黨志超

(萊蕪鋼鐵集團萊蕪礦業(yè)有限公司，濟南 271100)

鐵礦開采后形成大面積的采空區(qū)，當(dāng)大型機械設(shè)備在此區(qū)域上方作業(yè)時易導(dǎo)致地表塌陷，影響周邊建筑物的安全甚至造成人員傷亡[1-3]。采空區(qū)的處理方法目前主要有爆破塌落法和充填開采法，但采礦區(qū)上方有建筑物時，不適合直接爆破塌落，而澆筑充填材料可支撐圍巖四周，保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止圍巖失穩(wěn)造成大面積塌陷，從而實現(xiàn)采空區(qū)的充填加固[4，5]，因此，采空區(qū)通常采用充填加固方式處理。

采空區(qū)的加固效果與充填材料性能密切相關(guān)，國內(nèi)外學(xué)者對充填材料的力學(xué)性能進行了諸多研究。如趙國彥等[6]將尾砂、膠凝材料作為充填材料，研究了不同養(yǎng)護時間、材料配比下充填物的承載壓縮性能，發(fā)現(xiàn)在膠凝材料與尾砂質(zhì)量比1∶4、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、養(yǎng)護齡期125.58 h時，充填材料的壓縮性能最好。許良發(fā)等[7]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰作為固態(tài)滾珠潤滑劑可改善充填材料的流動性，但會導(dǎo)致充填材料抗壓強度降低；灰渣可提高充填料漿的黏結(jié)性，降低煤矸石導(dǎo)致料漿離析的負面影響。趙兵朝等[8]采用黃土替代粉煤灰，在水固質(zhì)量比1∶1.6、土灰質(zhì)量比4∶2、水泥矸石質(zhì)量比5∶5的配比條件下，黃土膏體的穩(wěn)定性能和抗壓性能較高。但上述研究采用的充填材料主要為普通水泥和膠凝材料，成本相對較高，高爐礦渣是一種工業(yè)廢料，產(chǎn)量大且含有活性高的玻璃體結(jié)構(gòu)材料，具有膠凝性能，如能替代充填材料中的膠凝材料，不但可以充分利用固廢資源、減少固廢堆存，還可以降低充填材料的成本?；诖?，本文以尾砂、水泥、高爐礦渣作為制備充填材料的原材料，采用氫氧化鈉為激發(fā)劑，重點研究工藝參數(shù)條件和材料配比對充填材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗

試驗用尾砂采自濟南市萊蕪區(qū)某鐵礦鐵粉精選公司尾礦庫。高爐礦渣采用上海諧康新材料科技有限公司的高爐?；V渣。試件制作過程中，砂灰比值按照2、4、6、8、10設(shè)置，料漿質(zhì)量濃度按照54%、56%、58%、60%、62%、64%、66%、68%、70%設(shè)置，高爐礦渣摻量按照高爐礦渣在水泥、尾砂與高爐礦渣總量中所占比例設(shè)置，變化范圍為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%，激發(fā)劑摻量按照固體氫氧化鈉在高爐礦渣與固體氫氧化鈉總量中所占比例設(shè)置，摻量分別設(shè)置為10%、15%、20%、25%、30%。制作完成后按照7、14、21、28 d的養(yǎng)護齡期進行養(yǎng)護。

將水泥與尾砂按照設(shè)定比例放入攪拌機內(nèi)攪拌混合3 min，向干料摻入一定比例的高爐礦渣與固體氫氧化鈉，再次攪拌混合3 min，混合均勻后按照質(zhì)量濃度設(shè)置加入一定比例的自來水，再次攪拌至料漿混合均勻。采用澆筑方式將料漿分三次倒入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具，在振動臺上消除料漿內(nèi)的氣泡。制作完成后，將試件放入養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護36 h后脫模，試件在養(yǎng)護箱內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護至試驗養(yǎng)護齡期，養(yǎng)護濕度設(shè)置為95%，溫度設(shè)置為20 ℃。根據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對制作完成后的試件進行單軸抗壓試驗，測定其力學(xué)性能。應(yīng)用實踐場地選擇濟南市萊蕪區(qū)某礦山，該礦山采用充填采礦法采礦，采空區(qū)頂板厚度為30 m，巖體容重為2.5 t/m3，重力載荷臨界值為0.75 MPa，以此載荷作為充填材料的最低抗壓強度值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護齡期對充填材料抗壓強度的影響

設(shè)置砂灰比4、料漿質(zhì)量濃度60%、高爐礦渣摻量20%、激發(fā)劑氫氧化鈉摻量10%，研究養(yǎng)護齡期對充填材料抗壓強度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 養(yǎng)護齡期對充填材料抗壓強度的影響Fig.1 Effect of curing age on the compressive strength of filling materials

由圖1可知，隨著養(yǎng)護齡期的增加，充填材料的抗壓強度逐漸上升，當(dāng)養(yǎng)護齡期達到21 d后，充填材料的抗壓強度增加趨于平緩。由于養(yǎng)護齡期為7 d時，充填材料的抗壓強度為0.58 MPa，不能滿足最低抗壓強度臨界值0.75 MPa 的要求。養(yǎng)護齡期延長至14 d后，充填材料的抗壓強度升高至0.83 MPa。在采空區(qū)充填現(xiàn)場，充填材料在采空區(qū)恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護14 d以上可滿足承壓要求，但由于養(yǎng)護齡期延長至21 d或28 d后，抗壓強度變化區(qū)域平緩，考慮承壓要求和抗壓強度變化，推薦充填材料養(yǎng)護齡期在21 d以上。

2.2 砂灰比對充填材料抗壓強度的影響

設(shè)置養(yǎng)護齡期21 d、料漿質(zhì)量濃度60%、高爐礦渣摻量20%、激發(fā)劑氫氧化鈉摻量10%，研究砂灰比對充填材料抗壓強度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 砂灰比對充填材料抗壓強度的影響Fig.2 Effect of sand-cement ratio on compressive strength of filling materials

從圖2可以看出，隨著砂灰比的增加，充填材料的抗壓強度逐漸降低，在砂灰比較低時，充填材料的抗壓強度降低較快，砂灰比高時抗壓強度降幅趨緩。這是因為砂灰比低時，充填材料內(nèi)尾砂含量較低，水泥含量較高，水泥可均勻分布在尾砂顆粒間隙，產(chǎn)生的水化膠結(jié)作用可將尾砂相互連接從而提高充填材料整體的固化強度，充填材料的抗壓強度較高。隨著砂灰比的增大，充填材料中的尾砂占比升高，更多的尾砂界面需要膠連劑包裹連接，而作為膠連劑的水泥含量下降，使得膠連固化作用降低，充填材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，抗壓強度下降，由于高爐礦渣具有一定的固化作用，砂灰比增大到一定值后繼續(xù)增大砂灰比，充填材料整體抗壓強度降低幅度趨于平緩。由圖2可知，砂灰比為8時，充填材料的抗壓強度為0.72 MPa，不符合最低抗壓強度臨界值0.75 MPa 的要求，考慮到礦山采空區(qū)的充填成本和承壓要求，建議砂灰比為4。

2.3 料漿質(zhì)量濃度對充填材料抗壓強度的影響

設(shè)置砂灰比4、養(yǎng)護齡期21 d、高爐礦渣摻量20%、激發(fā)劑氫氧化鈉摻量為10%，研究料漿質(zhì)量濃度對充填材料抗壓強度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 料漿質(zhì)量濃度對充填材料抗壓強度的影響Fig.3 Effect of slurry mass concentration on compressive strength of filling materials

從圖3可以看出，隨著料漿質(zhì)量濃度的增加，充填材料的抗壓強度逐漸升高，在料漿質(zhì)量濃度較低時，升高幅度較小，料漿質(zhì)量濃度較高時，升高幅度較大。這是因為料漿質(zhì)量濃度較低時，料漿摻水量較高，雖然水化反應(yīng)水量充足，但過多的水會導(dǎo)致尾砂顆粒間隔較大，水化反應(yīng)生成的膠連聚合物對尾砂的連接效果較弱，此外，過多的水分蒸發(fā)后還會留有一定的空隙，使得充填材料的抗壓強度變低。升高料漿質(zhì)量濃度，料漿摻水量達到合適的比例，更多的水泥、高爐礦渣等發(fā)生水化反應(yīng)，膠連聚合物的膠連效果增強，固化作用顯著提高，同時水分蒸發(fā)留下的空隙明顯減少，充填材料的抗壓強度快速升高。由圖3可知，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為54%～70%時，充填材料的抗壓強度均能滿足最低抗壓強度0.75 MPa 的要求?？紤]到抗壓強度變化趨勢，推薦料漿質(zhì)量濃度為62%～70%。

2.4 高爐礦渣摻量對充填材料抗壓強度的影響

設(shè)置砂灰比4、養(yǎng)護齡期21 d、料漿質(zhì)量濃度60%、激發(fā)劑氫氧化鈉摻量10%，研究高爐礦渣摻量對充填材料抗壓強度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 高爐礦渣摻量對充填材料抗壓強度的影響Fig.4 Effect of blast furnace slag content on compressive strength of filling materials

從圖4可以看出，隨著高爐礦渣摻量的增加，充填材料的抗壓強度逐漸升高，升高幅度先快后慢。高爐礦渣摻量從0升至5%時，充填材料抗壓強度快速升高，這主要與高爐礦渣膠連固化作用有關(guān)，繼續(xù)升高高爐礦渣摻量，更多的高爐礦渣被激發(fā)劑激發(fā)，生成膠連聚合物，充填材料的抗壓強度繼續(xù)升高。當(dāng)高爐礦渣摻量超過20%時，水泥所占比例降低，水泥的固化效果降低，在水泥和高爐礦渣的協(xié)同固化作用下，充填材料抗壓強度升高緩慢。由圖4可知，高爐礦渣摻量高于5%時，充填材料的抗壓強度即可滿足最低抗壓強度0.75 MPa 的要求，但考慮到高爐礦渣成本較低，摻入后充填材料的抗壓性能得到明顯改善，因此，高爐礦渣摻量推薦為20%。

2.5 激發(fā)劑氫氧化鈉摻量對充填材料抗壓強度的影響

設(shè)置砂灰比4、養(yǎng)護齡期21 d、料漿質(zhì)量濃度60%、高爐礦渣摻量20%，研究激發(fā)劑氫氧化鈉摻量對充填材料抗壓強度的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 激發(fā)劑氫氧化鈉摻量對充填材料抗壓強度的影響Fig.5 Effect of activator sodium hydroxide dosage on compressive strength of filling materials

從圖5可以看出，隨著氫氧化鈉摻量的增加，充填材料的抗壓強度先升高后降低，當(dāng)氫氧化鈉摻量為25%時，充填材料抗壓強度達到峰值1.46 MPa。氫氧化鈉摻量較低時，充填材料的抗壓強度不高，這是因為，氫氧化鈉摻量較低，激發(fā)劑含量低，激發(fā)劑對高爐礦渣的激發(fā)作用有限，生成的膠連聚合物相對較少，固化作用相對較弱，因此充填材料的抗壓強度較低。而隨著氫氧化鈉摻量的增加，膠連聚合物生成量增加，固化作用增強，充填材料的抗壓強度升高。但當(dāng)氫氧化鈉摻量過高時，堿性環(huán)境縮短了充填材料的凝固時間，導(dǎo)致膠連聚合物分布不均，凝固過程易形成收縮裂縫，充填材料的抗壓強度反而降低?？紤]到氫氧化鈉的激發(fā)效果，推薦激發(fā)劑氫氧化鈉摻量為25%。

2.6 工程應(yīng)用實踐

按照養(yǎng)護齡期21 d、砂灰比4、料漿質(zhì)量濃度65%、高爐礦渣摻量20%、激發(fā)劑氫氧化鈉摻量25%條件制備充填材料，并將充填材料用于濟南市萊蕪區(qū)某鐵礦充填開采過程，結(jié)果表明，充填抗壓強度滿足最低抗壓強度臨界值0.75 MPa 的要求，采空區(qū)充填后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，說明高爐礦渣可以作為制備充填材料的原材料用于實際礦山的充填過程。

3 結(jié)論

1)采用尾砂、水泥、高爐礦渣作為充填材料，以氫氧化鈉為激發(fā)劑，可以制備出滿足充填采礦要求的充填材料。

2)充填材料抗壓強度隨著試件養(yǎng)護齡期的延長先快速上升后趨于平緩，推薦充填材料養(yǎng)護齡期在21 d以上。隨著砂灰比的增加，充填材料的抗壓強度降低，建議最佳砂灰比為4。隨著料漿質(zhì)量濃度的增加，充填材料的抗壓強度先緩慢升高，后快速升高，推薦最佳料漿質(zhì)量濃度為62%～70%。隨著高爐礦渣摻量的增加，充填材料的抗壓強度先升高后趨于平緩，推薦高爐礦渣摻量為20%。隨著激發(fā)劑氫氧化鈉摻量的增加，充填材料的抗壓強度先升高后降低，推薦激發(fā)劑氫氧化鈉摻量為25%。

3)采用推薦的工藝參數(shù)條件：高爐摻量20%、砂灰比4、料漿質(zhì)量濃度65%、氫氧化鈉摻量25%條件下配比制備充填材料并養(yǎng)護21 d，養(yǎng)護后的充填材料的抗壓強度可滿足采空區(qū)頂板厚度30 m、巖體容重2.5 t/m3、重力載荷0.75 MPa的載荷要求，充填結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足強度要求。