史采星，郭利杰，楊 超

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

隨著礦山開(kāi)采深度的增加以及社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，充填采礦方法在礦山企業(yè)應(yīng)用的比例越來(lái)越高，并有進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)[1-3]。充填接頂是充填工作的重要內(nèi)容，也是每個(gè)采用充填采礦法的礦山廣泛關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題，由于礦山作業(yè)的特殊性，如果充填接頂效果不好，會(huì)使采場(chǎng)頂板暴露面積過(guò)大，達(dá)到或者超過(guò)維持頂板穩(wěn)定允許的最大面積，容易造成充填體或礦巖冒落，危及作業(yè)人員的安全[4-6]。充填接頂使充填體對(duì)采空區(qū)頂板或假頂起支撐作用，防止頂板或假頂冒落。同時(shí)較好的接頂效果對(duì)于控制采場(chǎng)地壓、維護(hù)采場(chǎng)及充填體的穩(wěn)定、減少礦產(chǎn)資源損失、降低礦石貧化具有重要作用。

然而，礦山為了保證充填料漿能依靠重力自流輸送，料漿濃度不宜過(guò)高，使得充填料漿在采場(chǎng)中泌水沉縮，從而導(dǎo)致充填體無(wú)法接頂。同時(shí)，由于充填料漿自流坡度的影響、采場(chǎng)頂板本身不規(guī)則性、人為等因素，均會(huì)造成充填無(wú)法接頂。為提高充填采場(chǎng)接頂率，胡國(guó)宏等[7]在對(duì)充填接頂影響因素分析的基礎(chǔ)上，采用層次分析法，建立了充填接頂影響因素分析多層次模型，研究結(jié)果表明充填料漿性質(zhì)、充填壓力和爆破工藝是影響礦山充填接頂質(zhì)量的最主要因素；曾照凱等[8]為解決礦山充填不接頂問(wèn)題，通過(guò)分析各種因素，提出了人工接頂、強(qiáng)制接頂、選擇合適充填料漿濃度、改善充填工藝及頂板形狀等措施；王樹(shù)海等[9]提出了通過(guò)改造充填擋墻和濾水井等措施，提高充填采場(chǎng)接頂率；周強(qiáng)等[10]提出了高位接頂、多點(diǎn)下料、多次強(qiáng)制擠壓接頂?shù)拇胧?。通過(guò)分析可知，以上專家學(xué)者解決充填接頂問(wèn)題主要是從充填采礦工藝的角度盡量實(shí)現(xiàn)較高的充填接頂率，屬于被動(dòng)的接頂措施，但往往受限于現(xiàn)場(chǎng)苛刻的工況條件，難以實(shí)現(xiàn)較高的接頂率。

本文旨在研究充填體主動(dòng)接頂技術(shù)，在充填料漿中添加與其相匹配的自膨脹材料，利用其自膨脹功能使充填體體積增大，從而實(shí)現(xiàn)充填體主動(dòng)接頂。

通過(guò)開(kāi)展自膨脹充填料漿的流動(dòng)性能和自膨脹充填體的強(qiáng)度測(cè)試研究，并利用掃描電鏡(SEM)分析充填體的微觀結(jié)構(gòu)，確定了廣東某鉛鋅礦接頂充填的最佳充填技術(shù)參數(shù)。

1 充填料漿自膨脹原理

在充填料漿中添加生石灰及一種金屬粉末作為自膨脹材料，金屬粉末與水在堿性環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氣體。充填體膨脹的動(dòng)力來(lái)源于氣泡內(nèi)壓力，而阻力來(lái)源于其自重壓力及自身剪切應(yīng)力。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氣體越來(lái)越多，氣泡內(nèi)的壓力也越來(lái)越大，這些氣泡能夠均勻地懸浮在充填料漿中，迫使充填料漿體積增大。待氣泡內(nèi)壓力與充填料漿自重壓力與料漿的極限剪切應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，膨脹過(guò)程停止。若膨脹率較小，則難以克服充填料漿的自重及料漿的極限剪切應(yīng)力，導(dǎo)致充填體達(dá)不到膨脹效果；若發(fā)膨脹率較大，則氣體會(huì)逸出充填料漿，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度大幅度降低。

通過(guò)充填料漿自膨脹原理分析可知，充填料漿的自膨脹過(guò)程中雖然伴隨著化學(xué)反應(yīng)，但膨脹材料并沒(méi)有參與充填料漿中水泥的水化反應(yīng)，因此，在充填料漿中添加膨脹材料使充填體體積膨脹實(shí)際上是一個(gè)物理過(guò)程。

2 尾砂基本物化特性分析

試驗(yàn)所用分級(jí)尾砂取自廣東某鉛鋅礦，其基本物理參數(shù)見(jiàn)表1，化學(xué)元素分析見(jiàn)表2，粒級(jí)組成見(jiàn)圖1。

表1 分級(jí)尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)表Table 1 The basic physical parameters of classifying tailings

表2 分級(jí)尾砂化學(xué)元素分析結(jié)果表Table 2 Analysis results of chemical elements in classifying tailings

圖1 分級(jí)尾砂粒級(jí)組成Fig.1 The particle size distribution curve

由表2可知，分級(jí)尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，主要金屬元素及其氧化物為CaO、Fe、FeO、Al2O3、K2O，其他金屬元素含量較低。S的含量為12.95%，一般認(rèn)為S元素不利于充填長(zhǎng)期強(qiáng)度的發(fā)展，尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，是一種比較好的惰性材料，且含有大量的CaO、FeO和一定量的MgO成分，有利于充填體的膠結(jié)性能發(fā)展。

該分級(jí)尾砂d10為9.027 μm，d50為63.671 μm，d90為222.207 μm，粒級(jí)組成不均勻系數(shù)為9.44，級(jí)配效果均一般。

3 自膨脹材料添加量初探

自膨脹充填體最重要的一項(xiàng)特性就是具有體積膨脹，此特性決定其在充填接頂中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了獲得更好的充填體質(zhì)量，應(yīng)將充填體膨脹率(膨脹后體積與未膨脹體積之差除以未膨脹體積)控制在20%～25%之間。

充填體膨脹率測(cè)試方法為在2 000 mL的量筒內(nèi)配置料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4的充填料漿，再添加一定量(充填料漿質(zhì)量的1%、3%、5%)的自膨脹材料，用橡膠網(wǎng)孔攪拌棒攪拌均勻，然后靜置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄不同時(shí)間下的液面位置及沉縮面位置，最終計(jì)算膨脹率，計(jì)算方法為：通過(guò)測(cè)量量筒直徑及膨脹前充填料漿及膨脹后充填體在量筒中的高度，按照(膨脹后體積-膨脹前體積)/膨脹前體積的計(jì)算方法即得膨脹率。

表3 不同添加量條件下的膨脹率Table 3 Expansion rate under different adding amount

在自膨脹材料不同添加量條件下，膨脹率相差較大。當(dāng)添加量為1%時(shí)，膨脹率僅為2%，分析原因在于濃度為73%、灰砂比1∶4的充填料漿經(jīng)過(guò)24 h水化固結(jié)，具有一定的強(qiáng)度，而產(chǎn)生的氣體較少，氣體無(wú)法使充填體膨脹；當(dāng)添加量為5%時(shí)，膨脹率達(dá)到29.9%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，膨脹率偏大，不利于充填體強(qiáng)度的發(fā)展；當(dāng)添加量為3%時(shí)，膨脹率達(dá)到23.7%，該膨脹率在合理的范圍內(nèi)。但自膨脹材料3%的添加量能否滿足充填要求，需要開(kāi)展自膨脹充填料漿性能的試驗(yàn)研究。

4 自膨脹充填料漿性能試驗(yàn)研究

4.1 不同配比充填料漿膨脹率試驗(yàn)

本文開(kāi)展了充填濃度為71%、73%、75%，灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6，自膨脹材料添加量為3%時(shí)的充填料漿膨脹率測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)表4可繪制料漿濃度對(duì)充填體體積膨脹率的影響規(guī)律，見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在相同灰砂比條件下，充填體膨脹率隨充填濃度的增加略有降低，主要原因是在灰砂比一定的條件下，充填體強(qiáng)度隨充填料漿濃度的增加而增大，由于產(chǎn)生的氣體量一定，導(dǎo)致充填體膨脹效果減弱?？傮w而言，充填料漿濃度對(duì)充填體自膨脹性能的影響較弱。為了獲得相對(duì)高強(qiáng)度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時(shí)，充填濃度在73%～75%之間。

由圖3可知，在相同濃度下，灰砂比為1∶2時(shí)，充填體膨脹率較??；灰砂比為1∶4和1∶6時(shí)，充填體體積膨脹率變化較小。為了獲得相對(duì)高強(qiáng)度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時(shí)，灰砂比應(yīng)不低于1∶4。

表4 不同濃度、不同灰砂比充填料漿膨脹率測(cè)試Table 4 Test on expansion rate of filling slurry with different concentration and ash sand ratio

圖2 料漿濃度對(duì)充填體體積膨脹率的影響規(guī)律Fig.2 Influence of slurry concentration on volume expansion rate of backfill

圖3 灰砂比對(duì)充填體體積膨脹率的影響規(guī)律Fig.3 Influence of lime sand ratio on volume expansion rate of backfill

4.2 自膨脹材料對(duì)料漿流動(dòng)性能影響分析

本試驗(yàn)采用目前較通用的“擴(kuò)散筒法”，開(kāi)展充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)。擴(kuò)散度試驗(yàn)采用小型坍落筒在一塊標(biāo)有刻度的玻璃上進(jìn)行，其坍落筒上下口徑分別為3.5 cm、6.0 cm，筒高6.0 cm。試驗(yàn)首先用布把坍落筒內(nèi)部擦拭干凈，并將其放在水平的玻璃板上，將配比好的充填料漿從坍落筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將坍落筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上形成一個(gè)圓，通過(guò)測(cè)定二個(gè)垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴(kuò)散度值。

試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)濃度為71%、73%、75%；灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6；自膨脹材料添加量為0%、3%。依據(jù)以上試驗(yàn)參數(shù)開(kāi)展流動(dòng)性能試驗(yàn)，共計(jì)18組，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)充填料漿的濃度與灰砂比相同時(shí)，添加自膨脹材料的充填料漿的擴(kuò)散度值比未添加時(shí)略小，主要是充填料漿中添加3%的自膨脹材料使?jié)舛嚷晕⒃龃?，?dǎo)致擴(kuò)散度值減小，但減小量很小，說(shuō)明添加3%的自膨脹材料對(duì)充填料漿的流動(dòng)性能影響不大。

4.3 自膨脹材料對(duì)充填體強(qiáng)度影響分析

充填材料配比試驗(yàn)參數(shù)與擴(kuò)散度試驗(yàn)參數(shù)一致，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，充填料漿中添加3%的自膨脹材料后，充填體單軸抗壓強(qiáng)度均降低。主要是因?yàn)樽耘蛎洸牧仙傻臍怏w使充填體內(nèi)產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，充填體體積膨脹，導(dǎo)致充填體密實(shí)度降低，從而降低充填體強(qiáng)度。

圖4 擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The results of diffusion test

圖5 充填材料配比試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Filling material ratio test results

采用在充填料漿中添加自膨脹材料的主動(dòng)接頂工藝，在提高接頂率的同時(shí)，還需要保證一定的強(qiáng)度，根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，73%～75%濃度、灰砂比1∶4的充填料漿添加3%的自膨脹材料，強(qiáng)度可達(dá)到1.8～3 MPa，膨脹率介于22%～23%之間，滿足充填接頂?shù)囊蟆?/p>

4.4 自膨脹充填體SEM測(cè)試分析

為了解膨脹材料的加入對(duì)充填體結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)膨脹充填體進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)檢測(cè)測(cè)試，采用的測(cè)試設(shè)備為MLA(Mineral Liberation Analyser)礦物自動(dòng)分析儀。對(duì)充填料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的添加膨脹材料與未添加膨脹材料的充填體切割利用顯微鏡對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，然后取樣開(kāi)展SEM測(cè)試，在分別在放大100倍、500倍、2 000倍時(shí)對(duì)微觀形貌進(jìn)行拍照，結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知，添加了膨脹劑的試樣表面比未添加膨脹劑的試樣表面更加粗糙，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組試樣內(nèi)部微泡和微孔數(shù)量顯著多于對(duì)照組，這是由于膨脹劑發(fā)生反應(yīng)是生成的氣體被硬化的水泥漿體固定而造成的。

由圖7可知，加入膨脹材料和不加膨脹材料的充填體的微觀形貌幾乎完全一樣，其硅酸鹽凝膠和少量的鋁酸鹽凝膠、鈣礬石互相包裹的情況也大致相同，即添加自膨脹材料的充填體沒(méi)有生產(chǎn)新的膠凝產(chǎn)物，未改變充填體內(nèi)的水化產(chǎn)物種類。

由圖8可知，加入膨脹材料的充填體試樣內(nèi)鈣礬石的結(jié)晶體長(zhǎng)度要普遍大于未加膨脹材料的充填體試樣，這是由于在添加膨脹材料的充填體試樣中，由于膨脹效應(yīng)，充填體內(nèi)部自由水形成的通道更加發(fā)育，鈣礬石有更加大的生長(zhǎng)空間。

由上述結(jié)果可知，尾砂膠結(jié)充填體中加入膨脹材料后，沒(méi)有改變充填體水化產(chǎn)物類型，只是改變了充填體中孔結(jié)構(gòu)的分布。在不同放大倍數(shù)的視野內(nèi)，均可觀察到膨脹充填體內(nèi)不同尺寸的氣泡形貌，而且氣泡和微孔分布均勻，說(shuō)明膨脹效果達(dá)到預(yù)期狀態(tài)。

5 小型物理模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證前期試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，開(kāi)展了充填體自膨脹小型物理模擬試驗(yàn)，測(cè)定充填體的膨脹率及充填體強(qiáng)度分布特征等參數(shù)，為后續(xù)確定采場(chǎng)接頂充填參數(shù)提供依據(jù)。

本文采用木板制作小試試驗(yàn)箱，尺寸為：長(zhǎng)600 mm、寬600 mm和高900 mm，中間用隔板隔開(kāi)，方便對(duì)照添加與未添加自膨脹材料的試驗(yàn)效果，一側(cè)面采用有機(jī)玻璃，以方便觀察。模擬試驗(yàn)采用的充填配比參數(shù)見(jiàn)表5。

5.1 膨脹率測(cè)試分析

根據(jù)物理模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型內(nèi)充填體膨脹過(guò)程如圖9所示。由圖9可知，未添加膨脹材料的充填料漿在停止攪拌后開(kāi)始出現(xiàn)較大的分層現(xiàn)象，并且充填料漿出現(xiàn)較大幅度的體積減小，而添加了膨脹材料的充填料漿在開(kāi)始階段會(huì)出現(xiàn)料漿的離析分層，在60 min左右充填體體積膨脹率顯著上升；充料漿主要的膨脹大致發(fā)生在60～300 min之間，18 h后相對(duì)自身體積膨脹率為22.4%，與前期試驗(yàn)結(jié)果(22.7%)基本吻合。

圖6 膨脹充填體與普通充填體試樣放大100倍的微觀形貌對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 100 times

圖7 膨脹充填體與普通充填體試樣放大500倍的微觀形貌對(duì)比圖Fig.7 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 500 times

圖8 膨脹充填體與普通充填體試樣放大2 000倍的微觀形貌對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 2 000 times

5.2 充填體強(qiáng)度測(cè)試分析

待充填體養(yǎng)護(hù)28 d后，按圖10所示取樣位置，對(duì)模型內(nèi)的充填體進(jìn)行切割取芯，利用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可知，充填料漿濃度為73%，灰砂比1∶4，養(yǎng)護(hù)齡期28 d，在不添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓強(qiáng)度為3.68 MPa，在添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓強(qiáng)度為2.04 MPa，滿足采場(chǎng)接頂充填體強(qiáng)度要求。

表5 小型物理模擬試驗(yàn)充填參數(shù)Table 5 Filling parameters of small physical simulation test

圖9 充填體高度變化曲線Fig.9 Filling height curve

圖10 切割取芯方案圖Fig.10 Cutting and coring plan

圖11 充填體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of UCS of backfill

6 結(jié) 論

1) 填體主動(dòng)膨脹接頂技術(shù)思路可行，能夠滿足充填接頂工藝要求。

2) 自膨脹材料最優(yōu)添加量為充填料漿總質(zhì)量的3%。

3) 充填料漿體積膨脹率應(yīng)控制在20%～25%之間。

4) 推薦廣東某鉛鋅礦充填接頂技術(shù)參數(shù)為充填濃度73%，灰砂比1∶4，膨脹材料添加量3%，此條件下，充填體膨脹率22%～23%，充填體強(qiáng)度約2.0 MPa。