺设纤维编织网，将纤维编织网的边界处与固定在采空区周边岩壁的挂钩固定；铺设纤维单丝的顺序是，由采空区的上部往下依次将纤维单丝固定在对应的挂钩上，每一层的纤维网由横向纤维和纵向纤维的单丝现场编织组合而成，同层的纤维编织网中，先将横向方向的纤维单丝固定在挂钩上，然后将纵向方向的纤维单丝上下交错依次穿过横向方向的纤维单丝铺设成网，纤维单丝铺设完成后，采用乳液涂敷纤维单丝交结点，将纤维单丝的交结点通过胶粘固定，使整层编织后的纤维单丝定位成网；

步骤四、封闭滤水门，采用尾砂和水泥的混合充填料充填在纤维编织网的间隙内，充填到顶；

所述挂钩根据纤维编织网的网格密度以及铺设层数在采空区周边岩壁布设，所述挂钩对应纤维编织网的每条纤维单丝。

3.根据权利要求2中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，其特征在于：所述步骤一中，脱水井架设在采空区入口附近，脱水井下方连接一刚性的横向脱水管引出滤水门外，滤水门架设在下部采场进路入口处。

4.根据权利要求3中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，其特征在于：所述挂钩与所在岩壁的垂度偏差不超过1％。

5.根据权利要求4中的一种纤维编织网增强尾砂固化充填工艺，其特征在于：所述纤维单丝选用断裂强度>1000Mpa、纤维弹性模量>2.2Gpa的玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或尼龙绳。