礦用充填膠凝材料與尾砂適應性試驗研究

楊 超，郭利杰，彭 威，侯國權

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．安徽金日盛礦業有限責任公司，安徽 霍邱237400）

南方某大型鐵礦山，設計采選能力450萬t／a，礦體厚大，礦石價值較高。礦山主要采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法。其中回采方式分為兩步驟進行，在一步驟回采完成后進行膠結充填，待兩邊充填體完成養護達到回采強度要求后，再進行二步驟回采工作。因此，充填體強度及其質量是影響礦山正常生產的一項重要因素。

通過礦山生產實踐發現，采用當地生產的水泥作為膠凝材料，其充填體強度普遍偏低，水泥單耗較高，導致充填成本偏高。為了改善充填效果，提高充填質量，降低水泥單耗，實現節約充填成本。逐礦山針對全尾砂特點開發了與之相適應的礦用充填膠凝材料。

本文分別從膠凝材料基本性能、充填體強度及影響因素、充填料漿流動性等方面對其進行了相應的試驗研究，從而為礦用充填膠凝材料性能評價以及工業應用提供基礎的數據支撐。

1 尾砂基本物化特性

1．1 尾砂化學成分

尾砂化學成分測試結果見表1。

表1 尾砂化學元素及其氧化物分析結果

從表1中可以看出，尾砂中金屬元素及其氧化物Fe、Al2O3、CaO、MgO含量較高，分別為7．85%、5．95%、3．78%、4．08%，同時，尾砂中SiO2含量達到65．96%，這些均有利于充填體強度增加。尾砂中非金屬元素及其氧化物主要有S、P，含量分別為0．11%、0．07%，尾砂中硫及硫化物和磷及磷化物含量較低，對充填體影響較小。因此，總體來看其尾砂可作為井下充填材料。

1．2 尾砂物理參數

按照土工試驗規程進行了尾砂比重、容重、孔隙率的測定，其結果見表2。

表2 尾砂基礎物理參數表

1．3 尾砂粒度分析

尾砂的粒級組成，見表3，圖1為粒級組成曲線。

表3 全尾砂粒徑分布含量表

圖1 全尾砂粒度分布曲線

從表3及圖1中可看出，礦山全尾砂d10為16．02μm，d60為164．80μm，d90為456．73μm。尾砂粒級組成不均勻系數為10．287。通常尾砂顆粒組成不均勻系數應介于4至6之間時認為尾砂級配比較合理，有利于充填體的強度增長。由尾砂粒度組成，結合粒徑分布曲線可認為礦山所用充填尾砂顆粒級配不均，尾砂自然級配相對不連續級配。

2 膠凝材料基本性質檢測

對礦山不同時期生產的膠凝材料進行取樣檢測，共取試樣兩批。采用GB175－2007水泥檢測標準，對礦用膠凝材料進行基本性質檢測，其檢測結果見表4。

表4 礦用充填膠凝材料測試結果

從表4可以看出兩批次的膠凝材料初凝及終凝時間都在32．5水泥標準允許范圍內，28天抗折強度及28天抗壓強度均高于32．5水泥標準。此外，水泥的初凝和終凝時間分別為235min和310min，時間均較為理想，因此，可以預見該材料應用到礦山膠結充填后，其凝結硬化時間較短，強度形成的時間早，在一定程度上有利于提高充填開采效率。

3 尾砂膠結充填體強度特性

3．1 充填體強度影響因素分析

1）灰砂比。

灰砂比對充填體強度的影響，主要是隨著膠凝材料加入量的增加，其水化反應速率快、水化反應程度及產物增加，同時，最主要是改善了充填體內部結構的致密性，從而在宏觀上表現為強度增加［1］。通過對不同灰砂比充填硬化體采用掃描電鏡（SEM）對其微觀結構分析，從圖2可以明顯的反應這一現象。

2）濃度。

充填料漿濃度對充填體強度的影響主要體現在隨著充填料漿濃度的增加，其單位體積內的膠凝材料單耗增加，同時，參加反應的水量減少［2］。從而使其水化反應速率及水化反應程度增加，進而表現為充填體內膠凝物質數量增加，同時內部結構更加致密從而在宏觀上表現為強度增加。通過對不同濃度充填硬化體采用掃描電鏡（SEM）對其微觀結構分析，從圖3可以明顯的反應這一現象。

圖2 不同灰砂比充填體內部結構

圖3 不同濃度充填體內部結構

3）養護齡期。

充填體養護齡期對充填體強度的影響主要體現在隨著養護齡期的增加其膠凝材料水化程度及水化產物不斷增加，并且內部結構不斷致密。從而表現在充填體強度不斷增加，一般充填體養護齡期在28d時，其強度能夠達到充填體最終強度的80%左右，60d能夠到達最終強度的90%以上。

4）養護方式。

充填體養護方式是模擬不同的環境條件下對充填體強度的影響。其主要有水體養護、密封養護、混凝土標準養護以及空氣裸露養護等［3］。其中礦用充填膠凝材料易于在空氣中發生碳化現象，從而導致后期強度降低，影響充填體穩定性。

3．2 膠凝材料對比試驗

礦用充填膠凝材料按照水泥標準檢測達到了32．5級普通硅酸鹽水泥標準，其各項指標均優于前期礦山所用的水泥，但與礦山全尾砂制備的充填體能否也具有其相應的強度優勢還需進行相應的試驗測定。為此，對兩種膠凝材料進行了對比試驗，其標準養護齡期28天的試驗結果見表5。圖4為不同膠凝材料充填體強度對比圖。

表5 不同膠凝材料充填體強度試驗結果／MPa

圖4 不同膠凝材料強度對比圖

根據不同膠凝材料充填體強度對比試驗結果（圖4）來看，礦用充填膠凝劑尾砂充填體，在灰砂比1∶10至1∶4，濃度在68%至72%時，其充填體強度在0．62MPa～4．16MPa之間，其測試結果較為理想；同時，在相同濃度，相同灰砂比的條件下，其強度均高于水泥尾砂充填體強度。結合礦用充填膠凝材料基本檢測結果來看，其與礦山尾砂的匹配性都要優于水泥。

3．3 碳化對充填體強度的影響

礦用膠凝材料主要成分包含石膏、高爐水淬渣、粉煤灰等工業廢棄物，這種膠凝材料是由早期的高水速凝材料發展而來，其具有早強、速凝以及固水性能高的優點，但其最大的缺點在于容易在空氣中發生碳化現象，從而引起充填體強度下降，更甚著發生充填體粉化［4］。為了考察此膠凝材料與礦山尾砂是否存在碳化現象，逐開展了不同養護方式對充填體強度的影響試驗。分別進行兩組對照試驗，其中一組在充填體試塊制作完成后，在養護室里養護時在上面鋪設一層覆蓋層使其與空氣相隔；另一組直接將充填體裸露在養護室中進行養護。其中表6為試驗數據，圖5和圖6為不同養護方式條件下充填體強度變化情況。

表6 不同養護方式下充填體強度數據表／MPa

圖5 覆蓋養護條件下強度變化圖

圖6 裸露養護條件下強度變化圖

從實驗結果來看，兩種養護條件下，在養護齡期28d時，整個充填體強度幾乎達到其最大強度；而在覆蓋養護條件下，60d充填體強度還有小幅度的增長，圖5直觀的反應了此現象，這也符合此類膠凝材料早強的特點；而在裸露養護的條件下其強度不但沒有增長而且出現小幅度下降的現象，如圖6，其原因在于充填體中的主要膠凝成分鈣礬石（AFt）碳化所引起的強度降低。

3．4 充填體強度增長及碳化機理

礦用充填膠凝材料與水泥相比較具有速凝、早強、高固水的優點；但最大缺陷在于易在空氣中發生碳化現象，從而導致后期強度降低。此類充填體強度增長及碳化機理為：早期充填料漿中含有大量的水分，其中1個鈣礬石（AFt）分子能夠結合32個水分子，因此，鈣礬石（AFt）水化反應速度要比C－S－H凝膠快，從而使膠凝材料能夠進行充足的水化反應［5］。并且開始階段主要是依靠水化反應生成大量的鈣礬石（AFt），支撐整個充填體早期強度，這也是此類材料具有早強、速凝和高固水的原因。但隨著鈣礬石（AFt）水化反應的結束，大量C－S－H凝膠的生成，逐漸成為支撐充填體強度的主要膠凝物質，此時隨著充填體中的水分逐漸減少，暴露在空氣中的充填體表層開始發生炭化，即鈣礬石（AFt）開始失去其32個結晶水，這時充填體表面會粉化，并且由表至里發展，最后直到深部，這是導致強度降低的主要原因。因此，在充填體強度增長階段能夠將其表層適當的與空氣隔離便能獲得較為理想的充填體強度。

4 充填料漿流動性

充填料漿流動性是判定其是否能夠實現自流輸送以及最大輸送濃度的一個綜合性指標。對于礦用充填膠凝材料與尾砂的適應性也體現在是否具有較好的流動性，從而確定能夠滿足自流輸送要求下的輸送濃度。本文采用擴散度綜合評價其料漿流動性。圖7為不同濃度料漿試驗照片，表7為最終測試的試驗結果。

圖7 不同濃度料漿擴散度測試

表7 料漿擴散度試驗數據表／cm

通過擴散度性試驗結果來看，在充填料漿灰砂比一定的條件下，充填料漿擴散度隨著濃度的增加而減小，如圖8，即隨著充填料漿濃度的增加，其流動性越差。通過試驗結果來看，充填料漿濃度在70%以下時流動性較好，72%時自流輸送困難。

同時，在充填料漿濃度一定的條件下，充填料漿擴散度灰砂比對擴散度影響不大，如圖9中灰砂比與擴散度幾乎呈直線關系。因此，從實驗結果來看，濃度是影響充填料漿流動性的最重要因素。

圖8 料漿濃度與擴散度關系圖

圖9 料漿灰砂比與擴散度關系圖

5 結論

本文通過對礦用充填膠凝材料與尾砂的適應性進行相應的實驗研究，得出以下結論。

1）通過對礦用膠凝材料進行基本性質檢測，其各項指標均達到32．5級水泥標準，且凝結硬化時間較短，強度形成時間早，利于充填體早期強度增長。

2）影響充填體強度的主要因素為料漿濃度、灰砂比、養護條件及養護齡期等，利用掃描電鏡（SEM）對充填體微觀結構觀察發現，其充填體中的膠凝物質數量及內部致密性是影響充填體強度的最重要因。

3）通過對礦用充填膠凝材料尾砂充填體與水泥尾砂充填體強度對比試驗發現：礦用充填膠凝材料尾砂充填體強度較為理想；同時，在相同濃度，相同灰砂比的條件下，其強度均高于水泥尾砂充填體強度，結合礦用充填膠凝材料基本檢測結果來看，其與礦山尾砂的匹配性都要優于水泥。

4）充填體不同養護方式對比試驗結果表明：在養護齡期28d時，整個充填體強度幾乎達到其最大強度；而在覆蓋養護條件下，60d充填體強度小幅度增長；而在裸露養護的條件下其強度不但沒有增長而且出現小幅度下降；其原因在于充填體中的主要膠凝成分鈣礬石（AFt）碳化所引起的強度降低。

5）擴散度性試驗結果表明，在充填料漿灰砂比一定的條件下，充填料漿擴散度隨著濃度的增加而減小；在濃度一定條件下，灰砂比對流動性影響不大；綜合分析充填料漿濃度在70%以下時流動性較好，72%時自流輸送困難。

［1］ 王新民．深井礦山充填理論與技術［M］．長沙：中南大學出版社，2005：57－63．

［2］ 劉同有．充填采礦技術與應用［M］．北京：冶金工業出版社．2003：17－19．

［3］ 周明凱，張文生，李北星．高水速凝固結材料性能和硬化機理研究［J］．武漢工業大學學報，1998：20（4）18－21．

［4］ 馮光明，丁玉，朱紅菊，等．礦用超高水充填材料及其結構的實驗研［J］．中國礦業大學學報，2010：39（6）813－817．

［5］ 馬衛東，古德生，王劼．用于充填采礦的高性能水淬渣膠凝材料［J］．有色金屬，2006：58（1）：86－88．