尾砂膠結(jié)充填材料配比強(qiáng)度變化特性研究

楊岳陽，何曉武，王 雷

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦，廣西 南丹 547205)

近年隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦業(yè)也不斷蓬勃發(fā)展，但礦山的開采同時(shí)也對(duì)周邊環(huán)境造成影響，其中最為常見的隱患便是礦山開采形成地下空區(qū)，造成地表工業(yè)及民用場(chǎng)所塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，而充填采礦法可有效解決此問題，已在我國(guó)礦山中不斷推廣應(yīng)用[1]。

充填采礦法中最為重要的技術(shù)便是在保證充填系統(tǒng)其他條件可靠的前提下如何最大限度增加充填料強(qiáng)度，一般礙于充填成本的限制，充填料一般秉著就地取材的原則，尾砂作為一種礦山宜取材料，在充填材料中應(yīng)用越來越廣泛，但如何調(diào)節(jié)尾砂膠結(jié)充填材料配比，提高充填材料強(qiáng)度仍是亟待解決的問題[2-3]。

為此，本文以廣西某礦山尾砂作為基礎(chǔ)充填料，進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填材料強(qiáng)度配比試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選出最適宜的充填材料配比，并為該礦山充填系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)資料。

1 試驗(yàn)材料測(cè)試

1.1 物理特性測(cè)試

本次所選測(cè)試材料為該礦連選試驗(yàn)尾砂，對(duì)所選尾砂進(jìn)行粒度測(cè)試分析，所選尾砂中各粒徑成分組成見表1，各粒徑分布見表2。

表1 尾砂顆粒成分測(cè)定

表2 尾砂粒徑分布

根據(jù)所測(cè)尾砂顆粒組成及粒徑分布得尾砂粒徑分布曲線，如圖1所示。根據(jù)所測(cè)尾砂顆粒成分結(jié)果顯示小于0.01 mm細(xì)顆粒占24.5%，0.1 mm以下顆粒占達(dá)80%以上，說明尾砂總體粒徑較小，符合結(jié)構(gòu)流充填要求的細(xì)尾砂含量整體要求。

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve

尾砂的各物理參數(shù)為基本數(shù)據(jù)，試驗(yàn)同時(shí)按土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)尾砂各項(xiàng)基本物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 尾砂顆粒物理參數(shù)

1.2 化學(xué)成分測(cè)試

由于充填系統(tǒng)中充填材料的化學(xué)成分會(huì)影響充填料物理性質(zhì)，因此需對(duì)尾砂的化學(xué)組成進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4所示，從表4可見，其主要化學(xué)成分為SiO2和CaO，因此該尾砂可應(yīng)用于充填料中。

表4 尾砂成分構(gòu)成

2 尾砂膠結(jié)充填材料配比強(qiáng)度測(cè)試

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)以該礦山連選試驗(yàn)全尾砂與標(biāo)號(hào)為P.C32.5的硅酸鹽水泥為試驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)不同組灰砂比及不同濃度料漿試樣，并對(duì)不同齡期的各試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同灰砂比及料漿濃度下充填體的力學(xué)性質(zhì)變化，并依此結(jié)果優(yōu)選出最適宜的充填材料配比[4]。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)灰砂比為1∶3、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12共計(jì)5組，料漿濃度選擇78%、76%、74%、72%，總計(jì)20組配比材料。分別對(duì)每組試樣進(jìn)行4個(gè)齡期(3、7、28、60 d)的強(qiáng)度測(cè)試，各組設(shè)3個(gè)平行樣本。該礦尾砂顆粒較細(xì)，故采用金屬模具澆注，所選尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm。試樣的制作、養(yǎng)護(hù)等過程均按操作規(guī)程進(jìn)行。分別對(duì)各試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 各試樣抗壓強(qiáng)度

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

一般認(rèn)為養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比、料漿濃度是對(duì)充填體力學(xué)性質(zhì)影響最大的因素[5-6]，因此需對(duì)三種因素影響綜合分析，從而了解各試驗(yàn)充填材料的變化規(guī)律，并以此為根據(jù)選擇最優(yōu)的充填材料配比。根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，以灰砂比1∶3和灰砂比1∶6各齡期和各濃度條件下試樣強(qiáng)度做分析，并繪制不同濃度條件下各齡期試樣強(qiáng)度折線圖，灰砂比1∶3各試樣測(cè)試結(jié)果折線圖見圖2，灰砂比1∶6各試樣測(cè)試結(jié)果見圖3。從圖2和圖3可看出，灰砂比1∶3和1∶6在料漿濃度一定的條件下其強(qiáng)度均隨著齡期的增加而增加，其強(qiáng)度增加速度趨勢(shì)呈現(xiàn)出先急后緩的趨勢(shì)，在齡期10 d內(nèi)其強(qiáng)度增加速度最快。灰砂比為1∶3時(shí)料漿濃度從大到小各試樣能達(dá)到的最大強(qiáng)度分別為5.074、4.284、3.244、4.044 MPa，灰砂比為1∶6時(shí)料漿濃度從大到小各試樣能達(dá)到的最大強(qiáng)度分別為1.954、1.674、1.652、1.351 MPa。同一濃度條件下，灰砂比越大其最終能達(dá)到的強(qiáng)度越大，但其充填材料成本也將越高。

圖2 灰砂比1∶3各試樣測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of lime sand ratio 1∶3

在同一灰砂比條件下料漿濃度越高其強(qiáng)度越大，而濃度過高其流動(dòng)性較差，充填管路阻力也更大，能耗也越大，因此合適的料漿濃度選擇也是充填系統(tǒng)建設(shè)的重要考量。從圖3及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中可看出，料漿濃度為76%和74%其抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化趨勢(shì)線較為接近，即其兩種料漿濃度條件下的充填體所能達(dá)到的強(qiáng)度大體相當(dāng)，因此從經(jīng)濟(jì)及技術(shù)角度考慮選用料漿濃度74%較為適宜。

圖3 灰砂比1∶6各試樣測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of lime sand ratio 1∶6

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，料漿濃度為74%時(shí)，灰砂比為1∶3時(shí)其60 d齡期達(dá)到的最大強(qiáng)度為3.244 MPa；灰砂比為1∶4時(shí)其60 d齡期達(dá)到的最大強(qiáng)度為2.924 MPa；灰砂比為1∶6時(shí)其60 d齡期達(dá)到的最大強(qiáng)度為1.652 MPa；灰砂比為1∶8和1∶12時(shí)其最終所能達(dá)到的強(qiáng)度較小，分別為0.694 MPa和0.494 MPa。從各灰砂比所能達(dá)到的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，在料漿濃度為74%，灰砂比為1∶4時(shí)其60 d齡期的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到2.924 MPa，滿足礦山充填強(qiáng)度要求。因此根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等綜合方面考量，可將灰砂比為1∶4、料漿濃度為74%的充填材料配比作為最佳選擇。

3 結(jié)論

1)根據(jù)對(duì)該礦山尾砂物理及化學(xué)特性測(cè)試，可知該礦尾砂能夠作為充填材料應(yīng)用，為充填系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)材料條件。

2)以不同灰砂比、不同料漿濃度為可變條件，配置不同灰砂比、不同濃度的試樣，并對(duì)各齡期試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，隨著齡期增加充填體試樣強(qiáng)度逐漸變大，水泥添加量與充填體試樣強(qiáng)度也成正比，同時(shí)，料漿濃度的提高對(duì)充填體試塊的強(qiáng)度增大也是有益的。

3)料漿濃度為74%，灰砂比為1∶4時(shí)其60 d齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.924 MPa，滿足該礦山充填體強(qiáng)度要求，為最佳條件。

4)尾砂膠結(jié)充填材料配比選擇除要考慮其能達(dá)到的強(qiáng)度要求外，也應(yīng)考慮充填料漿的流動(dòng)性要求，本次試驗(yàn)測(cè)試僅以充填材料強(qiáng)度為主要指標(biāo)，后期應(yīng)考慮對(duì)充填料漿進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)測(cè)試，以此保障后期充填系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。