吴秀仪，郭名梁，刘大翔（. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 44300；. 四川省川威集团有限公司，四川 成都 6000）

浅析废石尾砂胶结充填在深井开采中的应用

吴秀仪1，郭名梁2，刘大翔1
（1. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；2. 四川省川威集团有限公司，四川 成都 610100）

矿产资源深部开采过程中，“三高”特征逐渐加剧，工程危害日趋严重；同时金属矿山尾砂、废石的排放量增多，尾矿库、废石堆场的安全环保问题日趋严重，废石尾砂胶结充填是解决矿山深部开采诸多问题的有效途径。废石尾砂充填开采可提高矿产资源的回采率，解决金属矿山的尾砂排放、废石堆放的安全环保问题，同时可减缓矿区地表的塌陷，从而可有效控制山区矿山地质灾害的发生，是现代采矿工业中“无费开采”的一项战略新技术。

废石尾砂；三高特征；地灾；绿色开采；耦合机理；水岩效应

1 引言

随着地表及浅部资源的逐渐减少和枯竭，矿产资源开采已由浅部逐步转入深部, 围岩由浅部开采的弹性状态逐渐进入到深部开采的峰后塑性破坏状态。深井开采中最显著的变化是显现高应力、高温和高孔隙水压的“三高”特性［1］，对深部资源的安全高效开采造成巨大威胁。因此，深部资源开采的岩石力学问题已成为国内外研究的焦点［2-3］。

2 充填技术发展现状

充填体力学是伴随着充填采矿法的应用和发展形成的岩石力学分支，是岩石力学、土力学和流体力学等在充填采矿中的综合运用［4］。

2.1 充填力学主要研究内容

（1）充填体力学特性及其影响因素分析。

根据充填材料微观结构特征、矿物成份的分析研究，揭示充填集料的矿物成份、微观结构特性与充填体力学特性的内在关系；通过不同配比的充填材料、胶凝材料及龄期等充填体力学试验，建立包含配比、龄期、胶凝材料等主要因素在内的力学本构模型，这是确定充填体力学特性的基础性研究。

（2）充填体峰后力学特性研究。

充填体与围岩相互作用过程中，多处于塑性状态或峰后变形阶段，且充填体峰后承载特性与岩石、混凝土不同。研究充填体峰后残余强度衰减的时间效应，分析岩石力学状态参数在加卸载条件下随塑性变形和围压变化的特征，充分认识充填体在加卸载条件下的应力应变特性，为建立更符合深部充填采矿工程的流变本构关系提供理论基础。

（3）充填体与围岩耦合作用机理研究。

充填体充入采场后，与采场顶板、围岩及矿柱形成充填区，系统研究充填区在矿山压力、采动影响及承压水（或裂隙水）相互作用下的应力应变关系及上覆岩层移动情况。从而为有效控制矿压、减缓或防止地表塌陷提高理论依据与技术支撑。

（4）低充填成本的技术研究。

因充填成本是制约充填技术进一步应用推广的主要影响因素之一，研究充填体强度一定的情况，通过调整抛尾渣所占比例、使用部分可替代胶凝材料或改变充填用水（磁化水）来降低充填成本。这也是今后充填技术中研究的主要内容之一。

2.2 充填技术发展历程

深井充填开采技术涉及矿山安全与经济效益，已成为采矿领域最引人注目的前沿研究课题，具有显著的工业生态意义。在充填采矿技术在的发展历程中，先后经历了从干式充填到水力输送充填，实现了充填料管道输送；从低浓度水力充填到高浓度充填，做到了充填料浆不离析；从高浓度到膏体充填，实现了采场内不再脱水；骨料从尾砂到、河砂、棒磨砂、废石、矿渣；胶结剂从普通硅酸盐水泥、高水速凝材料、赤泥等阶段［5-6］，目前充填技术发展历程大致如图1所示。

3 矿产资源深部开采所面临的安全环保问题

（1）深井开采安全隐患增多。

矿山深井开采过程中，“ 三高”特性逐渐加剧，开采环境恶化，潜在的重大安全隐患增多。在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体，进入深部后转化为高应力软岩，矿压显现强烈，巷道位移显著增大，高地压导致冲击地压危险加大，瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问题［7］。因此，深井安全开采问题是采矿界面临的一个重要课题。

（2）矿区地质灾害发生范围扩大。

随着开采深度的增加，矿区地表受采动影响而出现的地表变形、塌陷程度降低，但其采动影响范围逐渐增大，致使山区矿山地表发生地质灾害的范围扩大，例如：受矿山采动影响，山体崩塌、滑坡等地灾发生的范围扩大。

（3）矿山固体废物堆放的安全环保问题。

尾矿库的安全隐患：为满足尾砂排放需求，需不断加高尾矿库，或占用新土地建设新尾矿库。尾矿库具有投资大、运行费用高的特点，同时尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险。一旦失事，容易造成重特大事故，例如：“9.8襄汾尾矿库溃坝特别重大事故”，造成277人死亡，直接经济损失超过亿元。

废石堆场的安全隐患：随着矿山服务年限的增加，为开采矿石而开拓、采准的各类巷道逐渐增多，掘出的废石逐渐增多。然而，随废石堆放量的增多，占用的土地逐渐增加；堆场内部较不稳定，雨季易失稳而危及下游居民的安全。因此，废石堆场的安全问题日趋严重。

4 深井绿色开采技术—废石尾砂胶结充填

4.1 废石尾砂胶结充填功能

随着浅部资源的减少与枯竭，矿产资源开采已由浅部逐步进入深部。深部开采中“三高”特征日趋严重，潜在的安全隐患增多；地表受采动影响而发生地灾的范围扩大；金属矿山尾砂、废石的排放量增多，尾矿库、废石堆场的安全环保问题日趋严重。废石尾砂充填开采可提高矿产资源的回采率，解决金属矿山的尾砂排放、废石堆放的安全环保问题，同时可减缓矿区采空区的塌陷，从而可有效控制山区矿山地质灾害的发生［8-9］，是现代采矿工业中“无费开采”的一项战略新技术，符合国家能源安全的重大战略需求。废石尾砂充填流程如图2所示。

图2 废石尾砂充填流程示意图

4.2 废石尾砂胶结充填技术的发展

无论是对金属矿山还是非金属矿山的充填力学理论与技术，国内外学者开展了各项研究，通过不懈的努力和探索得出了许多规律，推动了充填力学的进一步发展，使得充填技术得到进一步的推广。但现有的充填理论研究成果尚不能很好地解决深部金属矿山开采遇到的诸多工程问题，因此矿山固废充填开采技术需注重以下两方面的研究：

（1）充填体峰后残余强度及流变特性的研究。

充填体充入采场与围岩相互耦合作用过程中，充填体多处于塑性状态或峰后变形阶段；且充填体峰后承载特性与岩石、混凝土不同。因此现有的充填研究成果不能很好地解决充填工程现场遇到的力学问题；

（2）水作用下充填体与围岩耦合机理的研究。

深井充填开采中，充入采场的充填体有“泌水密实”阶段，期间充填体中多余的水分将被析出；同时深部岩层中有裂隙水存在。水对充填区（充填体与围岩）的力学、变形特征等有很大影响。水-岩之间发生的物理化学作用不仅会改变围岩的矿物组成与微细观结构，还会引起围岩强度和刚度等物理力学性质的劣化［10］，对充填区围岩的稳定性产生威胁。

目前，关于水对充填区力学耦合作用机理及流变特性影响的研究极少，而水作用下充填区耦合作用机理、力学特性若不清楚，就搞不清该工况下充填区的变形规律和破坏机理，也就无法科学地提出充填体设计和充填开采工艺。因此，水作用下废石尾砂充填体与围岩的耦合作用机理的研究意义更加重大。

［1］唐绍辉. 深井金属矿山岩爆灾害研究现状[C]. 长沙矿山研究院建院50周年院庆论文集, 2006.10:136-140.

［2］钱七虎. 非线性岩石力学的新进展——深部岩体力学的若干问题[C]. 岩石力学与工程学会. 第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集. 科学出版社, 2004:10-17.

［3］Sun J,Wang SJ. Roch mechanics and rock engineering in China: developments and current state[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, 2000, 37(3):447-465.

［4］卢平. 制约胶结充填采矿法发展的若干充填体力学问题[J]. 黄金, 1994, 15(7):18-22.

［5］孙恒虎, 黄玉诚, 杨宝贵. 当代胶结充填技术[M]. 冶金工业出版社, 2002:15-20.

［6］刘同有. 填采矿技术与应用[M]. 冶金工业出版社, 2001:10-13.

［7］赵才生. 深井高应力下的资源开采与地下工程[C]. 香山会议第175次综述地球科学进展. 2001:156-161.

［8］周爱民. 矿山废料胶结充填[M]. 冶金工业出版社, 2010:8-11.

［9］吴秀仪, 林玉明, 徐超. 浅析发展循环经济、实现矿山可持续发展[J].铜业工程, 2014, 8:54-56.

［10］沈荣喜, 刘长武, 吴秀仪. 压力水作用下煤岩受载变形特征及稳定性研究[M], 中国矿业大学出版社, 2015:15-20.

Analyze of the Application on Cemented Waste Rock and Tailing Filling in Deep Mining

WU Xiu-yi1, GUO Ming-liang2, LIU Da-xiang1
（1.College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2.Tranvic Group, Chengdu 610100, Sichuan, China）

During the deep mining of mine resource, the "Three High Characters" was gradually aggravated and the engineering harms became gradually serious. In the metal mines, the quantities of tailing and waste rock increase. And the problems of safety and environmental protection became gradually serious at the tailings pond and the waste rock dump. Waste rock-tailing backfilling is the effective way to solve many problems in the deep mining of metal mines. The waste rock and tailing filling technology can improve the recovery rate of mineral resource, solve the problems of tailings discharging and waste rock piling, alleviate the ground subsidence and effectively control the occurrence of geological disasters in mountainous areas of mines, and it is a new strategic technology during the modern mining industry "no fee mining".

waste rock-tailing；three high characters；geological disasters；green mining；coupling mechanism；water-rock interaction effects

TD853.34+3

A

1009-3842（2015）03-0053-03

2015-03-11

吴秀仪（1979-），男，山西祁县人，博士，高级工程师，注册安全工程师，主要从事地下工程、采矿与安全工程等方面的理论与技术研究。E-mail:wuxiuyi227@sohu.com