代少軍， 苑春光

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)急管理廳， 呼和浩特 010010)

0 引 言

無底柱分段崩落法在開采過程中由于工藝、技術(shù)等條件限制，往往造成礦石損失貧化大，影響礦山的整體經(jīng)濟效益[1-2]。隨著我國充填采礦技術(shù)不斷發(fā)展，膠結(jié)充填技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，廣泛應(yīng)用于非煤礦山開采，提高充填質(zhì)量、減少成本、研究新型充填材料成為該技術(shù)的發(fā)展方向[3]。近年來我國礦山使用的膠結(jié)充填材料主要包括充填骨料、膠凝劑和水[4-5]，目前多選擇礦山廢石和分級尾砂(機制砂)作為充填骨料[6-11]，選用水泥作為膠結(jié)材料，此外，還可以使用新型膠骨料和選礦廠提供的尾砂配制充填體料漿[12]。

為了保障充填效果，相關(guān)學(xué)者對充填材料的基本特性進行了研究。張金等[5]對膠結(jié)充填體試樣進行了實驗研究，分析了硬石膏摻入量、尾砂細度和充填料漿濃度對強度的影響。趙康等[13]對充填材料組合體的力學(xué)性質(zhì)進行了實驗研究，在不同灰砂比充填材料組合體中，灰砂比小的試件峰值強度起決定作用。盧萍等[14]通過單軸抗壓實驗分析了不同齡期尾砂充填體的強度和破壞特征。夏自峰等[15]通過大尹格莊金礦充填體單軸抗壓實驗，分析了灰砂配比、料漿濃度和養(yǎng)護時間對強度的影響。于永純等[16]進行了尾砂膠結(jié)充填實驗，提出了加入廢石來改善充填體流動性能。韋寒波等[17]對粉煤灰摻入量對膠結(jié)體強度影響進行了實驗研究，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行了預(yù)測。張盛友等[18]對爐渣摻量、充填體質(zhì)量分數(shù)、灰砂比耦合作用對試件強度影響的實驗數(shù)據(jù)進行了回歸分析。陳維新[19]提出采用建筑垃圾和粉煤灰作為膠結(jié)充填材料，對試件的凝結(jié)時間和力學(xué)特性進行了實驗分析。

為了確定最佳配比參數(shù)，通過不同配比的水泥-尾砂充填材料力學(xué)性能實驗，分析灰砂比、質(zhì)量分數(shù)、養(yǎng)護齡期對試塊強度的影響。通過實驗研究，以期為后續(xù)充填系統(tǒng)方案設(shè)計提供依據(jù)，并為國內(nèi)類似條件金屬礦床膠結(jié)充填開采提供借鑒。

1 充填材料

1.1 材料的選擇

充填材料的選擇要遵循保障生產(chǎn)安全、投入少、保護環(huán)境、取材容易、料源充足等原則。根據(jù)國內(nèi)充填開采技術(shù)經(jīng)驗可知，選用水泥-尾砂充填效果相對較好，具有多方面的優(yōu)勢[20-23]。選自內(nèi)蒙古大中礦業(yè)有限責(zé)任公司書記溝鐵礦選礦廠排出的全尾砂作為充填骨料，根據(jù)其他礦山膠結(jié)充填經(jīng)驗，選擇標號為P.O.32.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。正常生產(chǎn)過程中，經(jīng)過深錐濃密機濃密后的高濃度料漿與膠凝材料混合攪拌形成充填漿體，無需額外加水。濃度過高需添加少量水稀釋時，以及充填前后洗管用水，可采用深錐濃密機溢流水。

1.2 全尾砂物理特征及化學(xué)成分

全尾砂充填材料的物理特征、化學(xué)成分及其含量對膠結(jié)充填體的強度、沉降率、滲濾水性能等參數(shù)有重要影響[24]。同時，只有對全尾砂物理、化學(xué)性質(zhì)進行詳細的分析，才能有針對性地進行絮凝沉降實驗，選擇全尾砂最佳絮凝方式。

(1)全尾砂粒級

采用水篩篩分法[25]測定尾砂顆粒尺寸、質(zhì)量分數(shù)w以及累積質(zhì)量分數(shù)wa，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 全尾砂粒級測試結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知，所選全尾砂粒徑較細，在74 μm以上尾砂粒度占比為26.27%，占比較??；在37 μm以下粒徑占比為44.86%，占比較大，對尾砂濃縮、充填脫水及充填體的強度具有一定影響。

(2)全尾砂真密度

全尾砂真密度測試使用25 mL比重瓶，按照文獻[26]中的方法進行測試，取3次真密度測試值，測試結(jié)果分別為3.377、3.371、3.368 g/cm3，平均值為3.372 g/cm3。

(3)化學(xué)成分的測定

對所選尾砂化學(xué)成分進行了測定，測定結(jié)果見表2。從測定結(jié)果可知，尾砂中石英質(zhì)量分數(shù)達到67.03%，具有一定潛在膠結(jié)性能。硫化物對充填體的強度影響較大[27]，所選尾砂中硫的質(zhì)量分數(shù)相對較少，為0.11%，對充填體強度影響較小。

表2 尾砂化學(xué)成分測定結(jié)果

2 實 驗

2.1 充填材料配比方案

充填材料配比主要是依據(jù)充填漿料中水泥和全尾砂的加入量來確定灰砂比、質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)。根據(jù)動態(tài)濃密沉降實驗結(jié)果，底流質(zhì)量分數(shù)在70%左右[28]，因此確定配比方案質(zhì)量分數(shù)為70%、73%、76%。為了減少水泥用量，降低充填成本，依據(jù)文獻[5、7、9、11、13、15～16、18、23～25、28]等灰砂比經(jīng)驗參數(shù)，設(shè)計灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶12、1∶15、1∶20。不同配比充填體組成材料的消耗量如表3所示。

表3 不同配比時充填體組成材料消耗量

2.2 試塊的制作

按設(shè)計灰砂比，使用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)試模，將試模的底部密封以防止料漿流出。使用攪拌器將水、水泥、全尾砂等充填料攪拌8 min后形成充填漿料，最后將充填漿料倒入試模內(nèi)進行澆筑，在澆筑時使用金屬棒不斷搗振充填料漿，使料漿密實，并將內(nèi)部存留的氣泡排出。使用振動器振搗成型，用刮刀將試模頂部多余漿液刮掉，抹平表面。將試模拆除以后，把做好的充填體試塊輕輕地放入養(yǎng)護池中進行保濕養(yǎng)護，環(huán)境溫度保持在20～23 ℃，在試塊制作過程中嚴格按照試驗操作規(guī)程的要求進行操作。

2.3 單軸抗壓強度的測試

使用電腦控制的機械壓力機測定試塊的單軸抗壓強度，每組實驗進行預(yù)定養(yǎng)護時間t分別為3、7、28 d三個齡期的單軸抗壓強度測試，每個齡期澆注3個試塊，共計有18組配比實驗。部分破壞后的試塊如圖1所示。

圖1 水泥-尾砂充填體破壞后試塊 Fig. 1 Test block after failure of cement-tailings filling body

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 灰砂比對充填體強度的影響

質(zhì)量分數(shù)不變條件下不同灰砂比充填體單軸抗壓強度測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在質(zhì)量分數(shù)一定時，水泥添加量越多，試塊凝結(jié)速度越快，各齡期試塊的強度越大。試塊強度隨著灰砂比的增大而增大，灰砂比對試件強度的影響較大。灰砂比在1∶4時試件強度達到最大，到1∶6時試件強度明顯下降，在1∶6至1∶12時試塊強度接近線性下降，下降幅度較之前有所減小，灰砂比在1∶12至1∶20之間時，試塊強度下降幅度降到最小，變化趨勢趨于平緩?；疑氨却笥?∶8時，試塊的強度增長趨勢明顯。在同一質(zhì)量分數(shù)下，1∶4灰砂比充填體強度是1∶20灰砂比強度的6.7～14.5倍，齡期越大，差距越大。

圖2 不同灰砂比下試塊的單軸抗壓強度Fig. 2 Uniaxial compressive strength of test block with different cement-sand ratio

灰砂比大的充填體試塊水泥含量較多，水泥的膠結(jié)作用使試塊內(nèi)部形成較為牢固的力學(xué)結(jié)構(gòu)，因此試塊承受外力作用的性能大大提高[29]，強度明顯增大?；疑氨葹?∶20的試塊水泥用量較1∶4、1∶6等漿液大大減少，水泥膠結(jié)作用明顯減弱，因此試塊的單軸抗壓強度大幅度降低。由此說明，充填體試塊的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)決定了其力學(xué)性質(zhì)。

在實際充填時，考慮充填成本、強度要求及后期對礦柱的回采，一般選用多種灰砂比料漿進行充填，以達到充填采空區(qū)和安全回采礦柱的要求。采場充填采用分期充填，為防止跑漿事故，減少充填體對隔墻的壓力，一般先充填6～8 m的高配比充填料，待初凝后再依次充填其他灰砂比料漿，直至采場充滿為止。

3.2 養(yǎng)護齡期對充填體強度的影響

對3、7和28 d的養(yǎng)護齡期試塊強度進行了對比分析，如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護齡期試塊的單軸抗壓強度Fig. 3 Uniaxial compressive strength of blocks with different curing age

由圖3可知，養(yǎng)護齡期越長，試塊的單軸抗壓強度越大。同為灰砂比1∶4試塊，由料漿質(zhì)量分數(shù)分別為76%、73%、70%制成的試塊，其在28 d和7 d的單軸抗壓強度，分別較7 d和3 d單軸抗壓強度增加了1.21和1.10倍、1.42和1.03倍、1.43和1.23倍。對于灰砂比為1∶20的試塊，由料漿質(zhì)量濃度分別為76%、73%、70%制成的試塊，其在28 d和7 d的單軸抗壓強度，分別較7 d和3 d單軸抗壓強度增加了1.12和0.63倍、12.01和0.46倍、1.02和0.75倍。實際充填后的養(yǎng)護期為3個月，遠遠超過28 d齡期，可保障充填體充分達到強度要求。

3.3 質(zhì)量分數(shù)對充填體強度的影響

對不同質(zhì)量分數(shù)及灰砂比的3、7和28 d養(yǎng)護齡期試塊的強度值進行對比分析，如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量分數(shù)試塊單軸抗壓強度Fig. 4 Uniaxial compressive strength of test blocks with different mass fractions

從圖4可以看出，隨著水泥添加量增加充填體試塊強度增大。在同一灰砂比情況下，試塊的質(zhì)量分數(shù)越大，試塊強度越大；當(dāng)水泥添加量較少時，質(zhì)量分數(shù)對充填體強度影響明顯增大。例如，對于灰砂比為1∶4，質(zhì)量分數(shù)76%、73%的試塊，其3、7、28 d強度分別為質(zhì)量分數(shù)73%、70%試塊的1.31、1.17倍，1.35、1.07倍，1.23、1.06倍；同樣的，對于灰砂比為1∶12，質(zhì)量分數(shù)76%、73%的試塊，其3、7、28 d強度分別為質(zhì)量分數(shù)73%、70%試塊的1.34、1.33倍，1.46、1.11倍，1.17、1.22倍。同樣的，對于1∶6、1∶8、1∶15、1∶20灰砂比的試塊，隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的逐漸提高，其單軸抗壓強度也基本上遵循類似的強度增大的規(guī)律。由此可見，質(zhì)量分數(shù)提高時試塊強度有一定程度的增加，在一定的范圍內(nèi)質(zhì)量分數(shù)對試塊強度的提高極為有利。

此外，根據(jù)已經(jīng)完成的塌落度實驗可知，質(zhì)量分數(shù)76%的漿液塌落度為24.5 cm，質(zhì)量分數(shù)73%的漿液塌落度為27.5 cm，質(zhì)量分數(shù)70%的漿液為攤開狀態(tài)。質(zhì)量分數(shù)越大，試塊強度越高，但料漿流動性越差，影響充填效果。在實際充填時，應(yīng)充分考慮充填漿液的流動性對充填效果的影響，對比3種質(zhì)量分數(shù)的漿液，質(zhì)量分數(shù)70%的漿液流動性最好，此時的管道流動輸送性能較好。

3.4 充填配比參數(shù)的確定

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，考慮充填料漿的強度、流動性和材料消耗，選用1∶4、1∶6和1∶8三種充填料漿，其中灰砂比為1∶4的膠結(jié)料漿占充填料漿比重為25%，灰砂比為1∶6的膠結(jié)料漿占充填料漿比重為45%，灰砂比為1∶8的膠結(jié)料漿占充填料漿比重為30%，充填料漿質(zhì)量分數(shù)選擇70%?？紤]到對礦房充填后充填體應(yīng)達到一定的強度，因此確定用1∶4的灰砂比料漿充填礦房底部和頂部，1∶6的灰砂比料漿充填礦房中下部和中上部，1∶8的灰砂比料漿充填礦房中部。

4 結(jié) 論

(1)灰砂比、質(zhì)量分數(shù)是影響充填體材料力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，添加水泥多的試塊強度大于添加水泥少的，在一定條件下，添加水泥比例相同時，提高質(zhì)量分數(shù)有利于充填體強度的提高。若需得到相同的充填體強度，可以通過減少水泥用量、提高料漿質(zhì)量分數(shù)的方式來實現(xiàn)，既可以達到充填強度要求，也可以降低充填成本。

(2)較高灰砂比的充填料漿試塊凝結(jié)硬化性能正常，24 h后均能夠拆模，試塊手感較好。對于質(zhì)量分數(shù)較高的水泥-尾砂充填料漿，其固結(jié)沉縮較質(zhì)量分數(shù)低的水泥-尾砂料漿快，可以縮短充填料漿的凝結(jié)硬化過程，充填采場無需脫水，對加快采場循環(huán)作業(yè)有利。

(3)在保證充填體強度的同時，應(yīng)考慮料漿質(zhì)量分數(shù)對充填效果的影響，所選料漿應(yīng)具有良好的流動性。根據(jù)實驗結(jié)果，最終確定選用25%的1∶4灰砂比料漿、45%的1∶6灰砂比料漿和30%的1∶8灰砂比料漿，料漿質(zhì)量分數(shù)為70%。