CN113912331A - 一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于填充磷矿矿井的高强度骨料胶结材料，包括水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业。本发明以水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿为原料，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业，一方面能够保障填充物的物理强度，另一方面能够降低原料成本。

Description

一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料
技术领域
本发明涉及一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，属于矿井回填材料技术领域。
背景技术
一直以来，我国矿业为国家经济建设提供了重要的资源支撑，但长期开发也积累下严重的矿山地质环境问题，大量矿山固体废料堆放地表诱发泥石流、尾矿溃坝等事故且造成了自然生态环境的恶化，人们越来越清楚的认识到加强矿山环保和矿山资源综合利用的重要性及实现绿色采矿的迫切性。推动科技创新，发展绿色矿业和循环经济，提高资源开采和利用效率，为促进世界可持续发展作出新贡献”，绿色发展是矿山企业的最终目标，发展绿色矿山是大势所趋。“绿色矿山”建设不仅应关注资源综合利用，更应该重视技术创新，改进和优化工艺流程。
作为“绿色矿山”关键技术之一的充填采矿法，具有采切工程量小、灵活性大、矿石损失贫化小的优点，能够消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境，具有降低废石尾砂等固体废料排放的功能。可适应各种开采技术条件下的矿床，特别是“三下”“大水”“复杂”矿床，基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。勿庸置疑，充填采矿法将成为绿色矿山前提下的首要选择。
矿山充填能实现采矿活动中各生产环节的衔接。通过充填，能最大限度的回采矿产资源和保护远景资源，实现“采富保贫、贫富兼顾”；将采矿和选矿产生的废尾，通过矿山充填将固体废料转变为充填原料，实现固体废料零排放或少排放以保护生态环境。特别是在深部，充填采矿法在控制采场地压、维护采场稳定以及消除采空区带来的地质灾害等方面具有重要的作用。因此，充填采矿法得到越来越广泛的应用，其工艺技术水平和相应的理论研究也得到迅速的发展，在此过程中充填体力学也逐渐形成为岩石力学下一门独立的分支学科。
目前在中国运用最多的浆液材料主要是混凝土，以水泥为胶结材料的混凝土技术也逐步成熟，但运输成本不断增高，导致混凝土的价格逐年增长，并且矿井内不同位置对填充物的强度要求也不尽相同，采用相同比例的混凝土也势必存在原料浪费的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，以水、水泥、骨料和尾矿为原料，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业，一方面能够保障填充物的物理强度，另一方面能够降低原料成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，包括水、水泥、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水和水泥充分搅拌后进行填充作业。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶4∶3∶13，混合后的原料用于填充分段、高分层底柱、顶柱、单一矿柱、边界矿柱和矿房接顶。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶6∶11∶26，混合后的原料用于填充分层、分段内大于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶8∶24∶44，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶10∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，包括水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶28∶12∶30∶130，混合后的原料用于填充分段小于15米单一矿柱、边界矿柱、矿房接顶。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶42∶18∶110∶260，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶56∶24∶240∶440，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
前述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料中，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是1∶7∶3∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域充填分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
与现有技术相比，本发明以水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿为原料，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业，一方面能够保障填充物的物理强度，另一方面能够降低原料成本，可以在目前的充填成本上节约10元/m3。采用本材料，具有以下优点：一是改变围岩中的次生应力场；二是提高采场围岩和矿柱的强度；三是降低岩体应力能量释放速度，防止应力集中，减少岩爆危害。根据不同灰砂比充填体强度及井下开采充填体承受力要求，依据设计采场、空场所需充填体应承受力需求，选择合适的配比。
附图说明
图1是本发明的部分填充位置示意图；
图2是本发明的另一部分填充位置示意图；
图3是本发明的一种实施例的填充工艺流程图；
图4是骨料及Fuller级配下各粒级区间的骨料分布频度图；
图5是井下废石作为骨料粒级特性曲线图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
矿山充填工艺分3个步骤完成，一是充填材料的准备，包括充填骨料的采集、破碎、筛分、运输、储存，胶凝材料的选择、中性水源的准备等；二是选择合理的配合比和浓度制备充填料浆；三是充填料浆的输送，料浆制成后，采用管道输送和其它输送方式将料浆输送到井下采场，完成充填作业。
通常情况下，充填设计是根据采矿方法对充填体强度要求，进行材料配合比设计，并选择合适的浓度范围以适应管道输送。充填体强度是根据采矿方法要求而设计的，是基础；充填料浆能否实现管道稳定输送是关键。目前大多数充填矿山，充填料浆的输送都采用管道输送的方式，所以，充填料浆的流动性必须满足管道输送的要求。在充填倍线确定的前提下，保证将充填料浆以自流或泵送的方式顺利地输送到井下采空区，是实现充填的先决条件。成本是充填设计的前提条件，决定了能否“用得起”。充填成本是采用充填采矿法的矿山中占用出矿成本较高的一块，充填材料的费用又是构成充填成本的主要因素。因此，矿山选择充填材料时，首先要保证充填材料的来源广、成本低；选用尾砂、井下废石、磷渣超微粉等固体工业废料做充填材料，不仅成本低廉，而且可以解决矿山企业的排污问题，所以，这类工业固体废料应该是充填材料的首选物料；其次，可因地制宜，采用井下废石等自然材料，减少固废排放占压堆存。同时，通过对充填材料及充填料浆配合比的试验研究，选择廉价的、满足生产条件的充填材料和选择合理的充填料浆配合比是降低充填成本的有效方法。料浆浓度是纽带，影响着配合比、强度、可管输性、充填体的均质性、稳定性、可塑性、流变性等。在实际的矿山生产中，充填材料种类越少，地表储料仓的建设和占地越少，建设投资规模越小，相应的充填制浆系统越简单，充填料浆的配合比越容易控制；反之，则整个制浆站工艺复杂，控制繁琐，而且因各种物料供料的波动性，对制成料浆的质量有较大的影响。所以，在满足其他原则的前提条件下，应设计简单的料浆配合比和制浆系统。只有在充填规模大、充填材料来源丰富和充分考虑了综合技术经济指标的前提下，才可选用更多种物料搭配方式。
骨料的级配是指从最细材料到中等颗粒、粗颗粒的骨料粒径分布情况。通俗地讲，骨料级配应该较好，只有这样，细颗粒才能填充粗颗粒之间的空隙，这有利于减少骨料骨架中的空隙率。这些空隙又被水泥浆等胶凝材料填充，硬化后，就将原本松散的骨料颗粒连接成为整体，即像岩石一样坚硬的混凝土。
目前常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论和量子干涉理论。前者主要描述了连续级配的粒径分布，用于计算连续级配，后者则可用于计算连续级配和间断级配，而现有级配算法皆以最大密度曲线理论为基础发展而来，只强调级配达到最大密实度，没有考虑骨架结构的形成与否，由此设计的级配也就难以形成骨架密实结构。
最大密度曲线理论是通过试验提出的一种理想曲线。W.B.Fuller通过试验后提出了固体颗粒按粒度大小有规律的排列，粗细搭配，便可以达到密度最大空隙最小的混合料。初期研究认为细集料的颗粒级配为椭圆形曲线，粗集料为椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线可以达到最大密度。后来经过改进，提出简化的“抛物线最大密度理想曲线”，认为颗粒级配曲线越接近抛物线，则密度越大。表达式为：
Figure RE-GDA0003408253800000051
式中，Px—希望计算的某集料粒径d的通过百分率，％；
D—集料的最大粒径，mm。
混凝土工业试验和应用表明，满足Fuller理想级配的骨料特别适用于拌制低流动性混凝土拌合物，具有颗粒紧密堆积的特点。现场施工时，这种混凝土需要高效振动仪器浇筑施工。
为此，Bolomey建议引人参数A修正理想级配曲线，参数A需要考虑工作性要求和骨料类型(天然骨料或人工骨料)。如果A＝0，则Bolomey公式与Fuller公式相同。
Figure RE-GDA0003408253800000052
Dmax——指筛分实验中骨料全部通过或者最多5％未通过的筛的孔径。
随着混凝土的工作性由干硬变化到高流动性和骨料由球形天然骨料变化到角形碎石，参数A也随之从8增大到14。A值的增大意味着通过5mm筛的细颗粒材料含量的增加。
在充填材料的选择上，充填砂浆强度的试验研究方面做了大量工作。从技术经济的角度出发，矿山选择了储量丰富的尾矿、黄磷渣、井下废石作为充填料。磷渣超微粉就是黄磷渣研磨成粉制成的，具有较强的胶结能力，可以作为水泥生产的原材料。
Figure RE-GDA0003408253800000053
Figure RE-GDA0003408253800000061
根据上表，绘制骨料及Fuller级配下各粒级区间的骨料分布频度图如图4所示。
可以看出，骨料的粒径分布呈“粗粒与细粒偏少而中间粒级偏多”的特征。事实上骨料粒径分布指数为0.5，满足fuller对级配的要求，骨料的粒径分布较好，致密度较高，但是可以看出骨料是很细，骨料基本处于200目以下。若单独使用骨料进行充填，由于颗粒过细必然导致充填水泥消耗量的增多，不利于胶结充填体强度的发展，因此骨料虽然级配指数非常理想，但是充填过程中必须混入粗骨料以减少水泥消耗的同时加强充填体强度。
井下废石具有较多的角和粗糙的表面质构，在搅拌时相邻粒子摩擦非常强烈，同时还具有较大的表面积与体积比，需要更多的水泥浆以完全覆盖颗粒的表面。井下废石破碎集料对于充填料浆配合比设计的影响主要包括颗粒形状、质构以及集料级配。根据有关胶结充填的安全技术标准，胶结充填骨料的最大粒度不宜超过输送管径的1/5，磷矿矿山采场的输送管径多数为内径100mm钢管或塑料管，因此，井下废石的最大粒度不宜超过 20mm。井下废石采用鄂式破碎机进行破碎，直到破碎粒度满足设计要求为止。井下废石集料的级配或者粒径分布是集料的重要性能，决定了骨料的堆积密实程度和充填水泥用量以及可管输性质等。通过测试与分析，井下废石破碎骨料集料粒度级配如下表所示：
Figure RE-GDA0003408253800000062
Figure RE-GDA0003408253800000071
井下废石作为骨料粒级特性曲线图如图5所示。
井下废石破碎集料级配曲线如上图所示。井下废石破碎集料级配指数n＝0.41，小于 Fuller级配指数(n＝0.41)。显然井下废石破碎集料粗粒级含量大，堆积密实度较大，在高水灰比条件下管道输送(无论是泵压或自流输送)中料浆易发生泌水现象而导致堵管，另外管输中大颗粒易发生沉积，不利于管道输送，必须配之以细料以改善级配，增大填隙效应和骨料密实度。
一般情况下，充填骨料占去充填实体中60％以上的质量，而水泥成本占去充填材料成本的70％以上。因此，降低充填成本的简单而必须的原则就是“向充填体中多加骨料、少加水泥和自流充填”。根据目前国内外充填实践结果来看：高浓度管输充填条件下，只要将料浆的体积浓度增大1％，同等强度条件下水泥用量可下降5～10％。级配好是“多加骨料”的前提，因此，需要进一步研究合理配制充填料浆和选择充填浓度。
骨料粒径分布指数为0.5，满足fuller对级配的要求，骨料基本处于200目以下。单独使用骨料进行充填，不利于胶结充填体强度的发展，因此骨料虽然级配指数非常理想，但是充填过程中必须混入粗骨料以减少水泥消耗的同时加强充填体强度。
井下废石破碎集料级配指数n＝0.41，小于Fuller级配指数(n＝0.41)。井下废石充填输中大颗粒易发生沉积，不利于管道输送，必须配之以细料以改善级配，增大填隙效应和骨料密实度。
从定量分析角度来讲，矿山胶结充填骨料堆集密实度(Φ)是指骨料散体系中固体体积与散体系总体积之比，骨料散体系的孔隙率(ω)是指骨料散体系的空隙体积与散体系总体积之比。根据堆集密实度和孔隙率的定义,Φ＝1-ω。孔隙比ε与孔隙率ω关系为：ε＝ω/ (1-ω)。假设充填骨料散体系由粗骨料1和细骨料2混合而成，并定义充填骨料散体系的各项参数如下：
(1)x----两种骨料中粗骨料配比度，即骨料1质量与混合骨料质量之比；
(2)m----混合骨料总质量，kg；
(3)m1----两种混合骨料中骨料1(粗骨料)的质量，kg；
(4)m2----两种混合骨料中骨料2(细骨料)的质量，kg；
(5)k-----两种混合骨料中骨料1与骨料2质量之比。
(6)ρ-----混合骨料的密度，t/m3；
(7)ρ1----骨料1的密度，t/m3；
(8)ρ2----骨料2的密度，t/m3；
(9)Φ-----混合骨料堆集密实度；
(10)
Figure RE-GDA0003408253800000081
----某种混合状态下骨料1(粗骨料)的堆集密实度；
(11)Φ1----骨料1的堆集密实度；
(12)Φ2----骨料2的堆集密实度；
(13)ω-----混合骨料孔隙率；
(14)ω2----骨料2的孔隙率；
(15)ω1----骨料1的孔隙率。
两种骨料混合堆集密实度数学模型的建立如下：
(1)根据ρ、ρ1、ρ2、x参数的意义，有下列等式：
1/ρ＝x/ρ1+(1-x)/ρ2 (3)
(2)根据两种骨料各自固体体积在混合前后保持不变的性质可建立如下式：
Figure RE-GDA0003408253800000091
(3)根据x的参数意义则其取值范围为：0≤x≤1，则
Figure RE-GDA0003408253800000092
有以下几种情况：
①边界条件1：当x＝1时，即无骨料2时，由4)式得：
Figure RE-GDA0003408253800000093
②边界条件2：当x＝0时，即无骨料1时，由(4)式得：Φ＝Φ2；
③当x很小时，即骨料2占绝对优势比例时，骨料1因不能构成骨架结构其孔隙完全被骨料2填满，而此时骨料1孔隙率可视为零，即有ω1＝0。即骨料1在混合料中不构成骨架结构，而是完全被“悬浮”在骨料2中。这种状态定量表示如下：
Figure RE-GDA0003408253800000094
将(5)式代入(4)式立即得到：
Figure RE-GDA0003408253800000095
④当且x很大时，即骨料1占绝对优势比例时，骨料1在混合料中构成完整的骨架结构，骨料2只是用来“填隙”。骨料2填隙从部分直至全部将骨料1的孔隙填满。这种状态定量表示如下：
Figure RE-GDA0003408253800000096
Figure RE-GDA0003408253800000097
其中:
Figure RE-GDA0003408253800000098
综上,可建立两种混合料堆集密实度模型函数如下：
Figure RE-GDA0003408253800000101
式中符号意义同前。
从两种混合料堆集密实度模型函数可知，两种骨料的混合堆集密实度Φ是两种混合骨料的配比度的单值函数。而混合骨料散体系中粗骨料1的堆集密实度Φ1、细骨料2的堆集密实度Φ2、两种混合骨料密度ρ、粗骨料1的密度ρ1、细骨料2密度ρ2等均可通过实验测取。
从浆体性质来讲，尾矿-骨料胶结充填料浆是一种低标号的多相混合体。理想状态下的充填料浆，其组分是相互均匀分散的，相互填充。对于料浆中体积占绝大多数的尾矿集料而言，良好的级配不仅可以减少离析现象，改善料浆拌合物的工作性，而且增加了尾矿颗粒之间的嵌锁能力。骨料中似圆形颗粒占绝大部分，且粒径分布较均匀，极细粒级絮状物质粘附在粗粒表面，采用合适的比例来确定最大密实度。
根据式(8)计算可得尾矿骨料混合料的堆集密实度最大值点，即尾矿：骨料≈0.7:0.3 时Φ＝0.76961。
当尾矿破碎集料所占比例小于0.6时，混合料的堆集密实度随尾矿粗颗粒量的增大而增大。随着尾矿破碎集料量的增多，粗颗粒量也逐渐增大，“骨架”效应明显，导致混合料的密实度进一步增大。随着尾矿粗骨料的进一步增多，此时骨料量逐渐减少，混合料的堆集密实度也出现了降低的趋势。
骨料的堆积密实度计算结果与实测结果具有相同的趋势，结果显示：堆积密实度在粗骨料占比60％时达到最大，此时的实测堆积密实度为0.73，随后堆积密实度开始减少。在混合充填料中，随着细骨料的增多，骨料的孔隙率逐渐降低，当细骨料达到60％时骨料孔隙最小。最大的堆积密实度意味着此时的充填料浆应具有相同条件下最大胶结强度。
胶结充填体是一种借以控制地压的手段，只有在受压条件下，才能产生抵抗力反作用于围岩。由于采用空场法采矿，采场围岩在采场开采过程中已经完成应力释放、转移等应力重新分布过程，即使使用高弹性模、高强度的充填材料也不会对采场围岩立即产生支撑效果，因此胶结充填体的支撑作用主要表现为承载采场松脱地压。
对胶结充填体内聚力、内摩擦角、胶结充填体与围岩之间的接触条件、胶结充填体所受围岩侧压力加以考虑，采用极限平衡分析方法建立了胶结充填体三维楔形体的平衡方程，得到了胶结充填体垂直应力分布解：
Figure RE-GDA0003408253800000111
式中:K按
Figure RE-GDA0003408253800000112
近似计算；
β—充填体底部的滑动面与水平面的夹角，°；
Figure RE-GDA0003408253800000113
Cj—胶结充填体与围岩之间的内聚力，MPa；
Figure RE-GDA0003408253800000114
约为0.6-1之间。
其余参数同前。
卢平楔体滑动模型，不仅能反应充填体高度、长度对充填体所需强度的影响，还能反应充填体强度特性(内聚力和内摩擦角)以及充填体与围岩之间相互作用对充填体所需强度的影响。该模型是水泥胶结充填体力学特性研究的成果，对水泥胶结充填体在自立条件下有着较好的适用性，蔡嗣经教授曾用卢平楔体滑动模型计算芒特艾萨矿山自立状态下胶结矿柱的所需强度，其计算结果与芒特艾萨矿山实测结果最为接近，且计算结果位于实测结果之上，验证了模型自立条件下的适用性。
采用Origin软件自定义函数对骨料三联杆高压固结实验结果进行拟合，建立了骨料密度随高度变化的函数关系，通过分析采场内骨料充填体任意高度上微元体的力学平衡状态，建立了骨料自重应力与高度的等量代换关系，将其带入骨料随压力变化的函数关系，得到了骨料密度随高度的变化关系满足幂函数特征：
ρh＝iρ0砂(h+j)l
其中：
Figure RE-GDA0003408253800000121
Figure RE-GDA0003408253800000122
Figure RE-GDA0003408253800000123
矿骨料密度随高度的变化关系可描述为：
ρh2＝1.2ρ02(h+0.0246)0.0492
采用上述公式以及矿井的各部位实际尺寸可以计算出各部位采用何种比例的胶结体。
试验的结果表明：①尾矿+骨料混合后的级配分析：尾矿、骨料混合料的三种不同配比的粒径分布均满足Fuller级配理论模型，其中，尾矿骨料5:5混合时的Talbol级配指数n＝0.25最大，其次是尾矿骨料4:6混合时n＝0.23，尾矿骨料3:7混合时级配指数n＝0.21次之。这与Talbol级配理论是吻合的，说明三种配比中只有5:5的混合料具有较好的堆积密实度。②磷渣超微粉+骨料混合后的级配分析：级配都符合Talbol级配方程，曲线的拟合系数都较高，磷渣超微粉骨料3:7,4:6,5:5的拟合指数分别为0.23,0.26和0.31，其中与Fuller指数最接近的是磷渣超微粉骨料5:5，说明在此种配比下黄磷渣骨料混合料具有最优的堆积密实度，具有最小的孔隙率和相同条件下最大的胶结强度。
胶结体强度与单位体积料浆中骨料堆集密实度、料浆的体积浓度、水灰比存在密切的关系，且与骨料堆集密实度呈线性关系；与水灰比呈负幂指数关系；由模型回归结果可知，在影响胶结体强度(3天、7天、28天)的因素中，骨料堆集密实度(由级配决定)是首要因素，W/C是影响强度的次要因素。
结合前人研究成果，本项研究提出了新的强度预计模型，模型的优点是综合考虑了骨料、水泥和水对强度的影响，并且有利于回归分析。
Figure RE-GDA0003408253800000124
从强度试验结果看，尾矿-骨料胶结充填料浆中，5:5～3:7的料浆在1/6的灰砂比下均能达到强度的要求，在灰砂比1/8的配比下，只有尾矿、骨料在5:5和4:6的比例下才能达到要求，磷渣超微粉-骨料在1/6、和1/8的灰砂比下均能满足胶结强度要求。从胶结强度优化的角度来看，水泥含量越低越能节约充填成本，且在充填成本分布中，磷渣超微粉的单价要高于尾矿的单价，因此推荐在工业试验中使用尾矿-骨料5:5和尾矿-骨料11:6的 71％质量浓度灰砂比1/8的胶结充填料浆。
胶结材料的物理强度达到指定指标是能够应用到实际情况的必要条件，而胶结材料的侧向力是计算不同尺寸环境应用不同重量比原料的基础。
对胶结充填体稳定性进行有限元分析，综合监测结果和有限元分析结果，得到如式(10) 所示的半经验公式，用以描述胶结充填体所需强度与暴露高度、宽度、长度和内摩擦角之间的关系。在安庆铜矿的地质、矿体几何条件下，即使胶结充填体在单侧临空另一侧有尾砂充填体的侧向力作用下，也可自立。
Figure RE-GDA0003408253800000131
式中:σ—胶结充填体所需强度，MPa；
γ—胶结充填体的容重，MN/m3；
Figure RE-GDA0003408253800000132
—胶结充填体内摩擦角，°；
H—胶结充填最大自立高度，m；
L—胶结充填体长度；m；
W—胶结充填体宽度；m。
式(10)在充分考虑安庆铜矿实践经验的基础上，总结得到胶结充填体强度与结构尺寸 (长、宽、高)和强度特性(内摩擦角)有关的计算公式。该式在满足安庆铜矿安全生产的前提下，为胶结充填体强度设计提供了一种研究思路。
分析式(10)发现：(1)式中胶结充填体内摩擦角与强度之间的关系与胶结充填体的强度特性不符。式(10)中胶结充填体所需强度随胶结充填体内摩擦角增大而减小。但是根据莫尔极限应力圆和库仑-纳维尔强度曲线之间的关系，可推导出胶结充填体单轴抗压强度与内摩擦角之间的关系如式(11)所示，胶结充填体内聚力一定的条件下，当内摩擦角
Figure RE-GDA0003408253800000133
时，
Figure RE-GDA0003408253800000134
为一单调递增函数，胶结充填体强度随内摩擦角的增大而增大。(2)式(10) 可满足胶结充填体单侧临空、另一侧有尾砂充填体侧压力作用条件下稳定性要求，但是式中却没有能表征尾砂侧压力的参数，即采用该式计算自立条件下和一侧临空另一侧为尾砂充填体条件下胶结充填体所需强度，结果一致。(3)胶结充填体与围岩之间的剪切阻力可使胶结充填体自重应力向围岩转移，形成拱效应，式中并没有能表征这一剪切阻力的参数。综上，式(10)为安庆铜矿胶结充填体强度设计提供了一种方便快捷的计算方法，并能满足安全生产的要求。就模型存在的问题及矿山存在的差异，该式不适于设计其他矿山胶结充填体强度。
Figure RE-GDA0003408253800000141
岩土力学分析方法实质是借助于岩土力学中的研究成果或分析方法，分析胶结充填体力学模型，推导出胶结充填体的强度计算公式。基于对充填体与围岩之间相互作用关系认识的不同，模型可划分为拱效应、楔体滑动理论(极限平衡分析方法)、覆岩承重理论和围岩-支护作用原理四类。
其他参数不变的条件下，胶结充填体所需强度随高度的增大而增大。随着胶结充填体高度的增大，胶结充填自身重力、顶板平衡拱的高度(作用于胶结充填体顶部的松散岩体重力)、以及尾砂对胶结充填体的侧向压力均随之增大，导致胶结充填体滑移面上的下滑力随之增大。虽然胶结充填体与围岩之间的剪切阻力(Ts)也随着胶结充填体高度的增大而增大，但其增大的速率小于胶结充填体滑移面上的下滑力增大的速率。因此，胶结充填体易沿滑移面发生剪切破坏导致胶结充填体失稳。为保证充填体稳定，需增大胶结充填体强度。
胶结充填体所需的单轴抗压强度。如表所示
模型类型 表观密度 容重MN 内聚力 内摩擦角° 长 宽 高 胶结强度MPa
Tomas 2206 0.021619 0.1 40 20 11 60 0.32
Mitchell 2206 0.021619 0.1 40 20 11 60 0.11
安庆经验模型 2206 0.021619 0.1 40 20 11 60 0.25
卢平模型 2206 0.021619 0.1 40 20 11 60 0.37
两步骤 2206 0.021619 0.1 40 20 11 60 1.08
对于上向类充填体一般考虑1.5～2.0的安全系数，在考虑安全系数后，两步骤的胶结强度需求为1.62MPa，卢平模型的胶结强度需求0.74MPa。从胶结强度来看，明显一步骤所需求的胶结强度更高，这主要是因为一步骤的采场受到周围尾砂充填体的侧压力所致。胶结强度需求的提高意味着水泥单耗的增加，事实上，因为两步骤采矿法并不需要全部胶结，仅仅只是胶结矿柱的强度提高，从整个分段的充填成本来看，综合成本是能有所降低的。
非胶结尾砂充填体在没有约束条件下将会沿滑动面下滑而发生坍塌。因此，非胶结尾砂对胶结充填体的压力属于主动压力。最大主应力
Figure RE-GDA0003408253800000151
为单元体上覆尾砂的重量；最小主应力σ3砂为非胶结尾砂与胶结充填体之间的应力，是非胶结尾砂对胶结充填体的侧向压力。
通常非胶结尾砂在采场内完成脱水后，可将其看作是松散介质，设尾砂的内聚力为零。此时，假设尾砂与胶结充填体接触面上的单元体在σ1砂和σ3砂应力条件下处于极限平衡状态，则在正应力和剪应力构成的直角坐标系中，该单元体的强度曲线与应力莫尔圆相切。
AB与OB之间的三角关系可得：
Figure RE-GDA0003408253800000152
Figure RE-GDA0003408253800000153
或
Figure RE-GDA0003408253800000154
对式(12)进行如下处理:
Figure RE-GDA0003408253800000155
根据以下三角函数关系式：
sin A-sin B＝2 cos[(A+B)/2]sin[(A-B)/2]
sin A+sin B＝2 sin[(A+B)/2]cos[(A-B)/2] (14)
根据式(14)所示的三角函数关系，可将式(14)改写为：
Figure RE-GDA0003408253800000156
Figure RE-GDA0003408253800000157
根据以下三角函数关系式：
Figure RE-GDA0003408253800000161
Figure RE-GDA0003408253800000162
根据式(16)所示的三角函数关系，可将式(16)改写为：
Figure RE-GDA0003408253800000163
Figure RE-GDA0003408253800000164
Figure RE-GDA0003408253800000165
Figure RE-GDA0003408253800000166
Figure RE-GDA0003408253800000167
考虑尾砂在采场内的压缩特性，可得任意高度尾砂充填体对胶结充填体的侧向压力：
Figure RE-GDA0003408253800000168
式(18)即为尾砂对胶结充填体侧向压力的计算公式。
考虑分级尾砂与胶结充填体之间的接触面积，则分级尾砂对胶结充填体侧压力的合力为：
Figure RE-GDA0003408253800000169
式(19)即为尾砂对胶结充填体侧压力合力的计算公式。
以大红山铜矿为例，将尾砂自重压密模型(17)代入侧压力的计算公式(19)，分析采场高度60m条件下，分级尾砂对胶结充填体的侧压力随高度的变化关系，分级尾砂内摩擦角为20°，则尾砂对胶结充填体的侧压力的计算过程如下所示：
Figure RE-GDA0003408253800000171
ρh1＝1.027ρ01(h+0.6116)0.05272
Figure RE-GDA0003408253800000172
Figure RE-GDA0003408253800000173
胶结充填体所受分级尾砂侧压力随高度的增大而增大，在胶结充填体全高上呈三角分布。与采用自然松散状态下分级尾砂密度计算侧压力相比，该法计算的侧压力更大。
以瓮安大信北斗山磷矿为例，尾砂自重压密模型(17)侧压力合力的计算公式(19)析采场高度60m、长度20m条件下，尾砂对胶结充填体的侧压力合力随高度的变化关系，尾砂内摩擦角为20°，则尾砂对胶结充填体的侧压力合力的计算过程如下所示：
Figure RE-GDA0003408253800000174
ρh1＝1.027ρ01(h+0.6116)0.05272
Figure RE-GDA0003408253800000175
Figure RE-GDA0003408253800000176
胶结充填体所受分级尾砂侧压力合力随高度的增大而增大，且尾砂对胶结充填体合力的增长速率也随之增大。与采用自然松散状态下分级尾砂密度计算合力相比，该法计算的侧压力合力更大。根据公式(20)即可计算出不同尺寸的应用环境采用不同重量比的胶结材料能够满足强度要求，且成本最低。
本发明的实施例1：一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，包括水、水泥、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶4∶3∶13，混合后的原料用于填充分段、高分层底柱、顶柱、单一矿柱、边界矿柱和矿房接顶。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶6∶11∶26，混合后的原料用于填充分层、分段内大于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶8∶24∶44，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶10∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
实施例2：一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，包括水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉充分搅拌后进行填充作业。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶28∶12∶30∶130，混合后的原料用于填充低分段小于15米单一矿柱、边界矿柱、矿房接顶。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶42∶18∶110∶260，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶56∶24∶240∶440，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是1∶7∶3∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域充填分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
以上实施例中，粗骨料粒度大于或者等于15mm，且小于或者等于20mm，尾砂处于200目以下，磷渣超微粉处于100目以下，尾砂和磷渣超微粉的重量比是4∶6，细骨料浓度等于0.45％，尾矿浆密度等于1.405t/m3。
抗压强度试件制备、养护、强度测定按JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》规定进行，试件制备成70.7mm*70.7mm*70.7mm标准试块，养护温度为(14±3)摄氏度、相对湿度为(73±5)％。按照充填矿房空区量实施取样，每充填2000m3取样一次，每次3 组9个试块，在充填过程中没间隔1-2小时随机抽取一次，一次为3个试块。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶4∶3∶13，混合后的原料用于填充分段、高分层底柱、顶柱、单一矿柱、边界矿柱和矿房接顶。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于2MPa。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶6∶11∶26，混合后的原料用于填充分层、分段内大于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于1.4MPa。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶8∶24∶44，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于15米的矿柱回采挡墙以上区域。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于0.8MPa。
水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶10∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于0.5MPa。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶28∶12∶30∶130，混合后的原料用于填充低分段小于15米单一矿柱、边界矿柱、矿房接顶。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于1.7MPa。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶42∶18∶110∶260，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于1.2MPa。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶56∶24∶240∶440，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域。经测试，在此比例下 28天龄期抗压强度大于0.7MPa。
水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是1∶7∶3∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域充填分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。经测试，在此比例下28天龄期抗压强度大于0.5MPa。
以水泥单价480元/t计。从胶结材料的单耗价格来看，一立方充填料浆中水泥的单价为 81.6至79.2元，相比矿山原用的1/6的灰砂比(91.2元/m3)每立方充填料浆中水泥成本能降低11.8％。

Claims (10)

1.一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，包括水、水泥、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业。
2.根据权利要求1所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶4∶3∶13，混合后的原料用于填充分段、高分层底柱、顶柱、单一矿柱、边界矿柱和矿房接顶。
3.根据权利要求1所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶6∶11∶26，混合后的原料用于填充分层、分段内大于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
4.根据权利要求1所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶8∶24∶44，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
5.根据权利要求1所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、骨料和尾矿的重量比是1∶10∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
6.根据权利要求1所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，包括水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿，根据填充位置的不同，选用不同重量比的水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿充分搅拌后进行填充作业。
7.根据权利要求6所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶28∶12∶30∶130，混合后的原料用于填充分段小于15米单一矿柱、边界矿柱、矿房接顶。
8.根据权利要求6所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶42∶18∶110∶260，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米矿房回采充填及矿柱回采挡墙区域。
9.根据权利要求6所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是10∶56∶24∶240∶440，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域。
10.根据权利要求6所述的一种用于填充磷矿矿井的高强度尾砂胶结材料，其特征在于，水、水泥、磷渣超微粉、骨料和尾矿的重量比是1∶7∶3∶23∶72，混合后的原料用于填充分层或者分段内跨度小于15米的矿柱回采挡墙以上区域充填分层或者分段内跨度大于30米的矿柱回采挡墙以上区域、非采矿活动的空场区域。
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