尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度差異性分析

李 武，利 堅(jiān)，陳 沖

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

礦山井下充填過(guò)程中，充填料漿經(jīng)充填管輸送至采場(chǎng)中，完成濾水、水化反應(yīng)等過(guò)程后，最終形成具有一定支撐強(qiáng)度的充填體，以改善采場(chǎng)應(yīng)力，最大限度回收深部礦產(chǎn)資源。

李文臣等[1]開(kāi)展充填試驗(yàn)?zāi)M，系統(tǒng)分析了充填體強(qiáng)度在縱向、橫向和豎向3個(gè)方向上的分布規(guī)律；成祖國(guó)、魏曉明等[2，3]從濃度、沉降、分布等方面分析了礦山現(xiàn)場(chǎng)嗣后充填過(guò)程與實(shí)驗(yàn)室充填試件體制備過(guò)程的差異，并對(duì)兩者間的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比研究；邱華富等[4]通過(guò)相似模型漿體充填試驗(yàn)，分析采空區(qū)充填漿體流動(dòng)沉積規(guī)律及充填漿體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

上述文獻(xiàn)對(duì)兩類(lèi)充填體進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比，但得出的結(jié)果不盡相同。本文以云南某鉛鋅礦山為工程背景，揭示該礦山采場(chǎng)充填體強(qiáng)度空間變化規(guī)律及其形成機(jī)制，對(duì)地表實(shí)驗(yàn)室制備的充填體與井下原位取芯充填體進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比，掌握井下采場(chǎng)充填質(zhì)量。

1 充填體試件力學(xué)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)礦山現(xiàn)用膏體物料（水泥+尾砂+水粹渣）配合比設(shè)計(jì)充填配比試驗(yàn)。試塊澆筑、養(yǎng)護(hù)并脫模后置于恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度23.9℃，濕度97.7%，養(yǎng)護(hù)齡期28d。

井下原位充填體設(shè)計(jì)取芯長(zhǎng)度56m，取芯鉆孔傾角為0°，方位角為26°，機(jī)頭高度1.5m，取芯情況見(jiàn)圖1。將長(zhǎng)度超過(guò)10cm的原位充填體芯加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)量每個(gè)試件的直徑和長(zhǎng)度。

對(duì)兩類(lèi)充填體進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，見(jiàn)表1。

圖1 井下充填體取芯

表1 試件力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，原位取芯膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度、容重、彈性模量和峰值應(yīng)力分別高出實(shí)驗(yàn)室試件約2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%。原位取芯試件的容重更大，即表明單位體積內(nèi)孔隙及孔隙水減少，宏觀上呈現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的增大。

2 充填體試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征分析

全尾砂充填試塊做單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試之后，當(dāng)天取中間部分試樣低溫烘干24h，然后噴金后做掃描電鏡分析，試驗(yàn)采用美國(guó)FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡，X射線能譜儀(EDAXGENESIS)檢測(cè)物質(zhì)成分。

養(yǎng)護(hù)環(huán)境（溫度和濕度）、養(yǎng)護(hù)齡期、料漿質(zhì)量濃度和灰砂比影響充填體的性能主要因?yàn)橛绊懗涮铙w中水泥的水化，即不斷影響水化反應(yīng)不斷生成的六片狀A(yù)Fm相及C-A-H晶體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育情況見(jiàn)圖2。

圖2 兩類(lèi)充填試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比（灰砂比1∶6、質(zhì)量濃度76%）

由圖2可知，相同灰砂比和質(zhì)量濃度下，原位取芯充填試塊水化產(chǎn)物多于實(shí)驗(yàn)室充填試塊，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度的加大。

3 實(shí)驗(yàn)室試件與原位取芯試件強(qiáng)度差異分析

首先，與井下充填物料相比，實(shí)驗(yàn)室物料粒級(jí)分布相對(duì)更加均勻。其次，部分水經(jīng)濾水管排出，使得井下膠結(jié)充填體容重比地表實(shí)驗(yàn)室大。同時(shí)，溫度也是影響水泥水化反應(yīng)的重要因素[6]。該礦山全年平均溫度16℃，而井下充填空區(qū)溫度達(dá)到32℃，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)水泥水化反應(yīng)的影響更大。

由于實(shí)驗(yàn)室筑模和井下濾水管排水過(guò)程中都會(huì)造成部分水泥和細(xì)顆粒流失，且在表中濃度的變化過(guò)程中，兩類(lèi)試件的強(qiáng)度值變化幅度均不是太大，故認(rèn)為充填濃度并不是造成兩類(lèi)充填體強(qiáng)度值顯著差異的主要原因。表1中兩種配比的原位力學(xué)參數(shù)強(qiáng)度均高于地表實(shí)驗(yàn)室試件，說(shuō)明充填料漿受到上覆料漿的自重應(yīng)力及兩幫圍巖或膏體的空間限制，固結(jié)過(guò)程中內(nèi)部原生孔隙被壓密，孔隙水排出[5]，增加了同等體積的密實(shí)度和容重，進(jìn)而體現(xiàn)在彈性模量、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)上。綜上所述，井下充填體容重高于地表實(shí)驗(yàn)室試件，是造成井下取芯強(qiáng)度高于實(shí)驗(yàn)室試件強(qiáng)度的主要原因。

4 采場(chǎng)空間位置對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

地表試驗(yàn)中，充填體試件強(qiáng)度隨著充填濃度和灰砂比的提高而增加，滿足常見(jiàn)充填體強(qiáng)度規(guī)律。但原位取芯充填體強(qiáng)度測(cè)試中，灰砂比1∶6的試件強(qiáng)度隨濃度的增加而出現(xiàn)略微降低的趨勢(shì)，說(shuō)明在實(shí)際空區(qū)充填過(guò)程中，充填體強(qiáng)度并不完全滿足常見(jiàn)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。實(shí)際情況中，空區(qū)充填過(guò)程中充填體強(qiáng)度在空間內(nèi)的分布呈現(xiàn)不均勻性，是由骨料顆粒分布、水泥含量和分布、物料膠結(jié)形式和狀態(tài)，以及膠漿固結(jié)時(shí)的實(shí)際濃度分布等多種因素耦合所致。原位取芯充填體試件受力破壞方式與常見(jiàn)制件破壞方式完全不同，物料在膠結(jié)時(shí)表現(xiàn)有不均勻性，破壞面處尾砂顆粒居多，大小顆粒膠結(jié)出孔隙多、大，水泥析出較多。

充填過(guò)程中，在充填管道端口下放的漿體沖刷逐漸形成1個(gè)椎形構(gòu)筑物，且靠近充填端口粗顆粒較多，細(xì)顆粒隨漿體的移動(dòng)向遠(yuǎn)端移動(dòng)沉積。新注入漿體沿著已沉積漿體坡面流動(dòng)沉積，沉積水在采空區(qū)遠(yuǎn)端聚集并排出。料漿的流動(dòng)沉積過(guò)程會(huì)發(fā)生料漿中固體顆粒的沉降，表現(xiàn)為粗顆粒物料比細(xì)顆粒物料先沉積。隨著流動(dòng)距離的增加，尾砂細(xì)顆粒比例逐漸升高，這就導(dǎo)致充填體在同一水平面上的強(qiáng)度降低，又根據(jù)各自影響程度的不同，最終疊加出不同的強(qiáng)度分布規(guī)律?？諈^(qū)完成充填后，充填體坡形已基本形成，充填體在不同位置的高度有差別，這將導(dǎo)致不同的豎向壓力和料漿濃度，并最終導(dǎo)致充填強(qiáng)度在豎向上的差異，一般來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)充填體強(qiáng)度自下而上逐漸降低的分布規(guī)律。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原位取芯充填體試件及實(shí)驗(yàn)室試件的力學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)原位取芯膠結(jié)充填體在抗壓強(qiáng)度、容重、彈性模量和峰值應(yīng)力方面分別高出實(shí)驗(yàn)室試件約2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%?；陔婄R掃描對(duì)兩類(lèi)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育情況檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在相同灰砂比和質(zhì)量濃度下，原位取芯充填試塊水化產(chǎn)物多于實(shí)驗(yàn)室充填試塊，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定，表現(xiàn)為支撐強(qiáng)度的加大。影響原位充填體試件及實(shí)驗(yàn)室試件強(qiáng)度的主要原因?yàn)槭芰Νh(huán)境，表現(xiàn)為原位充填體容重的增加。并加上物料顆粒均勻性、實(shí)際充填濃度以及溫度等眾多因素耦合作用，使得井下充填體強(qiáng)度更大。空區(qū)充填位置不同，其強(qiáng)度范圍不一樣。當(dāng)充填位置位于采空區(qū)中心時(shí)，其強(qiáng)度較大，且分布的均勻性更好。充填體在不同位置的高度差別，形成不同的豎向壓力和料漿濃度，并最終導(dǎo)致充填強(qiáng)度在橫向及豎向上的差異。