膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響因素分析

楊安國YANG An-guo；周宗紅ZHOU Zong-hong；張秋華ZHANG Qiu-hua

（①昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明650093；②昆明理工大學(xué)管理經(jīng)濟(jì)學(xué)院，昆明650093）

0 引言

開發(fā)資源和保護(hù)環(huán)境是當(dāng)下人類社會(huì)面臨的兩大難題，隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，在礦山資源不斷減少的同時(shí)也要越來越注重環(huán)境的保護(hù)。近幾十年來，隨著礦石開采造成的環(huán)境問題越來越多，充填采礦法在全國各大礦山特別是金屬礦山有了很大的發(fā)展。膠結(jié)充填法利用了礦山大量的尾砂、塊石，將其與膠凝劑、水混合攪拌后充入地下采空區(qū)，這種方法不僅能創(chuàng)造安全的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)也將容易對環(huán)境造成破壞的尾砂輸入地下，避免尾砂對環(huán)境污染。膠結(jié)充填技術(shù)的要點(diǎn)是充填材料，膠結(jié)充填的效果取決于充填材料的強(qiáng)度。所以，對影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析很有必要。

1 研究現(xiàn)狀

尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在國內(nèi)最早始于20世紀(jì)60～70年代。隨著膠結(jié)充填技術(shù)在礦上中應(yīng)用得越來越廣泛，國內(nèi)外的研究都開始深入研究充填料的性質(zhì)、充填料與圍巖的相互作用、充填體的穩(wěn)定性和充填膠凝材料。我國的礦山在60～70年代主要采用混凝土充填，由于缺乏研究，充填料的制備幾乎是按照建筑類混凝土的要求。這種粗骨料膠結(jié)充填應(yīng)用到礦山有很大的困難，因?yàn)槌涮钶斔凸に噺?fù)雜，對物料組配要求很精確。到了20世紀(jì)70～80年代，一代代礦山人對充填物料不斷地改進(jìn)，出現(xiàn)了細(xì)沙膠結(jié)充填技術(shù)。細(xì)沙膠結(jié)充填的膠結(jié)劑主要還是水泥，其它物料有尾砂、天然砂和棒磨砂等。由于細(xì)沙膠結(jié)充填在物料組配上的改進(jìn)，使其保證良好輸送特性的同時(shí)也具有滿足要求的膠結(jié)強(qiáng)度。目前，細(xì)沙膠結(jié)充填技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用成熟，已在小鐵山鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦、銅綠山銅礦等礦山應(yīng)用成功。

2 抗壓強(qiáng)度影響因素分析

經(jīng)過大量的科研成果和生產(chǎn)實(shí)踐，對礦山充填技術(shù)特別是膠結(jié)充填技術(shù)的研究已經(jīng)日漸深入，膠結(jié)充填作為眾多充填采礦法的一種，影響其充填體抗壓強(qiáng)度的因素有基本的共同點(diǎn)：膠凝材料、惰性材料、物料配比、料漿濃度、養(yǎng)護(hù)條件[2]。

2.1 膠凝材料

所謂膠結(jié)料是指在物理化學(xué)的作用下，能夠從漿體變成堅(jiān)固的石狀體并能夠膠結(jié)其他物料制成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體物質(zhì)。水泥作為最常采用的膠凝材料，但是為了有效降低成本，也可以采用爐渣以及粉煤灰等代替水泥。影響充填體強(qiáng)度的最主要因素莫過于水泥型號和用量，目前普通硅酸鹽水泥使用最為廣泛。當(dāng)其他條件相同時(shí)，隨著水泥用量的增加和水泥標(biāo)號的增加，充填體的強(qiáng)度也會(huì)增加。下面主要介紹下硅酸鹽水泥[2]。

表1 各種硅酸鹽水泥的礦物組成（%）

水泥加水拌合后會(huì)發(fā)生化學(xué)反映而生成多種水化物，即水泥具有“水化”特性。水泥的水化合凝結(jié)硬化過程從水泥顆粒表面開始的，由于開始水化過程較快，因此，水泥強(qiáng)度增長較快；但水化物隨著水化作用的進(jìn)行會(huì)在水泥顆粒周圍慢慢增多，水和水泥顆粒未水化部分接觸得不夠好，水化速度變慢，因而水泥強(qiáng)度增長也呈現(xiàn)減慢趨勢。

在礦山尾砂膠結(jié)充填采礦中，由于水泥的價(jià)格昂貴，使膠結(jié)充填法的采礦成本較高。近年來，國內(nèi)外的研究者們根據(jù)膠凝作用的機(jī)理，對水泥替代品進(jìn)行了廣泛的研究。出于對環(huán)保的考慮，對粉煤灰和爐渣等廢料進(jìn)行了集中研究。

爐渣是指金屬冶煉生產(chǎn)過程中，從高爐排出的廢渣。使用爐渣作為膠凝劑有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①爐渣作為膠結(jié)劑使用時(shí)，里面SiO2的含量應(yīng)不低于15%。

②爐渣里面只有玻璃質(zhì)狀態(tài)的SiO2才能發(fā)揮作用。

③為使其具有反應(yīng)活性，剛產(chǎn)出的爐渣要研磨到一定細(xì)度（比表面積約為3000cm2/g）時(shí)，才具有反應(yīng)活性。

④如果是火山灰質(zhì)材料的活性SiO2，需必須有CaO的存在才能與水反應(yīng)生成穩(wěn)定的帶膠結(jié)性的水化硅酸鈣的復(fù)鹽。而且對于各種不同的爐渣加入的CaO的含量均有一最優(yōu)值。如煉銅水淬爐渣和煉鉛水淬爐渣CaO最優(yōu)含量分別為2.4%和20.0%。

2.2 惰性材料 礦山使用最為普遍的是尾砂，此外還有河砂，風(fēng)砂等常用建筑用料。如果礦山尾砂資源豐富而且沒有二次利用價(jià)值，可選用尾砂作為惰性材料。下面列舉某礦山全尾砂的化學(xué)性質(zhì)如表2。

表2 某礦山全尾砂化學(xué)成分組成

尾砂在作為充填的材料時(shí)要經(jīng)過分級脫泥處理，因?yàn)橹挥羞@樣才能使充填過程中有良好的滲透性能。經(jīng)過分級脫泥使尾砂中細(xì)粒級（如-20納米）的含量能在允許的含量以內(nèi)。經(jīng)過脫泥的尾砂成為分級尾砂[3]。由于采用尾砂作為惰性材料過于單一，因此，在實(shí)際中經(jīng)常加入廢石來保證充填體具有良好的力學(xué)特性。廢石能有效提高膠結(jié)充填體的強(qiáng)度，廢石尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度在水泥含量不變的條件下會(huì)隨著廢石含量的增加而增大。在充填體強(qiáng)度要求一定的情況下，廢石尾砂膠結(jié)充填能有效減少水泥用量，節(jié)約充填成本[2]。

2.3 料漿濃度

料漿濃度是指膠凝材料、惰性材料在充填體中所占的比重。根據(jù)料漿濃度的不同，膠結(jié)充填可分為三類如表3。

表3

在充填體水泥含量不變情況下，抗壓強(qiáng)度隨砂漿濃度的增大而增加，通過試驗(yàn)證實(shí)，二者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這是由于以下幾個(gè)方面的因素造成的：

①濃度的大小直接影響到水泥的離席。漿體的濃度增加以后，水泥的離析越小，降低了水泥的流失，充填體抗壓強(qiáng)度增大。

②濃度的大小影響著充填體的密度，濃度降低時(shí)，水在溢流到上表面的過程中因?yàn)榱黧w摩擦力的作用使充填體產(chǎn)生很多空隙，因而充填體強(qiáng)度變小。

③濃度的大小影響著充填體內(nèi)部均勻度，砂漿濃度增加，則在水化反應(yīng)時(shí)間內(nèi)漿體顆粒沉降變慢，水化反應(yīng)更加充分，顆粒分布更加均勻，這會(huì)增加了充填體強(qiáng)度。

④濃度的大小改變著充填料中的含泥量，一定量的含泥量會(huì)在充填體中起到填充顆粒間縫隙作用，這提高了充填體密度。

2.4 物料配比

膠凝材料、惰性材料以及水和添加劑在填充體中占有的比重即為物料的配比。通常而言，充填體的強(qiáng)度會(huì)隨著膠凝材料占得比例的增大而增大，但是也會(huì)提高成本。所謂合理的物料配比是指不僅滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，還具有良好的經(jīng)濟(jì)利益。

2.4.1 水灰比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：R28=ARC（C/W-B）

式中：R—膠結(jié)體在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d的抗壓強(qiáng)度，kg/cm2；Rc—水泥標(biāo)號；A—試驗(yàn)系數(shù)，常取 0.4～4.5；B—試驗(yàn)系數(shù)，一般取為0.5；C/W—灰水比。

從式中可看出，膠結(jié)體強(qiáng)度會(huì)隨著水泥標(biāo)號的增加而增加。實(shí)踐證明，高標(biāo)號水泥的經(jīng)濟(jì)效益更好[2]。

單位體積混凝土中水和水泥的重量比即水灰比。水灰比在灰砂比以及料漿濃度等條件相同時(shí)，對膠結(jié)體的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生很大的影響。實(shí)踐證明，水泥含量雖然對強(qiáng)度影響不大，但是對充填體的強(qiáng)度具有很大的影響，充填體強(qiáng)度與水泥含量多少成正比。此外，水灰比還會(huì)影響充填體的流動(dòng)性，因此，為了滿足實(shí)際填充過程中砂泵的輸送要求，水灰比不能太低。漿體的流動(dòng)性與水的用量直接相關(guān)，在實(shí)際充填過程中，一般用輸送充填料的料漿濃度表示充填體的含水量[5]。

2.4.2 骨料級配

骨料作為充填體的基本組成部分，骨料級配能夠?qū)Τ涮铙w的強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。一個(gè)合理的充填體級配不僅能夠保證均勻度，更能增加密實(shí)度和強(qiáng)度。一般而言，在充填材料中，粗骨料占60-70%，細(xì)骨料占30-40%。由于細(xì)骨料能夠提高砂漿的輸送性能以及填充粗骨料的空隙，因此，能夠防止離析現(xiàn)象且能夠增加膠結(jié)強(qiáng)度[2]。此外，早強(qiáng)劑、緩凝劑以及速凝劑等的使用也會(huì)促使填充體具有不同的特性。

2.5 養(yǎng)護(hù)條件

充填料漿充入采場之后，要經(jīng)過一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)才能產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)條件直接關(guān)系到充填體強(qiáng)度的形成和增長，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，充填體的強(qiáng)度隨之增加；②水泥用量較小時(shí)，充填體養(yǎng)護(hù)的最佳溫度在40℃，此時(shí)充填體強(qiáng)度增長最快，10℃～30℃間時(shí)對強(qiáng)度影響不大；③環(huán)境濕度也會(huì)影響水泥的硬化，濕度過大會(huì)降低充填體強(qiáng)度。

3 結(jié)語

隨著在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山充填采礦法的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，在充填料制備、漿體輸送設(shè)備、充填料和添加劑的開發(fā)方面會(huì)有更大的研究空間。特別是對膠凝材料的開發(fā)，研究出能夠取代水泥作用，并且廉價(jià)的新型膠凝材料是以后需重點(diǎn)研究達(dá)的方面。

[1]解世俊.金屬礦床地下開采[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)[M].北京：冶金出版社，2002.

[3]羅建祥.影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度的因素分析[J].甘肅冶金，2005，27（2）：24-25.

[4]張海波，宋衛(wèi)東.評述國內(nèi)外充填采礦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].礦業(yè)快報(bào)，2009，18（12）：59-62.

[5]劉明.內(nèi)蒙查干銀礦3#礦體上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦方法試驗(yàn)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2002.