張 杰 孫載磊 儲(chǔ)昌歡2

（1.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655011；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011）

高濃度全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)利用選礦廠(chǎng)產(chǎn)出的尾礦通過(guò)混合水泥等膠凝材料及廢石、水淬渣等摻合料形成高濃度充填料漿對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行充填［1-3］。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)工藝及技術(shù)水平的提升使其在地壓控制、資源回收、環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)得到日益彰顯，應(yīng)用已十分廣泛［1，4］。

充填料漿配比的控制是充填技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，當(dāng)充填材料發(fā)生變化時(shí)，礦山需要及時(shí)開(kāi)展配比試驗(yàn)研究，研究材料品種及性質(zhì)變化對(duì)充填體強(qiáng)度等性能的影響，進(jìn)而確定合理的配合比，確保充填工藝技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

本研究以云南某鉛鋅礦為背景，該礦山采用高濃度全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，采礦方法包括上向式和下向式進(jìn)路充填采礦法2種，上向式回采的礦房采用兩步驟回采，第一步驟礦房采用高強(qiáng)度充填料漿充填回采空區(qū)，第二步驟礦房采用廢石和低強(qiáng)度充填料漿回填。

根據(jù)礦山實(shí)際需要，研究機(jī)制砂率達(dá)到40%左右時(shí)不同灰砂比條件下的充填體強(qiáng)度變化規(guī)律，以確定在機(jī)制砂率需求達(dá)到30%～50%比例范圍時(shí)技術(shù)可行的充填料漿配合比，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織提供技術(shù)依據(jù)。

1 充填材料物理性質(zhì)

1.1 全尾砂

礦山采用選廠(chǎng)產(chǎn)出的全尾砂作為充填材料，堆積密度為1 500 kg/m3，含水率為10%。采用激光粒度分析儀對(duì)尾礦進(jìn)行粒級(jí)分布測(cè)試。分析結(jié)果顯示，全尾砂比表面積為289.2 m2/kg，-20 μm的粒徑占比為19.68%、-75 μm的粒徑占比為48.59%，尾砂特征粒徑d50為78.04 μm，級(jí)配良好。

1.2 機(jī)制砂

礦山采用掘進(jìn)廢石打砂，供地表和井下拌制混凝土使用。機(jī)制砂堆積密度為1 700 kg/m3，含水率為2%。主要粒徑分布在2.5～10 mm之間，占到總質(zhì)量的63.60%，其中5～10 mm的占比達(dá)到40.40%。98.20%的機(jī)制砂粒徑小于10 mm，-5 mm的顆粒占比為57.80%，-1.25 mm的顆粒占比為24%，-0.315 mm的顆粒占比為12.50%，-0.08 mm的顆粒占比為4.50%。

1.3 水泥

水泥采用當(dāng)?shù)毓?yīng)商統(tǒng)一供貨的PO42.5水泥。進(jìn)場(chǎng)前均核驗(yàn)廠(chǎng)家提供的水泥合格證和出廠(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行了水泥的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間和3 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，質(zhì)量符合要求。

1.4 充填料拌合水

充填料拌合水采用廠(chǎng)區(qū)生活用水，符合混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 充填體強(qiáng)度影響因素及變動(dòng)范圍的確定

一般來(lái)說(shuō)，充填體強(qiáng)度的影響因素主要有灰砂比、膠凝材料含量、濃度（含水率）、尾砂理化性質(zhì)等。在膠結(jié)充填工藝實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，充填體強(qiáng)度影響因素的變化范圍受基本性能要求、尾砂、摻合料特性及供應(yīng)條件等的限制較多［5-6］。

高濃度膠結(jié)充填一般要求其泌水率低，則料漿濃度不能過(guò)低；充填管道輸送對(duì)料漿流動(dòng)性要求較高，則濃度又不宜過(guò)高，以免頻繁發(fā)生堵管事故［7］。本研究試驗(yàn)中，根據(jù)礦山充填實(shí)踐，試驗(yàn)中將料漿濃度控制在78%～81%之間。

利用廢石制成的機(jī)制砂是本礦山解決占地、降低安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措，礦山現(xiàn)有富余廢石量較大，擬將機(jī)制砂添加達(dá)到全尾砂混入量的40%（質(zhì)量比）左右。為了達(dá)到這一目的，研究試驗(yàn)時(shí)將機(jī)制砂率限制在30%～50%的較窄范圍內(nèi)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定灰砂比變動(dòng)范圍為1∶6～1∶12。結(jié)合兩步驟回采的采礦方法，擬重點(diǎn)研究較低灰砂比條件下的充填體強(qiáng)度，為降低第一步驟礦房充填成本提供技術(shù)依據(jù)。故在低灰砂比段縮小各灰砂比之間的間隔，灰砂比分別為1∶6、1∶8、1∶10、1∶11和1∶12共5個(gè)水平。

3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)針對(duì)灰砂比和機(jī)制砂率采用全面試驗(yàn)方法，即開(kāi)展5種不同灰砂比和3種機(jī)制砂率條件下的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)?？紤]濃度與灰砂比及機(jī)制砂之間的交互影響，對(duì)每組試驗(yàn)進(jìn)行2種濃度水平的對(duì)比試驗(yàn)，共計(jì)開(kāi)展30組試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

試驗(yàn)中，用電子秤分別計(jì)量和稱(chēng)取水泥、全尾砂、機(jī)制砂、水（考慮骨料含水），用強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，使用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的充填料漿模具制作試件。制作好的試樣用YH-40B型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱在溫度為20℃、濕度為95%的條件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試樣用CL-03C液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每種配合比按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、28 d 4個(gè)齡期進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)齡期進(jìn)行3次強(qiáng)度試驗(yàn)，在誤差不超限定值的情況下取算術(shù)平均值作為該養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度值。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 機(jī)制砂率不變時(shí)灰砂比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

機(jī)制砂率為分別為30%、40%和50%時(shí)，不同灰砂比拌制出的充填料在不同濃度時(shí)的強(qiáng)度趨勢(shì)見(jiàn)圖1～圖3。

機(jī)制砂率40%是本試驗(yàn)研究的基本方案，首先對(duì)40%機(jī)制砂率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下一些規(guī)律：

（1）隨著灰砂比的減小，相同濃度和相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的充填體強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。在灰砂比較大（1∶6～1∶10區(qū)間內(nèi)）時(shí)，除濃度為81%的14 d強(qiáng)度曲線(xiàn)外，其余3條曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性下降。當(dāng)灰砂比小于1∶10后，灰砂比進(jìn)一步減小對(duì)強(qiáng)度下降的影響幅度有所降低。這種趨勢(shì)可以從兩個(gè)角度加以闡釋?zhuān)阂皇腔疑氨容^大時(shí)，水泥含量是充填料強(qiáng)度的主要影響因素，當(dāng)水泥含量成比例下降時(shí)，強(qiáng)度線(xiàn)性下降；二是灰砂比降低到一定程度時(shí)，充填料中所含膠凝材料有限，水泥含量對(duì)強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)影響相對(duì)其他因素（機(jī)制砂含量、尾砂含量）大幅減小。

（2）各灰砂比條件下的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果均體現(xiàn)出強(qiáng)度隨濃度升高而增大的規(guī)律。濃度對(duì)強(qiáng)度的影響顯著，且濃度對(duì)28 d強(qiáng)度的影響明顯超過(guò)對(duì)14 d強(qiáng)度的影響。當(dāng)料漿濃度由79%增加到81%時(shí)，14 d強(qiáng)度平均增加20.54%，28 d強(qiáng)度平均增加41.31%。然而，增加幅度對(duì)不同灰砂比來(lái)說(shuō)是離散的，灰砂比變化時(shí)，充填體14 d強(qiáng)度的增加幅度從9.14%到40%不等，28 d強(qiáng)度的增加幅度從24.07%到68.97%不等，濃度影響最大的情況出現(xiàn)在灰砂比1∶10時(shí)。

（3）強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律包括兩個(gè)方面：一是，機(jī)制砂率一定的情況下，灰砂比的變化對(duì)充填體強(qiáng)度發(fā)展速度的影響較小。濃度為79%時(shí)，14 d強(qiáng)度與28 d強(qiáng)度的比值變動(dòng)甚微，集中在0.62～0.67之間?？梢?jiàn)在該濃度下，灰砂比變化對(duì)14 d和28 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展基本沒(méi)有影響。濃度為81%時(shí)，這個(gè)比值沒(méi)有規(guī)律性，在0.49～0.62之間變動(dòng)，最低值和最高值分別出現(xiàn)在灰砂比1∶11和1∶6時(shí)。二是，從整體上來(lái)看，濃度越高，14 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)發(fā)展出的強(qiáng)度越低，可見(jiàn)濃度越高的充填料其強(qiáng)度的更大部分需要在后期才能得到充分發(fā)展。

分析30%和50%機(jī)制砂率情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，上述規(guī)律仍然成立。

4.2 灰砂比相同時(shí)機(jī)制砂率對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

相同灰砂比的充填料漿試驗(yàn)組中，在不同機(jī)制砂率下獲得了2種不同濃度對(duì)應(yīng)的14 d和28 d強(qiáng)度，并且每一機(jī)制砂率對(duì)應(yīng)的2種濃度不盡相同。為了獲得濃度一致條件下機(jī)制砂率對(duì)強(qiáng)度影響的規(guī)律，將40%和50%機(jī)制砂率下的2種濃度（79%和81%）對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度取算術(shù)平均值，并將該值視為濃度80%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。由此可以獲得不同灰砂比時(shí)濃度均為80%的充填體強(qiáng)度曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4～圖8。

從以上各圖可以看出，灰砂比為1∶6和1∶8時(shí)，充填料漿中的水泥含量較高，機(jī)制砂含量在變動(dòng)幅度不大的情況下對(duì)強(qiáng)度的影響有限。1∶6時(shí)，機(jī)制砂率在30%～50%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，28 d強(qiáng)度和14 d強(qiáng)度的變化均不明顯。當(dāng)濃度在80%時(shí)，14 d的強(qiáng)度已達(dá)到6 MPa左右，28 d強(qiáng)度達(dá)到9.5 MPa左右。1∶8灰砂比對(duì)應(yīng)的情形與1∶6時(shí)基本一致，機(jī)制砂率浮動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響不明顯。

當(dāng)灰砂比下降到1∶10之后，情況變得復(fù)雜，機(jī)制砂率變化引起了強(qiáng)度的變化，但沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。其中，1∶11灰砂比下得到的結(jié)果與其他曲線(xiàn)均不同，展示出強(qiáng)度隨機(jī)制砂率增大明顯下降的趨勢(shì)。1∶10和1∶12的趨勢(shì)一致，機(jī)制砂率不同時(shí)的14 d強(qiáng)度變化不明顯，但28 d強(qiáng)度均呈現(xiàn)中間低兩端高的趨勢(shì)，即30%和50%機(jī)制砂率時(shí)強(qiáng)度均高于40%機(jī)制砂率時(shí)。這一現(xiàn)象表明，在水泥含量下降后，機(jī)制砂和尾砂在骨料中的相對(duì)含量對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生了相對(duì)較為顯著的影響。

4.3 合格充填料漿配比

（1）充填體強(qiáng)度要求。該礦山采用下向進(jìn)路分層充填采礦法。根據(jù)GB 50771-2012有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范，下向分層充填采礦法的分層假頂應(yīng)充填完整堅(jiān)實(shí)，充填體單軸礦壓強(qiáng)度不應(yīng)小于3 MPa?？紤]到試驗(yàn)室配比應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中將受到作業(yè)環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件和操作等因素的影響，導(dǎo)致不能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。按照過(guò)往試驗(yàn)樣及生產(chǎn)樣的統(tǒng)計(jì)情況，并考慮一定安全系數(shù)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)配合比強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到4.5 MPa以上［8］。

（2）合格配比的確定。根據(jù)以上分析，在30%～50%機(jī)制砂率范圍內(nèi)，當(dāng)料漿濃度控制在80%或以上，灰砂比達(dá)到1∶10的充填體在養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度即可滿(mǎn)足4.5 MPa的合格要求。其他條件不變，灰砂比達(dá)到1∶6的充填配比在養(yǎng)護(hù)14 d后的強(qiáng)度可以達(dá)到5.5 MPa以上，高于合格要求。當(dāng)?shù)V山生產(chǎn)偏緊，需要集中安排礦房組織生產(chǎn)時(shí)，在確保安全的前提下，可以考慮采用14 d強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的充填配比，縮短強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間，使相鄰二步驟礦房的允許排產(chǎn)時(shí)間大幅提前。上述達(dá)標(biāo)配比的前提是濃度控制在80%以上。當(dāng)濃度低于80%時(shí)，其他條件不變的情況下強(qiáng)度將顯著下降。一方面，實(shí)際生產(chǎn)中需加強(qiáng)水分控制，采取技術(shù)和管理措施，以期實(shí)現(xiàn)相同強(qiáng)度指標(biāo)的情況下降低灰砂比；另一方面，由于本次試驗(yàn)研究的針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)濃度影響在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)未予以充分考慮，需要在下階段試驗(yàn)中繼續(xù)深入研究。

5 結(jié) 論

（1）機(jī)制砂率一定的情況下，灰砂比的變化對(duì)充填體強(qiáng)度發(fā)展速度的影響較小。但是，對(duì)于濃度越高的充填料漿，充填體強(qiáng)度的更大比例部分需要在養(yǎng)護(hù)后期才能得到充分發(fā)展。

（2）當(dāng)料漿濃度控制在80%以上時(shí)，灰砂比 1∶10，養(yǎng)護(hù)28 d后的充填體強(qiáng)度即可達(dá)到4.5 MPa；灰砂比1∶6，養(yǎng)護(hù)14 d后的強(qiáng)度可以達(dá)到5.5 MPa以上；滿(mǎn)足上述條件的充填配比即可用于第一步驟礦房的充填。

（3）灰砂比較大時(shí)，由于充填料漿中的水泥含量較高，機(jī)制砂含量在變化幅度不大的情況下對(duì)強(qiáng)度的影響有限。

（4）濃度對(duì)強(qiáng)度的影響顯著，其影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究，對(duì)優(yōu)化充填配比，降低充填成本具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。