王 偉，王懷勇，裴 斌，王 順，張鵬飛

(1.西烏珠穆沁旗銀漫礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

對于采用充填采礦法回采的礦山，充填體強(qiáng)度過高會(huì)增加充填成本，而充填體強(qiáng)度過低又影響著采空區(qū)穩(wěn)定性和回采效率等。影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度的主要因素有充填料漿濃度、尾砂級配組成、尾砂化學(xué)成分、膠凝材料類型、灰砂比、添加劑和養(yǎng)護(hù)齡期等[1-2]。

內(nèi)蒙古某地下礦山為斷裂構(gòu)造控制的中低溫?zé)嵋盒兔}狀多金屬礦床，主礦體平均傾角85°，平均厚度17.4 m，采用分段空場嗣后充填采礦法回采，采用全尾砂膏體泵送充填工藝，選礦磨礦采用半自磨工藝[3]。本文針對該礦山所采用的采礦方法和充填工藝，開展全尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)測試、粒級組成和化學(xué)成分分析，并進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)和流變特性測試，為礦山充填料漿配比選擇和充填體力學(xué)分析提供依據(jù)。

1 全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)測試

1.1 全尾砂基本參數(shù)

全尾砂基本參數(shù)主要包括全尾砂的密度、松散密度、孔隙率等。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程》分別測定了全尾砂的密度及松散密度，并通過公式計(jì)算得到全尾砂孔隙率[4]。試驗(yàn)過程中對各基本參數(shù)進(jìn)行多次測試，并取平均值，測試結(jié)果如表1所示。

表1 全尾砂基本參數(shù)表

1.2 全尾砂粒級組成分析

實(shí)驗(yàn)室先采用篩析法測量+30 μm粒級組成，再采用LS-POP(VI)型激光粒度分析儀測量-30 μm粒級組成，兩種方法測試數(shù)據(jù)相結(jié)合后得到全尾砂粒級組成，如表2所示。全尾砂粒徑特征參數(shù)為：d10=1.41 μm，d50=14.39 μm，d60=30.18 μm，d90=103.27 μm，平均粒徑為37.06 μm。計(jì)算不均勻系數(shù)為7.08。

表2 全尾砂粒級組成表

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，全尾砂屬于細(xì)尾砂，充填過程中可能會(huì)面臨尾砂沉降困難、料漿質(zhì)量濃度低和充填體強(qiáng)度不高等問題。

1.3 主要化學(xué)成分分析

采用元素光譜分析法對尾砂的化學(xué)成分進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明尾砂中硫含量較低，對充填體強(qiáng)度影響較小，尾砂可作為充填骨料。

2 充填材料配比試驗(yàn)

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度測試

實(shí)驗(yàn)室參考《SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程》中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測試了不同濃度、灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期條件下的試塊單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用礦山使用的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥作膠凝材料，全尾砂作為骨料。選取充填料漿質(zhì)量濃度分別為58%、60%、62%，灰砂比分別為1∶10、1∶6、1∶4、1∶3，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d和60 d。

實(shí)驗(yàn)室采用長×寬×高為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模制作試塊，采用HBY-40A型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，采用WHY-300/10型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測定試塊單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。選取了幾個(gè)典型試驗(yàn)分析曲線，如圖1～圖4所示。

表3 充填試塊單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果表

圖1 養(yǎng)護(hù)齡期28 d條件下抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量濃度曲線圖

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期28 d條件下抗壓強(qiáng)度與灰砂比曲線圖

圖3 灰砂比1∶6條件下抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量濃度曲線圖

圖4 灰砂比1∶6條件下抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)在養(yǎng)護(hù)齡期7～60 d內(nèi)，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度隨著料漿濃度的增加而增大，隨著灰砂比的增大而增大；(2)在養(yǎng)護(hù)齡期7～60 d內(nèi)，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而逐漸增大，3～7 d的單軸抗壓強(qiáng)度增長較緩慢，而7～28 d的單軸抗壓強(qiáng)度增長較快，說明早期強(qiáng)度增長較慢，后期強(qiáng)度增長較快；(3)充填試塊養(yǎng)護(hù)齡期3 d的單軸抗壓強(qiáng)度為養(yǎng)護(hù)齡期7 d的34%～61%，養(yǎng)護(hù)齡期7 d的單軸抗壓強(qiáng)度為養(yǎng)護(hù)齡期28 d的27%～66%，而養(yǎng)護(hù)齡期28 d的單軸抗壓強(qiáng)度為養(yǎng)護(hù)齡期60 d的74%～98%，說明充填體在養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)接近終凝強(qiáng)度。

2.2 剪切試驗(yàn)

室內(nèi)測定巖石剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)方法很多，如單面和雙面剪切等直接剪切試驗(yàn)和變角板法，沖孔試驗(yàn)以及三軸試驗(yàn)等，本文采用常用的變角板法測試。變角板法是利用壓力機(jī)械施加垂直荷載，通過一套特制的夾具使試樣沿某一剪切面產(chǎn)生剪切破壞，然后通過靜力平衡條件解析剪切面上的法向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，從而繪制法向壓應(yīng)力σ與剪應(yīng)力τ的關(guān)系曲線，再進(jìn)行線性回歸，得到截距和斜率，分別對應(yīng)內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角Φ[5-6]。

試樣為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體，養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)溫度保持20 ℃、濕度保持98%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。

主要設(shè)備：(1)制樣設(shè)備，三聯(lián)試樣模具；(2)壓力機(jī)，同單軸抗壓強(qiáng)度測試；(3)變角板剪切夾具，可在30～70°范圍內(nèi)有4～5個(gè)角度可供調(diào)整，如圖5所示。

圖5 變角板剪切試驗(yàn)圖

將變角板剪切夾具用安裝在壓力機(jī)承壓板間，調(diào)整夾具的中心與壓力機(jī)的中心線相重合，然后調(diào)整夾具上的夾板螺絲，使刻度達(dá)到所要求的角度，將試樣安裝于變角板內(nèi)。開動(dòng)壓力機(jī)，同時(shí)降下壓力機(jī)橫梁，使剪切夾具與壓力機(jī)承壓板接觸上，然后調(diào)整壓力表指針到零點(diǎn)，以每秒0.5～0.8 MPa的加荷速度加荷，直到試樣破壞，記錄破壞荷載P。升起壓力機(jī)橫梁，取出被剪切破壞的試樣。調(diào)整變角板夾具的不同角度，取得不同角度下的破壞荷載。選取45°、50°、55°、60°共4個(gè)剪切角度，每個(gè)角度下作不少于3個(gè)試件的剪切試驗(yàn)，取算術(shù)平均值。

按照式(1)計(jì)算作用在剪切面上的剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ：

(1)

式中τ—剪應(yīng)力，MPa；

σ—正應(yīng)力，MPa；

P—試件破壞荷載，N；

A—試件剪切面面積，mm2；

α—試件放置角度(變角板角度)，(°)；

f—滾軸摩擦系數(shù)，f=1/(nd)，n為滾軸根數(shù)，d為滾軸直徑(mm)，本試驗(yàn)中取f=0.05。

采用線性回歸后得到內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角Φ，充填體剪切試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 充填體剪切試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：尾砂膠結(jié)充填體灰砂比在1∶3～1∶6范圍內(nèi)，當(dāng)濃度為60%時(shí)，內(nèi)聚力為0.12～0.28 MPa，內(nèi)摩擦角為29.9～34.1°；當(dāng)濃度為62%時(shí)，內(nèi)聚力為0.14～0.31 MPa，內(nèi)摩擦角為31.0～35.3°。可以看出，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨著濃度的增加而增大，隨著水泥含量的降低而呈下降趨勢。

3 充填料漿輸送特性試驗(yàn)

3.1 坍落度試驗(yàn)

坍落度是反映充填料漿流動(dòng)性好壞常用的指標(biāo)，比較容易測得。坍落度值主要取決于料漿中固體顆粒粒級分布、料漿濃度、膠凝材料和其它添加料。充填料漿能夠在采場順利流動(dòng)的情況下，坍落度值應(yīng)在15～25 cm，擴(kuò)散度以20～50 cm為宜。管道輸送試驗(yàn)和充填生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，充填料漿坍落度值愈大，料漿流動(dòng)性能越好，膏體輸送的阻力愈小。

實(shí)驗(yàn)室選用頂部直徑100 mm，底部直徑200 mm，高300 mm的坍落度桶，對灰砂比1∶4的充填料漿進(jìn)行了坍落度和擴(kuò)散度測試，并選擇萘磺酸鹽系列減水劑進(jìn)行了對比試驗(yàn)，減水劑添加量為水泥的0.5%。試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 灰砂比1∶4料漿不同濃度坍落度曲線圖

圖7 灰砂比1∶4料漿不同濃度擴(kuò)散度曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)膠結(jié)料漿坍落度和擴(kuò)散度隨料漿質(zhì)量濃度的增加而降低，說明流動(dòng)性隨著濃度增加而減弱。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度小于66%時(shí)，坍落度大于18 cm，能滿足輸送和采場流動(dòng)性要求。(2)減水劑對料漿坍落度和擴(kuò)散度影響較大，添加減水劑的料漿坍落度和擴(kuò)散度明顯比不添加減水劑好。當(dāng)灰砂比1∶4時(shí)，添加水泥質(zhì)量0.5%的減水劑后，膠結(jié)料漿流動(dòng)性明顯得到改善，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度達(dá)到76%時(shí)仍具有較好的流動(dòng)性，而不添加減水劑的料漿質(zhì)量濃度達(dá)到70%以上時(shí)很難攪拌，全尾砂和水泥混合不均勻，不利于攪拌和輸送。(3)添加水泥質(zhì)量0.5%的減水劑后，在同等坍落度情況下，料漿質(zhì)量濃度可以提高3%～4%。

3.2 流變特性測試

全尾砂充填料漿的流變特性參數(shù)由屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)描述，是衡量其輸送性能的重要指標(biāo)[1]。當(dāng)高濃度(膏體)含有一定重量比例的細(xì)粒級(通常-20 μm的粒級含量不少于15%)時(shí)，其流變特性為具有一定的初始抗剪切強(qiáng)度τ0及粘性系數(shù)，在管道中的流動(dòng)狀態(tài)既不同于牛頓流體，亦與低濃度固液混合物兩相流具有重大甚至是本質(zhì)的區(qū)別，屬于似賓漢體[1，7]，其流變方程可用式(2)表示：

τ=τ0+ηγn

(2)

式中τ—剪切應(yīng)力，Pa；

τ0—屈服應(yīng)力，Pa；

η—塑性黏度，Pa·s；

γ—剪切速率，s-1；

n—流變特性指數(shù)，賓漢塑性體取n=1。

流動(dòng)特性主要通過測試在一定剪切速率下的塑性黏度，計(jì)算得到對應(yīng)的剪切應(yīng)力后，通過剪切速率和剪切應(yīng)力的變化規(guī)律及關(guān)系就可推測出流體的屬性[4]。實(shí)驗(yàn)室選用RS-SST軟固體流變測試儀測試了非膠結(jié)和膠結(jié)料漿分別在質(zhì)量濃度為58%、60%、62%、64%和66%時(shí)的剪切速率和剪切應(yīng)力，本文選擇非膠結(jié)和膠結(jié)料漿濃度為60%的剪切速率與剪切應(yīng)力進(jìn)行回歸分析，如圖8、圖9所示。對料漿濃度與屈服應(yīng)力及塑性黏度的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖8 非膠結(jié)料漿濃度60%賓漢模型回歸曲線

圖9 膠結(jié)料漿濃度60%賓漢模型回歸曲線

圖10 料漿濃度與屈服應(yīng)力曲線圖

圖11 料漿濃度與塑性黏度曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度η隨著質(zhì)量濃度增加提高而增大，濃度越大增加的速率越快。(2)當(dāng)濃度超過某一界限時(shí)，τ0和η均急劇增長，并且該濃度界限與灰砂比、材料性質(zhì)有關(guān)。(3)對于膠結(jié)充填料漿而言，流變參數(shù)急劇增加的質(zhì)量濃度界限為64%，而非膠結(jié)充填料漿在58%～66%之間流變參數(shù)的增加表現(xiàn)得較為平穩(wěn)。膠結(jié)料漿質(zhì)量濃度在62%～64%時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出膏體特性。

4 結(jié)論

(1)試塊的單軸抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而逐漸增大，早期強(qiáng)度增長較慢，后期強(qiáng)度增長較快，充填體在養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)接近終凝強(qiáng)度，建議井下充填體養(yǎng)護(hù)周期為28 d。

(2)減水劑雖對充填體強(qiáng)度影響較小，但能夠改善料漿的輸送性能。在相同抗壓強(qiáng)度條件下，可以相應(yīng)地提高料漿輸送濃度、降低膠凝材料添加量，并消耗更多的尾砂。

(3)膠結(jié)充填料漿流變參數(shù)急劇增加的質(zhì)量濃度界限為64%，而非膠結(jié)充填料漿在58%～66%之間流變參數(shù)的增加表現(xiàn)得較為平穩(wěn)。結(jié)合坍落度試驗(yàn)和流變特性測試結(jié)果，建議膠結(jié)料漿質(zhì)量濃度控制在62%～64%范圍以內(nèi)，非膠結(jié)料漿質(zhì)量濃度小于66%。

(4)應(yīng)對大體積充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析和計(jì)算充填體保持穩(wěn)定條件下所需要的充填體強(qiáng)度，進(jìn)而選擇合理的灰砂比。

(5)應(yīng)根據(jù)該礦尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)配制新型膠凝材料，以降低灰砂比，從而降低充填成本。