文章編號1000-5269（2024）05-0058-06 DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.05.08

摘要：為了探究尾渣固結(jié)體充填進(jìn)入礦坑后的物理力學(xué)特征以及尾渣固結(jié)體在不同水環(huán)境條件下的物理力學(xué)特征的變化，以貴州西南某金礦尾渣為研究對象，通過野外調(diào)查和采樣的手段，設(shè)計靜態(tài)浸泡和動態(tài)沖刷實驗，采用多功能巖石低滲透儀、萬能實驗機(jī)進(jìn)行金礦尾渣固結(jié)體樣品的物理力學(xué)實驗，利用Origin 2018軟件和數(shù)理統(tǒng)計等方法，系統(tǒng)研究了金礦尾渣固結(jié)體物理力學(xué)特征。研究結(jié)果表明：在不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，養(yǎng)護(hù)齡期越長金礦尾渣固結(jié)體滲透率越小，單軸抗壓強(qiáng)度值越大；在相同養(yǎng)護(hù)齡期不同水動力條件下，金礦尾渣固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，且靜態(tài)浸泡實驗對固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響明顯小于動態(tài)沖刷。研究結(jié)果為金礦尾渣充填開采設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)，同時也為充填采礦安全作業(yè)提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：金礦尾渣固結(jié)體；滲透率；單軸抗壓強(qiáng)度；貴州 中圖分類號：TU502.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國生態(tài)文明發(fā)展理念的深化，有色金屬礦山正朝著綠色開采方向發(fā)展。為了減少尾渣的堆放，大多數(shù)礦山采用充填采礦法，并用尾渣固結(jié)體回填礦坑。由于礦山開采過程中采用的是邊開采邊充填的工序，被充填的尾渣固結(jié)體還未達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期就充填進(jìn)入采空區(qū)，且在采空區(qū)內(nèi)將長期處于礦井水浸泡與沖刷的環(huán)境中，尾渣固結(jié)體與礦井水將產(chǎn)生復(fù)雜的水-巖相互作用，其結(jié)果可能使尾渣固結(jié)體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響礦坑的安全與穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致巖層移動和地表變形。因此，金礦尾渣固結(jié)體物理力學(xué)特征的研究對實際的礦山充填工程具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在膠結(jié)充填材料力學(xué)性能的研究較多。胡世杰［1］ 研究了矸石超高水材料充填體細(xì)觀力學(xué)特性以及充填開采對覆巖運移和地表沉陷的控制效果。樂興等［2］研究了白云巖石粉混凝土力學(xué)性能，得出摻量為10%～15%的力學(xué)性能最佳。董擎［3］研究得出膠結(jié)充填體灰砂比為 1∶6 的抗壓強(qiáng)度最高。聞奎武等［4］研究發(fā)現(xiàn)分級尾砂含硫量高達(dá)19.3%，易在充填料漿中發(fā)生脹裂和侵蝕作用，最終導(dǎo)致充填體強(qiáng)度崩解。張金等［5］進(jìn)行 1∶3.5、1∶3.8、1∶4、1∶6 這4種膠固比的膠結(jié)充填體單軸壓縮實驗，得出滿足充填要求的材料配比。張雄天等［6］探究了不同濃度、不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同灰砂比對充填材料力學(xué)性能的影響。陶云波［7］通過流變特性測試、管道輸送模擬、單軸抗壓強(qiáng)度測試、微觀結(jié)構(gòu)測試及重金屬浸出試驗探究了陰離子聚丙烯酰胺殘留對銅礦尾砂充填體力學(xué)特性和重金屬浸出特性的影響。文獻(xiàn)［8-9］研究得出磷石膏充填體符合彈塑性模型，其活性率、粒徑分維數(shù)和孔隙分維數(shù)與充填體抗壓強(qiáng)度呈非線性關(guān)系。郭育霞［10］等研究了矸石膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形破壞特征，得出膠結(jié)充填體的強(qiáng)度隨廢石摻量的變化規(guī)律。王緒旺等［11-12］研究了鐵尾礦作為路面基層的抗沖刷性能和力學(xué)性能；文獻(xiàn)［13-15］通過試驗手段研究了不同灰砂比的尾砂膠結(jié)充填材料協(xié)同變形演化規(guī)律和變形破壞特征。

通過前人研究可知，目前大多數(shù)研究都是針對硫鉛鋅尾砂、高硫極細(xì)尾砂、磷石膏、煤矸石、鋼渣尾砂、銅渣尾砂、鐵尾砂等膠結(jié)充填體力學(xué)特征的研究，對金礦尾渣固結(jié)體物理力學(xué)特征的研究較少。為此，本文依托貴州西南某金礦項目，利用野外調(diào)查和現(xiàn)場采樣手段，制備實驗樣品，進(jìn)行室內(nèi)浸泡和沖刷實驗，測試金礦尾渣固結(jié)體樣品的物理力學(xué)參數(shù)，系統(tǒng)開展金礦尾渣固結(jié)體滲透率特征、表觀特征、質(zhì)量變化特征、單軸抗壓強(qiáng)度特征等研究。該研究結(jié)果可為金礦充填開采提供參數(shù)借鑒，同時對礦山開采產(chǎn)生的地面沉降問題的防治具有重要指導(dǎo)意義。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗所需金礦尾渣取自貴州省西南部某金礦。選礦廠尾礦產(chǎn)率約92.31%，濃度26.02%，密度2.52 t/m3，其尾砂粒徑-700目約占95%，-400目高達(dá)80%，屬極細(xì)尾礦。

實驗所需碎石取自貴州省西南部某金礦掘進(jìn)廢石，級配良好。尾渣粒級太細(xì)，因此在全尾渣中添加部分碎石，以改善充填骨料級配，提高充填體強(qiáng)度。

實驗所需水泥為425普通硅酸鹽水泥。該水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、抗凍性和耐磨性好、不透水性強(qiáng)等特性。

1.2樣品制備

采集的實驗材料按照碎石添加比例40%，充填濃度75%，膠結(jié)充填灰渣比1∶6的材料配比，將尾渣、碎石、水泥、蒸餾水加入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌60 s或更久，直至完全攪拌均勻，然后將攪拌好的膠結(jié)充填體分層裝入直徑為50 mm高為100 mm和直徑為25 mm高為50 mm的圓柱形模具中，邊加入邊擊實，保證能夠排出試樣內(nèi)的氣泡，待試樣自然凝固后脫模，最后將脫模后的固結(jié)體樣品送入HYB-40B型水泥（砼）恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d，養(yǎng)護(hù)溫度為25±2 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95%±2%。

1.3實驗方法

1.3.1固結(jié)體滲透性實驗

固結(jié)體的滲透性是評價其耐久性的重要指標(biāo)［16］，同時滲透性與透水性息息相關(guān)［17］，因此需開展固結(jié)體滲透率測試。利用手推式電動攪拌機(jī)，將尾渣、水泥、碎石充分?jǐn)嚢?，制備濃度?5%，灰砂比為1∶6，直徑為50 mm高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓樣，并利用HYB-40B型水泥（砼）恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分別為7 d、14 d、28 d。最后使用海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)的DW-B型多功能巖石低滲透儀分別測定不同養(yǎng)護(hù)齡期樣品滲透率。

1.3.2固結(jié)體浸泡和沖涮實驗

將養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d的固結(jié)體置于容量為5 000 mL的燒杯中，加入蒸餾水，且設(shè)置固液比為1∶10，分別進(jìn)行時長為100 d的靜態(tài)浸泡實驗和采用小型電動攪拌器的動態(tài)沖刷實驗，觀察浸泡和沖刷實驗前后固結(jié)體的表觀特征、質(zhì)量特征、單軸抗壓強(qiáng)度的變化。

1.3.3抗壓強(qiáng)度實驗

抗壓強(qiáng)度是評價膠結(jié)固結(jié)體充填材料的一個重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，通常以養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的抗壓強(qiáng)度作為劃分其等級的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)對尾礦固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，國外一般以養(yǎng)護(hù)7 d的抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，要求固結(jié)體7 d的抗壓強(qiáng)度不低于0.2 MPa［18］。

將養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d的固結(jié)體樣品、養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d的固結(jié)體進(jìn)行100 d的靜態(tài)浸泡實驗后的樣品、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體進(jìn)行100 d的動態(tài)沖刷實驗后的樣品分別采用型號為WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能實驗機(jī)進(jìn)行單軸抗壓實驗，量程范圍為0～1 000 kN。開始實驗時，選擇控制位移，加載速率為0.2 mm/min，試件完全破壞時，停止加載，記錄樣品破環(huán)時的最大荷載。

2結(jié)果分析與討論

2.1滲透率特征

不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體滲透率如表1所示。從表1可知：養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固結(jié)體樣品滲透率在1.89～1.94 mD之間，平均滲透率為1.91 mD；養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的固結(jié)體樣品滲透率在1.48～1.61 mD之間，平均滲透率為1.54 mD；養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品滲透率在0.42～0.53 mD之間，平均滲透率為0.48 mD。

不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體樣品滲透率由大到小排序為7 d>14 d>28 d，表現(xiàn)出滲透率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小的規(guī)律。其原因可能是尾渣固結(jié)體樣品中各物質(zhì)的膠結(jié)程度在不斷增加，使固結(jié)體內(nèi)的孔隙、裂隙減少，從而滲透率變小。同樣，這一過程可以通過實驗過程中固結(jié)體樣品表面孔隙、裂隙特征的變化直觀表現(xiàn)出來（圖1）。尾渣固結(jié)體滲透性越差，表明其耐久性越強(qiáng)，力學(xué)性質(zhì)越好，能夠透過的堿性廢水也就越少，對采空區(qū)地下水環(huán)境的影響就越小。

2.2抗壓強(qiáng)度特征

金礦尾渣固結(jié)體在礦坑內(nèi)起到支撐礦坑穩(wěn)定性的作用，其抗壓強(qiáng)度的大小對于保護(hù)地表建筑或預(yù)防地表變形都是至關(guān)重要的因素，因此固結(jié)體必須具備較好的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性才能更好地發(fā)揮作用。

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度實驗得出不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度，如表2所示。由表2可知：養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度在1.05～1.88 MPa之間，平均抗壓強(qiáng)度為1.51 MPa；養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度在2.22～2.40 MPa之間，平均抗壓強(qiáng)度為2.31 MPa；養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度在5.05～5.29 MPa之間，平均抗壓強(qiáng)度為5.18 MPa。

不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度由大到小排序為28 d＞14 d＞7 d，表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大的規(guī)律。其原因可能是隨著尾渣固結(jié)體中各物質(zhì)的膠結(jié)程度增強(qiáng)，水分揮發(fā)不斷增加，固結(jié)體逐漸密實。這一過程的反應(yīng)較慢、周期長，所以固結(jié)體的養(yǎng)護(hù)齡期越長抗壓強(qiáng)度越大［19］。

2.3浸泡與沖刷實驗前后固結(jié)體表觀特征

靜態(tài)浸泡實驗前后固結(jié)體樣品表觀特征變化如圖2所示。從圖2可以看出：浸泡之前固結(jié)體表面整體較平整光滑，孔隙、裂隙較明顯，孔隙細(xì)小，裂隙張開寬度較大且延伸較短，裂隙邊緣較鋒利，裂隙面與柱面近似呈直角狀，孔隙、裂隙均未被充填；而浸泡之后固結(jié)體表面整體較為粗糙，裂隙張開寬度較小且延伸較長，裂隙邊緣較平和，裂隙面與柱面近似呈圓角狀，裂隙不太明顯，孔隙、裂隙大多被填充，且經(jīng)過100 d的長期浸泡后，固結(jié)體表面析出大量白色晶體，其主要存在于固結(jié)體表面裂隙中，且裂隙內(nèi)部也基本被白色晶體填充。

動態(tài)沖刷實驗前后固結(jié)體樣品表觀特征變化如圖3所示。從圖3可以看出：沖刷實驗前固結(jié)體整體呈灰白色，沖刷后固結(jié)體整體呈灰黃色。經(jīng)過100 d的長期沖刷后，固結(jié)體表面裂隙特征變化基本與浸泡實驗后的裂隙特征變化相同。

長期浸泡與沖刷條件下固結(jié)體的表觀特征產(chǎn)生了較大變化，從而導(dǎo)致其力學(xué)特性的變化。開始時，破壞存在于固結(jié)體孔隙、裂隙處，孔隙、裂隙中填充大量白色晶體導(dǎo)致化學(xué)溶蝕加劇，使其產(chǎn)生力學(xué)特性的變化。但是僅僅通過固結(jié)體外觀特征變化分析很難得知固結(jié)體內(nèi)部的變化情況，而抗壓強(qiáng)度作為衡量固結(jié)體化學(xué)溶蝕的力學(xué)指標(biāo)能夠很好地反映其變化情況，因此需要通過測試長期浸泡、沖刷前后固結(jié)體質(zhì)量和單軸抗壓強(qiáng)度，分析其力學(xué)特征的變化。

2.4浸泡與沖刷實驗前后固結(jié)體質(zhì)量特征

通過對比相同實驗時間、不同實驗條件下養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體質(zhì)量變化率來分析固結(jié)體質(zhì)量特征的變化。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出質(zhì)量變化率，見表3。從表3可以得出：在靜態(tài)浸泡條件下，固結(jié)體的質(zhì)量減少，質(zhì)量減少率為3.15%～3.63%；在動態(tài)沖刷條件下，固結(jié)體的質(zhì)量減少，質(zhì)量減少率為4.12%～5.50%。靜態(tài)浸泡時固結(jié)體的質(zhì)量變化率明顯低于動態(tài)沖刷時的質(zhì)量變化率，表明尾渣固結(jié)體在不同水動力條件下產(chǎn)生的質(zhì)量變化情況不同，在沖刷條件下質(zhì)量變化更大，物理力學(xué)性質(zhì)變化更快。

2.5浸泡與沖刷實驗前后固結(jié)體抗壓強(qiáng)度特征

將養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d的固結(jié)體樣品各取3件放入裝有蒸餾水的燒杯中進(jìn)行長期浸泡后烘干稱重，再進(jìn)行單軸抗壓實驗；將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品3件放入裝有蒸餾水的燒杯中進(jìn)行動態(tài)沖涮實驗后烘干稱重，再進(jìn)行單軸抗壓實驗。根據(jù)浸泡與沖刷實驗前后固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的實驗數(shù)據(jù)，利用Origin 2018軟件繪制點線圖，如圖4所示。

從圖4可以看出：浸泡實驗后，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度為0.54～0.74 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為0.63 MPa；養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度為1.95～2.11 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為2.03 MPa；養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度為3.51～5.06 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為4.33 MPa。浸泡實驗后，不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度整

體都出現(xiàn)降低的規(guī)律，且養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固結(jié)體樣品平均抗壓強(qiáng)度降低了0.88 MPa，養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的固結(jié)體樣品平均抗壓強(qiáng)度降低了0.28 MPa，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品平均抗壓強(qiáng)度降低了0.69 MPa。沖刷實驗后，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度整體都出現(xiàn)降低的規(guī)律，且平均抗壓強(qiáng)度降低了0.95 MPa。

不管是浸泡實驗還是沖刷實驗，都會使固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低，且沖刷實驗使固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低值更大。這可能是由于固結(jié)體處于水環(huán)境條件下產(chǎn)生水化作用，析出大量白色晶體，這些白色晶體主要是一些絡(luò)合物；而當(dāng)這些絡(luò)合物進(jìn)入到固結(jié)體的裂隙中時，由于絡(luò)合物產(chǎn)生過程中的體積膨脹使裂隙寬度增加，延伸長度增長，最后使得抗壓強(qiáng)度降低［20］。同時，水的沖刷作用還能增加水對固結(jié)體的機(jī)械侵蝕，降低抗壓強(qiáng)度，因此，沖刷實驗后固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低值更大。

3結(jié)論

通過開展不同實驗條件下金礦尾渣固結(jié)體的物理力學(xué)性質(zhì)研究，得出如下結(jié)論：

1）不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體滲透率由大到小排序為7 d>14 d>28 d，且養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固結(jié)體滲透率最大值為1.94 mD。

2）不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度由大到小排序為28 d>14 d>7 d，且養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值為5.29 MPa。

3）金礦尾渣固結(jié)體經(jīng)過100 d的靜態(tài)浸泡和動態(tài)沖刷實驗后，固結(jié)體表面特征表現(xiàn)出由光滑到粗糙的變化，且表面裂隙寬度由寬變窄，延伸長度由短變長，裂隙內(nèi)被白色晶體充填；實驗后固結(jié)體質(zhì)量都出現(xiàn)減少，且靜態(tài)浸泡實驗后質(zhì)量變化率低于動態(tài)沖刷質(zhì)量變化率；不管是浸泡實驗還是沖刷實驗都會使固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度降低，且沖刷實驗使固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低值更大，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固結(jié)體樣品浸泡實驗后平均抗壓強(qiáng)度降低了0.69 MPa，而沖刷實驗后平均抗壓強(qiáng)度0wutOoL6ozhs9WUT4gxGZA2QJU4pL8705scVgr1O2nw=降低了0.95 MPa。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract：

In order to explore the physical and mechanical characteristics of the tailings consolidation body after filling into the mine pit and the change of the physical and mechanical characteristics of the tailings consolidation body under different water environment conditions， taking the tailing of a gold mine in southwest Guizhou province as the research object， we designed the static soaking and dynamic scouring experiments by means of field investigation and sampling. The physical and mechanical experiments of solidified samples of gold mine tailings were carried out by using a multifunctional rock low permeability instrument and universal testing machine. And the Origin 2018 software and mathematical statistics were adopted. The physical and mechanical characteristics of solidified gold tailings were studied systematically. The results show that the permeability decreases and the uniaxial compressive strength increases with the increase of curing age. Under the same curing age and different hydrodynamic conditions， the uniaxial compressive strength of the consolidated body all decreases. And the effect of static immersion test on the uniaxial compressive strength of the consolidated body is obviously smaller than that of dynamic erosion to be stable. The research results provide technical parameters for the design of gold mine tailings backfilling mining， and also provide important support for the safety operation of backfilling mining.

Key words：

consolidated tailings of gold mines; permeability; uniaxial compressive strength; Guizhou

收稿日期：2024-06-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（42062016）；貴州大學(xué)實驗室開放資助項目（SYSKF2022-111）

作者簡介：王中美（1975—），女，教授，博士，研究方向：巖溶水文地質(zhì)工程地質(zhì)，E-mail：891342472＠qq.com.

*通訊作者：王中美，E-mail：891342472＠qq.com.