不同骨料類型對(duì)充填體強(qiáng)度性能的影響及配比優(yōu)化

戚 亮 李 崢 黃彥森

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師工作部,河南 開封 475004;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與交通工程學(xué)院,河南 開封 475004;3.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;4.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025)

充填采礦法安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)顯著,已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)高度關(guān)注,逐漸成為礦山企業(yè)深部礦體回采的首選方法[1-3]。充填采礦的基本思路是將固料、水泥和水制備成具有良好強(qiáng)度和流動(dòng)性能的膠結(jié)體,經(jīng)過管道輸送充填采空區(qū),從而達(dá)到置換礦體的目的[4]。因此,充填體的強(qiáng)度決定著其能否順利置換充填體,而充填體強(qiáng)度受骨料類型、膠結(jié)劑種類和含量等諸多因素的影響,如何有效提高充填體強(qiáng)度,并且降低采礦成本成為業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點(diǎn)[5]。目前,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)充填強(qiáng)度及配比參數(shù)設(shè)計(jì)開展了諸多的研究工作。金愛兵等[6]開展了含復(fù)合相變材料的充填體力學(xué)特性研究,指出復(fù)合相變材料的摻入能夠提高充填體的強(qiáng)度;侯永強(qiáng)等[7]開展了聚丙烯纖維增強(qiáng)尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)及流動(dòng)性能的研究工作,認(rèn)為摻入適量的纖維能夠提高充填體的強(qiáng)度,但會(huì)對(duì)料漿的流動(dòng)性能產(chǎn)生不利的影響;李召峰等[8]開展了不同水飽和度充填體力學(xué)性能及損傷機(jī)制研究,認(rèn)為含水率的增加會(huì)對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響;趙康等[9]進(jìn)行了纖維增強(qiáng)超細(xì)尾砂充填體微觀破壞機(jī)制研究,認(rèn)為摻入適量的纖維能夠改善充填體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而有助于提高充填體的宏觀強(qiáng)度;胡亞飛等[10]開展了基于響應(yīng)面法—滿意度準(zhǔn)則的充填體強(qiáng)度發(fā)展與優(yōu)化分析,指出因素間的交互作用也能夠?qū)Τ涮铙w強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響;吳凡等[11]開展了全尾砂膠凝材料配比正交試驗(yàn)及其充填體強(qiáng)度模型的研究,建立了養(yǎng)護(hù)齡期與其強(qiáng)度的雙曲線函數(shù)關(guān)系,并揭示了隨齡期增長(zhǎng)強(qiáng)度先增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律;侯永強(qiáng)等[12]研究了沖擊荷載作用下全尾砂膠結(jié)充填體的能耗特征與損傷特性,認(rèn)為充填體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、單位體積吸收能和單位質(zhì)量破碎耗能隨著平均應(yīng)變率的增加均呈指數(shù)函數(shù)遞增規(guī)律;王永巖等[13]開展了不同水泥膠結(jié)充填體的壓縮性能試驗(yàn)研究,得出對(duì)膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)樗囝愋停君g期＞灰砂比＞質(zhì)量濃度,以P·O 52.5 水泥作為膠結(jié)劑的充填體其強(qiáng)度最大,以P·S 32.5 水泥為膠結(jié)劑的充填體其強(qiáng)度最小;盧宏建等[14]開展了某金礦全尾砂充填材料影響因素及配比優(yōu)化研究,認(rèn)為尾砂級(jí)配及水泥含量對(duì)充填體強(qiáng)度具有顯著的影響。上述成果分析充填體的強(qiáng)度變化特征及材料的配比參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義,但目前有關(guān)骨料的種類對(duì)充填體強(qiáng)度影響的分析較為薄弱。本研究通過分析不同骨料類型下充填體強(qiáng)度性能,并結(jié)合礦山的強(qiáng)度指標(biāo)要求對(duì)充填體配比參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,為礦山充填材料參數(shù)設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用的材料主要為全尾砂、廢石、河沙及水泥,其中尾砂、廢石及河沙作為充填骨料,水泥作為膠結(jié)材料。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分組成見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test materials %

由表1 可知:骨料間的化學(xué)成分具有一定的差異,但都主要由SiO2組成,不具備活性,能夠作為充填骨料進(jìn)行使用。具體的試驗(yàn)方案為:開展的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)包含濃度、灰砂比、粗骨料含量和養(yǎng)護(hù)齡期4 個(gè)因素。濃度、灰砂比和粗骨料含量根據(jù)礦山最常用的參數(shù)上下浮動(dòng),如目前某礦山充填濃度為76%,則質(zhì)量濃度設(shè)置74%、76%、78%、80%共4 個(gè)水平。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況,灰砂比設(shè)置1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8和1 ∶10 共4 個(gè)水平。粗骨料含量(粗骨料等質(zhì)量取代尾砂量)設(shè)置5%、10%、15%和20%共4 個(gè)水平。每組配比分別進(jìn)行4、7、28 d 強(qiáng)度測(cè)試,每個(gè)齡期測(cè)試3個(gè)試塊。試驗(yàn)共開展全尾砂+水泥膏體、全尾砂+河沙+水泥、全尾砂+廢石+水泥的3 種類型的充填體強(qiáng)度試驗(yàn),均采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化特征

全尾砂+水泥膏體為2 因素4 水平,此時(shí)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)際也是全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。不同料漿濃度下,充填體7、14、28 d 強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系如圖1、圖2所示。不同灰砂比下,充填體7、14、28 d 強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系如圖3、圖4所示。本研究為方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理,將灰砂比取倒數(shù)后變?yōu)樯盎冶取?/p>

圖1 砂灰比為4和6 的充填體強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between backfill strength and slurry concentration with the sand-cement ratio of 4 and 6

圖2 砂灰比為8和10 的充填體強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系Fig.2 Relationship between backfill strength and slurry concentration with the sand-cement ratio of 8 and 10

圖3 濃度為74%和76%的充填體強(qiáng)度與砂灰比的關(guān)系Fig.3 Relationship between strength of filling body with 74% and 76% concentration and sand-cement ratios

圖4 濃度為78%和80%的充填體強(qiáng)度與砂灰比的關(guān)系Fig.4 Relationship between strength of backfill with 78% and 80% concentration and sand-cement ratios

由圖1、圖2 可知:充填體的抗壓強(qiáng)度與料漿濃度大致呈正相關(guān),即濃度越大充填體強(qiáng)度也越大。當(dāng)砂灰比為4 時(shí),隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3、7、28 d 的強(qiáng)度分別提升了163%、161%及127%;當(dāng)砂灰比為6 時(shí),隨著料漿濃度從74%增加至80%,充填體在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3、7、28 d 的強(qiáng)度分別增加了183%、175%及132%;當(dāng)砂灰比為8時(shí),隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3、7、28 d 的強(qiáng)度分別增加了187%、179%及135%;當(dāng)砂灰比為10 時(shí),隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3、7、28 d 的強(qiáng)度分別增加了140%、185%及138%。因此,料漿濃度增大能夠更有利于大幅度提高充填體的早期抗壓強(qiáng)度,并且濃度的增加更有利于改善砂灰比較大的充填體強(qiáng)度。此外,當(dāng)砂灰比不變時(shí)、料漿濃度為74%～76%時(shí),充填體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小,而在濃度超過76%后,充填體強(qiáng)度增幅較大,說明礦山在提高料漿濃度改善充填體強(qiáng)度時(shí),濃度宜超過76%。分析圖3和圖4 可知:充填體的強(qiáng)度與砂灰比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,砂灰比的增大會(huì)促使充填體強(qiáng)度降低,說明砂灰比增大會(huì)對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

2.2 全尾砂—河沙膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化特征

全尾砂—河沙的膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度分布如圖5所示,極差分析結(jié)果見表2。

圖5 全尾砂—河沙的膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of the uniaxial compressive strength of cemented backfill with unclassified tailings and river sand

表2 全尾砂—河沙充填體強(qiáng)度的極差分析結(jié)果Table 2 Range analysis results of strength of backfill body with unclassified tailings and river sand

由圖5 可知:充填體抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增大,充填體強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。通過表2 可知:尾砂河沙膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與砂灰比、料漿濃度及河沙含量具有顯著的聯(lián)系,并且三因素對(duì)充填體強(qiáng)度的極差值也具有顯著的差異。結(jié)合極差值的變化特征可知,三因素對(duì)充填體3 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;三因素對(duì)充填體7 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;三因素對(duì)充填體28 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量。因此,對(duì)于尾砂+河沙充填體抗壓強(qiáng)度而言,砂灰比的影響最大,料漿濃度次之,河沙含量的影響最小。同時(shí),結(jié)合表2 的極差分析,繪制了充填體抗壓強(qiáng)度與因素間的變化特征曲線如圖6所示。由圖6 可知:尾砂河沙膠結(jié)充填體強(qiáng)度均隨著砂灰比的增大而降低,并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大其抗壓強(qiáng)度的降幅也隨之增大,說明砂灰比的增大對(duì)充填體后期強(qiáng)度的不利影響更為嚴(yán)重;料漿濃度的增大能夠顯著提高尾砂+河沙膠結(jié)充填體強(qiáng)度,并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)其強(qiáng)度提升越大;河沙含量的增大也有利于提高充填體的3 d 及7 d 強(qiáng)度,但是在28 d 時(shí),河沙含量超過15%后會(huì)對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖6 全尾砂—河沙的膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與因素間的關(guān)系Fig.6 Relationship between compressive strength and factors of cemented backfill with full tailings and river sand

2.3 全尾砂—廢石膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化特征

全尾砂+廢石的膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度分布如圖7所示,極差分析結(jié)果見表3。

圖7 全尾砂—廢石的膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度分布Fig.7 Distribution of uniaxial compressive strength of cemented backfill with unclassified tailings and waste rock

表3 全尾砂—廢石充填體強(qiáng)度的極差分析Table 3 Range analysis of strength of unclassified tailings-waste rock filling body

由圖7 可知:充填體抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增大,充填體強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。通過表3 可知:尾砂廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與砂灰比、料漿濃度及廢石含量具有顯著的聯(lián)系,并且三因素對(duì)充填體強(qiáng)度的極差值也具有顯著的差異。結(jié)合極差值的變化特征可知,三因素對(duì)充填體3 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;三因素對(duì)充填體7 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;三因素對(duì)充填體28 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量。因此,對(duì)于尾砂廢石充填體抗壓強(qiáng)度而言,砂灰比的影響最大,料漿濃度次之,河沙含量的影響最小。同時(shí),結(jié)合表2 的極差分析,繪制了充填體抗壓強(qiáng)度與因素間的變化特征曲線如圖8所示。由圖8 可知:尾砂廢石膠結(jié)充填體強(qiáng)度均隨著砂灰比的增大而降低,并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大其抗壓強(qiáng)度的降幅也隨之增大,說明砂灰比的增大對(duì)充填體后期強(qiáng)度的不利影響更為嚴(yán)重;料漿濃度的增大能夠顯著提高尾砂河沙膠結(jié)充填體強(qiáng)度,并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)其強(qiáng)度提升得越高;廢石含量的增大也有利于提高充填體的3 d 及7 d 強(qiáng)度,但是在28 d 時(shí),非石含量超過15%后會(huì)對(duì)3 d和7 d 強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖8 全尾砂—廢石的膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與因素間的關(guān)系Fig.8 Relationship between compressive strength and factors of cemented backfill with unclassified tailings and waste rock

2.4 基于坍落度與強(qiáng)度的配比參數(shù)優(yōu)化

某礦山3、7、28d 抗壓強(qiáng)度的技術(shù)要求為3d 強(qiáng)度MPa、7 d 強(qiáng)度 MPa、28 d 強(qiáng)度MPa。采用全尾砂作為骨料進(jìn)行充填時(shí),砂灰比應(yīng)為4 ～6、料漿濃度應(yīng)為74%～78%,該參數(shù)范圍下充填體強(qiáng)度滿足要求;采用全尾砂—河沙作為充填骨料時(shí),砂灰比應(yīng)為4 ～6、料漿濃度為74%～78%及河沙摻量為5%～20%,該參數(shù)范圍下充填體強(qiáng)度均滿足要求;采用全尾砂—廢石作為充填骨料時(shí),在砂灰比4 ～6、料漿濃度78%～80%及廢石含量10%～15%的條件下,充填體強(qiáng)度均滿足要求。然而,礦山進(jìn)行充填體配比參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),不能僅考慮強(qiáng)度而忽視流動(dòng)性能[14],因此本研究進(jìn)一步在充填體強(qiáng)度指標(biāo)選出的因素水平下開展了料漿的流動(dòng)性能測(cè)試,不同影響因素下3 類骨料膠結(jié)充填料漿的坍落度測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同影響因素下3 類骨料膠結(jié)充填料漿的坍落度測(cè)試結(jié)果Fig.9 Slump test results of three types of aggregate cemented filling slurry under different influencing factors

根據(jù)膏體充填的相關(guān)技術(shù)要求,坍落度一般為25～28 cm[15-16],對(duì)全尾砂作為骨料時(shí)的料漿進(jìn)行流動(dòng)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)料漿濃度為78%時(shí),料漿的坍落度為23 cm,低于28 cm,因此采用尾砂作為骨料時(shí),料漿濃度宜低于78%。同理,對(duì)全尾砂—河沙膠結(jié)充填料漿進(jìn)行流動(dòng)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)料漿濃度為78%時(shí),河沙的含量有必要高于10%,否則,料漿的坍落度會(huì)低于25 cm;采用尾砂—廢石作為充填骨料時(shí),料漿濃度高于78%時(shí),料漿的流動(dòng)性能無法達(dá)到膏體充填的技術(shù)要求。綜合上述比較結(jié)果及礦山充填采礦成本,建議采用尾砂—廢石作為充填骨料,相關(guān)參數(shù)為灰砂比1 ∶6,料漿濃度76%,廢石含量10%～15%,該配比參數(shù)下充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求,并且可以有效解決礦山固體廢棄物的堆存問題。

3 結(jié) 論

(1)采用全尾砂作為充填骨料時(shí),砂灰比的增大會(huì)降低充填體強(qiáng)度,而料漿濃度的增大能夠提高充填體的抗壓強(qiáng)度,并且濃度的增加更有利于改善充填體的早期抗壓強(qiáng)度。此外,采用全尾砂—河沙作為充填骨料時(shí),參數(shù)最優(yōu)取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度74%～78%及河沙摻量5%～20%。

(2)采用尾砂—河沙作為充填骨料時(shí),三因素對(duì)充填體3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;砂灰比的增大會(huì)降低充填體尾砂+河沙膠結(jié)充填體強(qiáng)度,濃度的增大有利于提高充填體強(qiáng)度。采用全尾砂—河沙作為充填骨料時(shí),參數(shù)最優(yōu)取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度74%～78%及河沙摻量5%～20%。

(3)采用尾砂—廢石作為充填骨料時(shí),三因素對(duì)充填體3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;砂灰比的增大會(huì)降低尾砂+廢石膠結(jié)充填體強(qiáng)度,而濃度的增大有利于提高充填體強(qiáng)度。采用全尾砂—廢石作為充填骨料時(shí),參數(shù)最優(yōu)取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度78%～80%及廢石含量10%～15%。

(4)綜合充填體強(qiáng)度及坍落度的測(cè)試結(jié)果,建議采用尾砂—廢石作為礦山充填骨料,配比參數(shù)可設(shè)計(jì)為灰砂比1 ∶6、料漿濃度76%、廢石含量10%～15%。該配比參數(shù)下充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能均符合充填開采的相關(guān)技術(shù)要求,并且有助于解決礦山固體廢棄物的堆存問題。