不同骨料固結粉膠結充填體強度試驗與對比分析

楊 志 強，　高 　 謙，　王 永 前，　馬 　 龍，　王 永 定

( 1.北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京　100083；2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室， 甘肅 金昌　737100 )

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不同骨料固結粉膠結充填體強度試驗與對比分析

楊 志 強1,2，高 謙*1，王 永 前2，馬 龍1,2，王 永 定2

( 1.北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京100083；2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室， 甘肅 金昌737100 )

為了將固結粉新型膠凝材料在金川礦山推廣應用，針對目前礦山采用的4種充填骨料，開展固結粉膠結充填體強度試驗研究．首先，針對龍首礦充填系統以及工業技術參數，進行4種充填骨料、3種膠凝材料和5種充填料漿濃度的試驗方案設計．然后，針對4種充填骨料開展不同料漿濃度的充填體強度試驗，獲得了不同配比條件下膠結充填體強度．最后，針對固結粉膠凝材料進行4種骨料膠結充填體強度分析和對比研究．結果顯示，除了戈壁粗砂骨料的膠結充填體3 d和28 d強度低于礦山設計強度外，其他3種骨料膠結充填體強度均滿足金川礦山充填體設計強度．由此可見，固結粉新型膠凝材料可以替代水泥在金川礦山推廣應用．

金川礦山；固結粉膠凝材料；廢棄物；綜合利用；試驗研究

0　引　言

金川硫化銅鎳礦床以埋藏深、地應力高、礦體厚大和圍巖破碎等不利采礦技術條件著稱于國內外．研究人員通過大量采礦技術研究與工程實踐，探索出了下向分層進路式充填采礦法．以水泥為膠凝材料和棒磨砂為充填骨料進行高濃度和高強度膠結充填法采礦，其充填材料成本高達165元/m3，成本之高在國內外不多見．近年來金屬鎳國際市場持續低迷，給金川公司帶來巨大的經濟壓力．同時，金川公司采、選、冶工程每年排放的大量廢石、廢渣、粉煤灰、脫硫灰渣、電石渣等工業廢棄物[1]，在地表堆放不僅占用土地，而且污染人類生存環境，給礦山帶來嚴重的環保問題．工業廢棄物在金川礦山充填采礦中的資源化利用，不僅能夠降低充填采礦成本和實現清潔生產，而且還是企業可持續發展的必由之路[2-3]．為了降低充填采礦成本和提高采礦經濟效益，金川礦山建成我國第一座膏體泵送充填系統，實施了全尾砂與棒磨砂混合集料膏體充填采礦技術，為全尾砂廢棄物資源化應用探索出一條途徑[4-5]．2006年以來，金川礦山相繼開展的粉煤灰、廢石等廢棄物的資源化利用研究取得了成效，廢石與棒磨砂混合粗骨料的工業試驗也取得了初步成果[6-9]．鑒于充填膠凝材料是充填采礦成本最重要的組成部分，近年來替代水泥的低成本新型膠凝材料技術攻關研究逐步展開．倪文、楊志強等以國家科技部技術支撐項目作為依托，利用金川銅鎳水淬渣開展了新型膠凝材料研究．研究結果表明，利用低活性的二次銅鎳礦渣，通過提高渣粉細度和復合激發技術，能夠充分激發二次銅鎳渣的潛在活性，但膠凝材料的早期強度較低，難以滿足金川礦山下向分層充填法采礦對充填體早期強度的要求[10-12]．楊志強等利用礦區及其周圍可以利用的廢棄物，開展了新型膠凝材料開發研究[13]．采用酒鋼礦渣作為主要材料，并利用電廠脫硫石膏、水泥熟料作為激發劑，以阿右旗工業芒硝作為早強劑，已經開發出滿足金川礦山膠凝材料要求的固結粉新型膠凝材料[14-18]，并實現工業化生產[19]．為了將固結粉新型膠凝材料在金川礦山推廣應用，針對金川礦山目前廣泛應用的廢石、棒磨砂、戈壁粗砂骨料以及混合的粗骨料，開展不同充填骨料的固結粉膠結充填體強度試驗，由此揭示充填骨料固結粉膠結充填體強度變化規律與影響因素，為固結粉替代水泥在金川礦山中的工業化應用奠定基礎．

1　不同骨料膠結充填體強度試驗設計

根據固結粉新型膠凝材料的最優配方，金昌熙金節能建材有限公司在球磨機礦渣微粉生產線的基礎上，進行技術改造以進行固結粉膠凝材料生產．采用工業固結粉膠凝材料和龍首礦工業充填工藝，開展了4種充填骨料、3種膠凝材料和5種料漿質量分數的膠結充填體強度試驗，進行60組180個試塊的抗壓強度測試，獲得了不同充填骨料及3 d、7 d和28 d 3種齡期的膠結充填體強度測試結果．具體試驗方案如下：

(1)4種充填骨料．①粒徑小于5 mm棒磨砂；②粒徑小于20 mm戈壁粗砂；③粒徑小于12 mm廢石與粒徑小于5 mm棒磨砂質量比4∶6混合料；④粒徑小于12 mm廢石、粒徑小于5 mm棒磨砂、粒徑小于20 mm戈壁粗砂和粒徑小于5 mm河砂4種混合骨料．

(2)3種膠凝材料．① 工業固結粉和礦用水泥質量比7∶3混合膠凝材料；② 工業固結粉；③ 礦用水泥．

(3)5種料漿質量分數．金川礦山工業充填生產技術參數為對于棒磨砂骨料，采用的膠砂比為1∶4、料漿的質量分數為78%．對于戈壁粗砂以及廢石混合粗骨料，采用的膠砂比為1∶5，充填料漿的質量分數為81%．考慮工業充填過程中料漿質量分數的波動，針對棒磨砂骨料分別進行77%、78%、79%、80%、81%，戈壁粗砂和廢石混合粗骨料分別進行79%、80%、81%、82%、83%共5種料漿質量分數膠結充填體強度試驗．試驗采用10 cm×10 cm×10 cm三聯模具，人工攪拌和制模，一次性倒模，24 h拆模制作3 d、7 d、28 d共3種齡期試塊．根據充填采場的養護環境，在室內自然條件下養護，采用壓力機進行充填體試塊強度測試．

2　棒磨砂和廢石-棒磨砂混合骨料試驗

2.1棒磨砂骨料

圖1給出了棒磨砂骨料3種膠凝材料的膠結充填體強度試驗結果，分別顯示膠結充填體3 d、7 d 和28 d強度與料漿質量分數之間的關系曲線．圖2給出棒磨砂骨料5種質量分數條件下的充填體強度平均值與養護齡期之間的關系曲線，由此得到以下幾點結論：

(1)3種膠凝材料的膠結充填體強度，均隨著棒磨砂充填料漿質量分數的提高而增加．

(2)對于78%料漿，3種膠凝材料膠結充填體3 d、7 d、28 d強度分別大于1.5 MPa、2.5 MPa、5.0 MPa，均滿足金川礦山充填法采礦對膠結充填體的強度要求．

(3)比較3種膠凝材料膠結充填體3 d強度可見，礦用水泥膠凝材料最高，工業固結粉膠凝材料次之，工業固結粉與礦用水泥混合膠凝材料最低．工業固結粉膠凝材料膠結充填體的3 d強度略低于礦用水泥的3 d強度，但隨料漿質量分數的提高，工業固結粉膠凝材料膠結充填體強度逐漸接近礦用水泥的強度，即77%時的工業固結粉膠凝材料膠結充填體強度比礦用水泥的強度低0.61 MPa，但當料漿質量分數提高到81%時減小到0.25 MPa．由此可見，提高工業固結粉棒磨砂骨料充填料漿濃度，可以縮小工業固結粉與礦用水泥膠結充填體3 d強度之差．

　　 (a) 3 d

(b) 7 d

(c) 28 d

圖1棒磨砂骨料膠結充填體強度與料漿質量分數之間關系曲線

Fig.1Relationcurvebetweenstrengthofcementingfillingbodyandmassfractionofslurryforrodmillsandaggregate

圖2棒磨砂骨料膠結充填體平均強度與齡期之間關系曲線

Fig.2Relationcurvebetweenaveragestrengthofcementingfillingbodyandageforrodmillsandaggregate

(4)當料漿質量分數小于78%時，工業固結粉與礦用水泥兩種膠凝材料的7 d強度基本相同．但當料漿質量分數高于78%，工業固結粉膠凝材料膠結充填體7 d強度大于礦用水泥的7 d強度．

(5)當料漿質量分數小于78%時，工業固結粉和礦用水泥膠結充填體28 d強度大致相當．但當料漿質量分數大于78%時，工業固結粉膠結充填體28 d強度略小于礦用水泥的．

(6)m(工業固結粉)∶m(礦用水泥)=7∶3混合膠凝材料的膠結充填體3 d、7 d和28 d強度均低于工業固結粉和礦用水泥的．由此可見，工業固結粉膠凝材料不宜與礦用水泥膠凝材料進行混合應用．

(7)料漿質量分數在77%～81%波動，工業固結粉膠結充填體3 d、7 d和28 d平均強度分別達到2.53 MPa、5.04 MPa和8.04 MPa，大于金川礦山設計強度．與礦用水泥相比，3 d和28 d強度略低，7 d強度相當．

2.2廢石-棒磨砂混合骨料試驗

圖3給出了廢石-棒磨砂混合骨料3種膠凝材料的膠結充填體強度試驗結果，分別顯示了膠結充填體3 d、7 d和28 d強度與料漿質量分數之間的關系曲線．圖4給出了膠結充填體平均強度與養護齡期之間的關系曲線．綜合試驗結果，得到以下結論：

　　 (a) 3 d

(b) 7 d

(c) 28 d

圖3廢石-棒磨砂混合骨料膠結充填體強度與料漿質量分數之間關系曲線

Fig.3Relationcurvebetweencementingfillingbodystrengthandmassfractionofslurryformixedaggregatesofwastestoneandrodmillsand

圖4廢石-棒磨砂混合骨料膠結充填體平均強度與齡期之間關系曲線

Fig.4Relationcurvebetweenaveragestrengthofcementingfillingbodyandageformixedaggregatesofwastestoneandrodmillsand

(1)3種膠凝材料膠結充填體3 d、7 d和28 d強度均分別大于1.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa．

(2)礦用水泥膠結充填體的3 d強度高于工業固結粉和工業固結粉與礦用水泥混合膠凝材料的膠結充填體強度．

(3)當料漿質量分數小于80.5%，工業固結粉膠結充填體的7 d強度小于礦用水泥的；但當料漿質量分數大于80.5%，工業固結粉膠結充填體的7 d強度大于礦用水泥的．

(4)工業固結粉膠結充填體的28 d強度略小于礦用水泥的，但兩種膠凝材料的膠結充填體強度之差，隨充填料漿質量分數的增大而減小．

(5)對比3種膠凝材料，工業固結粉與礦用水泥混合膠凝材料膠結充填體的3 d、7 d和28 d強度最低．

(6)料漿質量分數在79%～83%波動，工業固結粉膠結充填體3 d、7 d和28 d強度的平均值分別達到了1.77 MPa、5.13 MPa和7.28 MPa，均滿足金川礦山對膠結充填體強度要求．相比較，工業固結粉膠結充填體3 d和28 d強度的平均值略低于礦用水泥的，而7 d強度略高于礦用水泥的．

3　戈壁粗砂骨料和4種混合骨料試驗

3.1戈壁粗砂骨料試驗

圖5給出了金川地區戈壁粗砂骨料的3種膠凝材料膠結充填體強度的試驗結果，分別顯示了戈壁粗砂膠結充填體3 d、7 d和28 d強度與料漿質量分數的關系曲線．圖6給出戈壁粗砂骨料的膠結充填體強度的平均值與養護齡期之間的關系曲線．由此得到以下幾點結論：

(1)戈壁粗砂的3種膠凝材料的膠結充填體3 d、7 d和28 d強度隨料漿質量分數的提高而增加．相比較，工業固結粉膠結充填體強度增長速率大于礦用水泥膠結充填體強度的增長速率．

(2)戈壁粗砂料漿質量分數為81%和1∶5的膠砂比，3種膠凝材料的膠結充填體3 d強度均小于1.5 MPa．但工業固結粉和礦用水泥兩種膠凝材料的膠結充填體7 d和28 d強度均分別大于2.5 MPa和5.0 MPa．

(3)當料漿質量分數小于81%時，工業固結粉膠結充填體的7 d和28 d強度略小于礦用水泥膠結充填體強度；當料漿質量分數大于81%時，工業固結粉膠結充填體強度大于礦用水泥膠結充填體強度．

　　 (a) 3 d

(b) 7 d

(c) 28 d

圖5戈壁粗砂骨料膠結充填體強度與料漿質量分數之間關系曲線

Fig.5RelationcurvebetweencementingfillingbodystrengthandmassfractionofslurryforGobicoarsesandaggregate

圖6戈壁粗砂骨料膠結充填體平均強度與齡期之間關系曲線

Fig.6RelationcurvebetweenaveragestrengthofcementingfillingbodyandageforGobicoarsesandaggregate

(4)充填料漿質量分數在79%～83%波動，工業固結粉膠結充填體的3 d、7 d和28 d強度的平均值分別達到了1.14 MPa、2.65 MPa和4.81 MPa．由此可見，工業固結粉膠結充填體的3 d和28 d強度的平均值低于金川礦山膠結充填體強度要求，但7 d強度滿足設計強度．

3.2棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂混合骨料試驗

圖7給出棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂混合骨料的3種膠凝材料膠結充填體強度的試驗結果，分別顯示了混合骨料的膠結充填體3 d、7 d和28 d強度與料漿質量分數之間的關系曲線．圖8給出了混合骨料充填體強度平均值與養護齡期之間的關系．由此得出以下幾點結論：

(1)質量分數為81%時，3種膠凝材料的膠結充填體3 d、7 d和28 d強度均大于金川礦山膠結充填體的設計強度．

　　 (a) 3 d

(b) 7 d

(c) 28 d

圖7棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂混合骨料膠結充填體強度與料漿質量分數之間關系曲線

Fig.7Relationcurvebetweencementingfillingbodystrengthandmassfractionofslurryformixedaggregatesofrodmillsand-Gobicoarsesand-wastestone-riversand

圖8棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂混合骨料膠結充填體平均強度與齡期的關系曲線

Fig.8Relationcurvebetweentheaveragestrengthofcementingfillingbodyandageformixedaggregatesofrodmillsand-Gobicoarsesand-wastestone-riversand

(2)礦用水泥的膠結充填體3 d強度大于工業固結粉的膠結充填體強度．

(3)礦用水泥和工業固結粉兩種膠凝材料的膠結充填體的7 d強度基本相當．

(4)質量分數小于81.5%時，工業固結粉膠結充填體28 d強度與礦用水泥相當；但質量分數大于81.5%時，工業固結粉膠結充填體的28 d強度大于礦用水泥的，并隨著料漿質量分數的提高而增大．

(5)料漿質量分數在79%～83%波動，工業固結粉膠結充填體3 d、7 d和28 d強度的平均值分別達到2.26 MPa、4.76 MPa和7.31 MPa，大于金川礦山膠結充填體設計強度．相比較，工業固結粉膠結充填體3 d強度的平均值略低于礦用水泥的，但7 d和28 d強度的平均值與礦用水泥的大致相當．

4　4種骨料固結粉膠結充填體強度綜合分析

總結4種骨料和5種料漿質量分數的固結粉膠結充填體強度試驗結果，獲得在料漿質量分數波動范圍內的固結粉膠結充填體的平均強度見表1．圖9和10分別給出4種充填骨料固結粉膠結充填體平均強度的柱狀圖和平均強度與礦山設計強度之比對比柱狀圖，由此得到以下結論：

(1)對于金川礦山充填生產用的棒磨砂、廢石-棒磨砂混合料和棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂混合料3種充填骨料，充填料漿質量分數分別在77%～81%和79%～83%波動，固結粉膠結充填體3 d、7 d 和28 d平均強度均大于礦山充填體設計強度，完全滿足金川礦山對安全充填采礦的強度要求．

表1　料漿質量分數波動范圍內固結粉膠結充填體平均強度

圖9　固結粉膠結充填體平均強度柱狀圖

Fig.9Barchartsoftheaveragestrengthofcementingfillingbodyforconsolidationpowder

圖10固結粉膠結充填體平均強度與設計強度之比對比柱狀圖

Fig.10Barchartscomparisonbetweentheaveragestrengthanddesignstrengthratiosforconsolidationpowdercementingfillingbody

(2)對于戈壁粗砂充填骨料，充填料漿質量分數在79%～83%波動，固結粉膠結充填體3 d、7 d和28 d平均強度分別達到1.14 MPa、2.65 MPa和4.81 MPa．由此可見，固結粉膠結充填體3 d和28 d的平均強度小于金川礦山設計強度，但7 d強度大于礦山設計強度．

(3)在相同配比的條件下，棒磨砂-戈壁粗砂-廢石-河砂4種混合骨料的固結粉膠結充填體強度最高，廢石-棒磨砂混合骨料次之，戈壁粗砂充填骨料的膠結充填體強度最低．其原因是多種集料混合骨料的粒徑級配良好，充填骨料的堆積密實度達到最大，從而有利于提高膠結充填體強度．

5　結　論

(1)廢石以及與棒磨砂、戈壁粗砂、河砂等混合骨料的固結粉膠結充填體強度，大于金川礦山充填體設計強度，滿足金川礦山安全充填法采礦要求，可以替代水泥用于礦山采礦．

(2)棒磨砂與廢石或戈壁粗砂等骨料混合作為充填骨料，能夠優化充填骨料的粒徑級配，從而提高固結粉膠結充填體強度．根據本次的試驗研究結果，建議在金川礦山推廣應用廢石和棒磨砂以及廢石與戈壁粗砂混合料的固結粉膠結充填采礦技術．

(3)固結粉與水泥的水化反應存在相互制約作用，導致兩種材料混合的膠凝材料膠結充填體強度降低，不能滿足金川礦山充填采礦要求，因此水泥和固結粉膠凝材料需要單獨充填，不宜混合使用．

(4)與水泥膠凝材料相比，固結粉是利用酒鋼礦渣和脫硫石膏等廢棄物開發的膠凝材料，因此成本比水泥降低15%以上．利用固結粉膠凝材料，在金川礦山推廣廢石混合粗骨料的膠結充填法采礦，能夠進一步降低金川礦山的充填采礦成本，提高采礦經濟效益；同時，還能夠充分實現金川礦山廢棄物的資源化利用，從而保護礦山環境，實現金川礦山資源開發利用的可持續發展．

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Strength test on consolidation powder cementing filling body and comparison analysis for different aggregates

YANGZhi-qiang1,2,GAOQian*1,WANGYong-qian2,MALong1,2,WANGYong-ding2

( 1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuan Group Co. Ltd.,Jinchang 737100, China )

In order to generalize a new consolidation powder (CP) cementing material in Jinchuan mine, aiming at four kinds of filling aggregates, the strength tests of cementing filling body for consolidation powder are carried out. Firstly, considering the filling system and industrial technical parameters in Longshou mine, the test schemes including four kinds of filling aggregates, three kinds of cementing materials and five kinds of filling slurry concentrations are designed. Then, the strength tests of filling body including four kinds of aggregates under different slurry concentrations are carried out and the cementing filling body strengths under different ratios are obtained. Finally, the comparative research on the strength of filling body for the consolidation powder cementing material of four kinds of filling aggregates is given. Experimental results show that the strength of filling body of consolidation powder for the other three kinds of filling aggregates meets the the needs of design strength in Jinchuan mine, except the 3 d and 28 d strength of Gobi coarse sand aggregate. Thus, the new consolidation powder cementing material can be used into mining by replacing cement in Jinchuan mine.

Jinchuan mine; consolidation powder cementing material; waste; comprehensive utilization; test research

1000-8608(2016)05-0466-08

2015-12-11；

2016-05-10．

“八六三”國家高技術研究發展計劃資助項目(SS2012AA062405)；鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目(金科礦2015-01).

楊志強(1957-)，男，教授級高工，博士生導師，E-mail:YangZQ@jnmc.com；高 謙*(1956-)，男，教授，博士生導師，E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn.

TD863

A

10.7511/dllgxb201605005