鐵礦全尾砂膠結(jié)充填材料的力學(xué)特性

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(jì)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(jī)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(jìn)行了研究。張金等[5]對膠結(jié)充填體試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了硬石膏摻入量、尾砂細(xì)度和充填料漿濃度對強(qiáng)度的影響。趙康等[13]對充填材料組合體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度起決定作用。盧萍等[14]通過單軸抗壓實(shí)驗(yàn)分析了不同齡期尾砂充填體的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，分析了灰砂配比、料漿濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對強(qiáng)度的影響。于永純等[16]進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填實(shí)驗(yàn)，提出了加入廢石來改善充填體流動(dòng)性能。韋寒波等[17]對粉煤灰摻入量對膠結(jié)體強(qiáng)度影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了預(yù)測。張盛友等[18]對爐渣摻量、充填體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰砂比耦合作用對試件強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間和力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，分析灰砂比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、養(yǎng)護(hù)齡期對試塊強(qiáng)度的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究，以期為后續(xù)充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(hù)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(yàn)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(yàn)，選擇標(biāo)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(jī)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(shí)，以及充填前后洗管用水，可采用深錐濃密機(jī)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(qiáng)度、沉降率、滲濾水性能等參數(shù)有重要影響[24]。同時(shí)，只有對全尾砂物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的分析，才能有針對性地進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，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?jǐn)?shù)w以及累積質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)，在74 μm以上尾砂粒度占比為26.27%，占比較小；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(qiáng)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(xiàn)[26]中的方法進(jìn)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(jìn)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?jǐn)?shù)達(dá)到67.03%，具有一定潛在膠結(jié)性能。硫化物對充填體的強(qiáng)度影響較大[27]，所選尾砂中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較少，為0.11%，對充填體強(qiáng)度影響較小。

表2 尾砂化學(xué)成分測定結(jié)果

2 實(shí) 驗(yàn)

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?jǐn)?shù)等參數(shù)。根據(jù)動(dòng)態(tài)濃密沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右[28]，因此確定配比方案質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、73%、76%。為了減少水泥用量，降低充填成本，依據(jù)文獻(xiàn)[5、7、9、11、13、15～16、18、23～25、28]等灰砂比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)充填體組成材料消耗量

2.2 試塊的制作

按設(shè)計(jì)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(jìn)行澆筑，在澆筑時(shí)使用金屬棒不斷搗振充填料漿，使料漿密實(shí)，并將內(nèi)部存留的氣泡排出。使用振動(dòng)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(hù)池中進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，環(huán)境溫度保持在20～23 ℃，在試塊制作過程中嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作規(guī)程的要求進(jìn)行操作。

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度的測試

使用電腦控制的機(jī)械壓力機(jī)測定試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間t分別為3、7、28 d三個(gè)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度測試，每個(gè)齡期澆注3個(gè)試塊，共計(jì)有18組配比實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 灰砂比對充填體強(qiáng)度的影響

質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變條件下不同灰砂比充填體單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，水泥添加量越多，試塊凝結(jié)速度越快，各齡期試塊的強(qiáng)度越大。試塊強(qiáng)度隨著灰砂比的增大而增大，灰砂比對試件強(qiáng)度的影響較大?；疑氨仍?∶4時(shí)試件強(qiáng)度達(dá)到最大，到1∶6時(shí)試件強(qiáng)度明顯下降，在1∶6至1∶12時(shí)試塊強(qiáng)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(shí)，試塊強(qiáng)度下降幅度降到最小，變化趨勢趨于平緩?；疑氨却笥?∶8時(shí)，試塊的強(qiáng)度增長趨勢明顯。在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，1∶4灰砂比充填體強(qiáng)度是1∶20灰砂比強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)際充填時(shí)，考慮充填成本、強(qiáng)度要求及后期對礦柱的回采，一般選用多種灰砂比料漿進(jìn)行充填，以達(dá)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(hù)齡期對充填體強(qiáng)度的影響

對3、7和28 d的養(yǎng)護(hù)齡期試塊強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析，如圖3所示。

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

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)齡期越長，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度越大。同為灰砂比1∶4試塊，由料漿質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度，分別較7 d和3 d單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，分別較7 d和3 d單軸抗壓強(qiáng)度增加了1.12和0.63倍、12.01和0.46倍、1.02和0.75倍。實(shí)際充填后的養(yǎng)護(hù)期為3個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過28 d齡期，可保障充填體充分達(dá)到強(qiáng)度要求。

3.3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填體強(qiáng)度的影響

對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)及灰砂比的3、7和28 d養(yǎng)護(hù)齡期試塊的強(qiáng)度值進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)試塊單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度增大。在同一灰砂比情況下，試塊的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，試塊強(qiáng)度越大；當(dāng)水泥添加量較少時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填體強(qiáng)度影響明顯增大。例如，對于灰砂比為1∶4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)76%、73%的試塊，其3、7、28 d強(qiáng)度分別為質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)76%、73%的試塊，其3、7、28 d強(qiáng)度分別為質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的逐漸提高，其單軸抗壓強(qiáng)度也基本上遵循類似的強(qiáng)度增大的規(guī)律。由此可見，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時(shí)試塊強(qiáng)度有一定程度的增加，在一定的范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試塊強(qiáng)度的提高極為有利。

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

3.4 充填配比參數(shù)的確定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，考慮充填料漿的強(qiáng)度、流動(dòng)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?jǐn)?shù)選擇70%?？紤]到對礦房充填后充填體應(yīng)達(dá)到一定的強(qiáng)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?jǐn)?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(qiáng)度大于添加水泥少的，在一定條件下，添加水泥比例相同時(shí)，提高質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于充填體強(qiáng)度的提高。若需得到相同的充填體強(qiáng)度，可以通過減少水泥用量、提高料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方式來實(shí)現(xiàn)，既可以達(dá)到充填強(qiáng)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?jǐn)?shù)較高的水泥-尾砂充填料漿，其固結(jié)沉縮較質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)考慮料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填效果的影響，所選料漿應(yīng)具有良好的流動(dòng)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)為70%。