矿山开采中井下充填材料的选择与性能评估

矿山开采中井下充填材料的选择与性能评估

杨冰1  ,温龙江2  ,王清萍2

额济纳旗圆通矿业有限责任公司  内蒙古额济纳旗  735499  2.招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿  山东招远  265400

摘要：矿山开采中，井下充填是一项关键的工程技术，旨在最大限度地利用采矿过程中产生的废弃物或其他材料，填充矿山空间，提高开采效率和安全性。本文主要研究矿山开采中井下充填材料的选择与性能评估。通过对不同类型的充填材料、其物理、力学性能以及影响充填效果的因素进行综合分析和评估，为矿山工程提供合适的充填材料选择和性能评估方法，以推动矿山开采的可持续发展。

关键词：矿山开采；井下充填；充填材料

引言：

矿山开采是对地下矿藏进行采掘和利用的过程，然而，随着矿山深度的增加和矿石品位的下降，传统的开采方法面临着越来越多的挑战。井下充填技术作为一种有效的矿山开采工艺，旨在通过将废弃物或其他材料充填到采空区或回采区域，填补开采空间，提高开采效率和安全性。

1.井下充填材料的选择

1.1尾砂

尾砂是矿山开采过程中通过磨矿或浮选等工艺处理后产生的废弃物，也是一种常用的井下充填材料。尾砂具有一定的物理和化学性质，因此在选择充填材料时需要考虑其适用性和性能。首先，尾砂具有较高的颗粒细度，通常介于粉状和细砂状之间。这种细粒特性使得尾砂在填充采空区时能够充分填补空隙，形成紧密的充填体结构。此外，尾砂的颗粒细度分布相对较均匀，有利于提高充填体的稳定性和强度。其次，尾砂具有较高的含水量，这可以改善其流动性和可塑性，便于在充填过程中与其他材料混合并形成均匀的充填体。然而，尾砂的高含水量也可能导致充填体在初始阶段存在一定的收缩和变形问题，因此需要合理控制水分含量，并通过适当的排水和固结措施加以解决。此外，尾砂在充填过程中可以与胶结材料（如水泥砂浆）混合，形成胶结充填体。胶结材料的添加可以提高尾砂充填体的强度和稳定性，增加其承载能力和耐久性。尾砂作为井下充填材料的选择具有一定的优势，例如充填材料的来源广泛、可回收利用、降低环境影响等。然而，尾砂的适用性也受到矿石类型、粒度分布、化学成分等因素的影响，因此在实际应用中需要综合考虑矿石特性和工程要求，进行合理的材料选择和配比。

1.2煤矸石

煤矸石是煤矿开采过程中产生的废弃物，也是一种常用的井下充填材料。煤矸石在选择充填材料时具有一定的优势和适用性。首先，煤矸石具有丰富的资源供应。在煤矿开采过程中，煤矸石产量往往相当可观，因此将其作为井下充填材料能够充分利用废弃物资源，降低环境污染和资源浪费。其次，煤矸石的颗粒形态通常是不规则的，具有一定的粗糙度和多孔性。这种特点使得煤矸石在填充过程中能够与水泥砂浆等胶结材料较好地结合，形成具有一定强度和稳定性的充填体。此外，煤矸石在填充过程中可以根据需要进行粒度分级和筛分，以满足特定的填充要求。通过合理调整煤矸石颗粒的大小和分布，可以控制充填体的渗透性和稳定性，使其适应不同的地质和采矿条件[1]。然而，需要注意的是，煤矸石的一些特性也可能对充填体的性能产生一定的影响。例如，煤矸石具有较高的含水量，这可能导致充填体在初始阶段存在一定的收缩和变形问题。因此，在充填过程中需要合理控制水分含量，并采取相应的排水和固结措施。

2.充填材料的物理和力学性能评估

2.1密度

在井下充填材料的物理和力学性能评估中，密度是一个重要的指标。密度是指单位体积内充填材料的质量，对充填体的稳定性和强度具有直接影响。密度评估通常通过容重试验或压实试验进行。容重试验是在已知体积的容器中称量充填材料的质量，然后计算出单位体积内的质量，从而得到密度值。压实试验则是将充填材料在规定条件下进行压实，测量压实后的质量和体积，计算得到密度值。通过密度评估，可以对充填材料的紧密程度和堆积状态进行定量描述。较高的密度意味着充填材料颗粒之间的空隙较小，相互之间的接触更紧密，有利于提高充填体的强度和稳定性。较低的密度则可能导致充填体的松散性增加，使其在开采过程中容易发生移动和变形。密度的评估结果可以用于指导充填材料的选择和施工质量控制。在实际工程中，根据矿石类型、采矿条件和充填要求，可以确定合适的密度范围，并通过控制充填过程中的参数和操作，实现目标密度的充填体形成。

2.2含水量

含水量的评估通常通过湿重试验或干燥试验进行。湿重试验是将充填材料样品称重，并在一定温度下进行加热，将样品中的水分蒸发，然后重新称重，从而计算出样品中的水分含量。干燥试验则是将充填材料样品在一定温度下加热一段时间，使其完全干燥，然后称重，计算出样品中的水分含量。含水量的评估结果可以帮助判断充填材料的工作性能和适用性。过高的含水量会导致充填体内部水分过多，影响充填体的稳定性和强度，可能引起体积收缩、变形和破坏。过低的含水量则会使充填材料难以与其他材料结合，影响充填体的连通性和整体强度。

2.3粒度分布

粒度分布的评估通常通过颗粒分析试验进行。这种试验通过将充填材料样品分级，确定不同粒径颗粒的百分比或质量与总质量之比，从而绘制出粒度分布曲线。粒度分布曲线描述了不同粒径颗粒在充填材料中的相对含量，可以反映材料的颗粒形态和颗粒大小分布情况。粒度分布对充填体的性能具有重要影响。合理的粒度分布可以提供充填体内颗粒之间的良好填充和连通性，有利于充填体的稳定性和强度。同时，适当的粒度分布还可以影响充填体的渗透性，使得充填体在开采过程中具备较好的水力特性。

2.4抗压强度

抗压强度通常通过压缩试验来进行评估。在压缩试验中，充填材料样品被置于试验设备中，逐渐施加垂直压力，测量其在不同压力下的变形和破坏情况。通过绘制应力-应变曲线，可以确定充填材料的抗压强度以及变形特性[2]。充填材料的抗压强度直接影响充填体的稳定性和承载能力。较高的抗压强度意味着充填材料在受到压力作用时能够更好地抵抗变形和破坏，提供更高的承载能力。而较低的抗压强度则可能导致充填体在开采过程中发生压缩、收缩和破坏，影响其稳定性和可靠性。

2.5抗拉强度

抗拉强度通常通过拉伸试验来进行评估。在拉伸试验中，充填材料样品被拉伸，测量其在不同拉伸应力下的变形和破坏情况。通过绘制应力-应变曲线，可以确定充填材料的抗拉强度以及其变形特性。充填材料的抗拉强度直接影响充填体的耐久性和稳定性。具有较高抗拉强度的充填材料能够在受到拉伸力作用时保持较好的形状和结构完整性，减少破坏的风险。相反，抗拉强度较低的充填材料可能在受到拉伸力作用时容易发生断裂和变形。

3.结束语

综上所述，充填材料的选择与性能评估是矿山选矿过程中的重要环节。通过合理选择充填材料、优化工艺参数和改进工艺流程，可以提高充填体的稳定性、强度和持久性，为矿山开采提供可靠的支撑和保障。

参考文献

[1]张吉雄,屠世浩,曹亦俊,等.煤矿井下煤矸智能分选与充填技术及工程应用[J].中国矿业大学学报,2021,50(3):14.

[2]张小艳,文德,赵玉娇,等.矿山蓄热/储能充填体的热-力性能与传热过程[J].煤炭学报,2021,046(010):3158-3171.