不同灰砂比和料漿濃度下充填體強度特性研究

聶亞林，陳智宏，王曉軍，黃惟盛

（1.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000；3.江西銅業集團公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

充填采礦技術可以有效控制采場地壓、防止地表沉降、預防深井巖爆、提高礦石回收率和促進礦山綠色化，加之國家對礦山企業安全、環保方面的要求，充填采礦法將成為以后礦山開采方法的新常態。

近年來，國內外學者在充填體穩定性和強度方面進行了大量研究，其中，Kesimal A［1］研究了脫泥銅鉛鋅尾砂與膏體強度的關系，發現尾砂顆粒大小分布對膠結充填體強度有較大的影響；Fall［2］等人研究了養護溫度對尾砂膠結充填體的強度的影響；Wolfgang-Helm［3］研究了水泥種類和摻量、骨料的成分和級配、拌合用水的水質和用水量、添加劑、攪拌時間、養護齡期、環境溫度等含細骨料的膠結充填體的影響；李興尚［4］等人通過多元回歸分析的研究方法，得出影響膠結充填體強度的主要因素為尾砂的顆粒組成及其粒徑大小等;曹帥［5］等人利用單軸壓縮試驗研究分層尾砂膠結充填體力學特性變化規律及破壞模式，發現強度與相關因素的關系；付建新［6］等人采用單因素五水平設計試驗研究了全尾砂膠結充填體強度與灰砂比、料漿中固相質量分數、齡期之間的關系，并且分析了其敏感性；徐文彬［7］等人通過內部微觀結構演化及其強度模型試驗，研究充填體內部水化反應產物的類型及形態對其強度發展規律的影響。

上述學者在充填體受壓變形破壞過程中的強度方面，取得了不少有益的成果，但不同灰砂比和料漿質量濃度對全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度影響方面的研究涉及較少。筆者進行了全尾砂膠結充填體單軸壓縮試驗研究，綜合分析充填體單軸抗壓強度與灰砂比和料漿質量濃度之間的關系，研究結果對金屬礦山地下開采作業安全具有一定的指導作用。

2 試驗內容

2.1 試樣制備

試驗所用的全尾砂取自武山銅礦選礦廠，將全尾砂放置在陽光充足的環境下晾曬一段時間，待水分完全揮發之后，用作全尾砂膠結充填體的骨料；膠結充填體的膠凝材料選用標號325的水泥。將水泥、全尾砂、水按一定灰砂比和濃度混合并充分攪拌均勻，隨后倒入規格為7.07×7.07×7.07cm3的標準模具內，為了便于脫模，預先在模具內涂抹一層潤滑油，在達到一定時間后進行脫模，脫模后放置在濕度為95%、溫度為（21±1）℃的養護箱中恒溫恒濕養護。

2.2 試驗設備及原理

本試驗采用RMT-150C型液壓伺服控制系統作為加載系統，利用該系統進行單軸壓縮試驗；單軸壓縮試驗加載控制模式為行程控制，且加載速率為0.01mm/s。受壓試樣的抗壓強度采用軸心受壓形式，如圖1所示，利用RMT-150C型液壓伺服控制系統測定其單軸抗壓強度。計算公式為：

式中：P—破壞載荷，N；S—承壓面積，m2。

缺鉬矯正技術：葉面噴施0.01%-0.1%濃度的鉬酸銨或鉬酸鈉溶液，一般在抽梢后的新葉期或幼果期進行噴施為宜。對酸性土壤，增施石灰，調節pH值，保持土壤pH5.5-6.5。

圖1 單軸抗壓強度測試

3 強度特性分析

試驗設計的背景是依托礦山科研項目，根據項目研究內容的需要，選取灰砂比1∶4、1∶6、1∶8和1∶10；料漿質量濃度70%、72%、74%和76%，一共16組48個試樣進行單軸壓縮試驗，選取充填體試樣的養護齡期均為28d（根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2002，養護齡期28d已達到混凝土強度的95%，之后隨著齡期的增加，強度增加緩慢；因為充填體類似于混凝土材料可參照選取養護齡期）。測得試驗結果并取其平均值作為每組試樣的單軸抗壓強度。試驗結果如表1所示。

表1 充填體試樣28d單軸抗壓強度

由于此次試驗主要是為了研究不同灰砂比和料漿濃度下充填體強度變化規律，因此每組試驗除了灰砂比和料漿質量濃度不同外，其余條件（尾砂粒度、溫度、養護環境等）均保持一致。試驗結果表明不同的灰砂比或料漿質量濃度對充填體強度具有很大的影響。由表1可得料漿質量濃度與充填體試樣28d單軸抗壓強度之間的關系，如圖2所示，以及灰砂比與充填體試樣28d單軸抗壓強度之間的關系，如圖3所示。灰砂比和料漿質量濃度同時影響充填體的強度，研究單一因素對強度的影響，需保持另一因素不變。

3.1 料漿質量濃度對長期強度的影響

充填體灰砂比一定條件下，充填體的料漿質量濃度是影響充填體強度的關鍵因素。由圖2可以看出，在其它影響因素不變的情況下，隨著料漿質量濃度的增大，充填體的強度逐漸提高，尤其是當濃度大于74%時，充填體的強度顯著提高。當灰砂比為1∶6時，質量濃度為70%的充填體試塊抗壓強度為1.717MPa，質量濃度為76%的充填試塊強度為3.906MPa，充填體試塊強度提高了1.27倍。充填體的強度增加量與質量濃度也有密切的聯系，質量濃度從72%增大到74%時強度的增加量，相比較于質量濃度從70%增大到72%時強度的增加量有所增大，隨著質量濃度的提高，充填體強度增加量也隨之增大。但是當灰砂比為1∶10時，質量濃度從74%增大到76%充填體強度的增加量反而減小，呈現出降低的趨勢，說明灰砂比降低到一定程度之后，料漿質量濃度對充填體強度的影響不顯著，灰砂比對充填體強度的影響比料漿質量濃度對強度的影響大。

圖2 強度及強度增加量與質量濃度的關系

3.2 灰砂比對單軸抗壓強度的影響

料漿質量濃度一定條件下，充填體灰砂比是影響充填體強度的關鍵因素。由圖3可以看出，在其它影響因素不變的情況下，隨著灰砂比的減小，充填體的強度明顯降低，尤其是灰砂比從1∶4減小到1∶6時，相對于其他灰砂比充填體強度大幅降低。料漿濃度為74%時，灰砂比為1∶8的充填體的強度為1.875MPa，同齡期灰砂比為1∶4的充填試塊強度為4.462MPa，充填體強度提高了1.38倍。充填體的強度降低量與灰砂比有密切的聯系，隨著灰砂比的減小，充填體強度降低量也隨之減小。灰砂比小于1∶10之后，充填體的強度很低并且充填體強度的降低量很小，若繼續減小灰砂比，對充填體強度的影響越來越小。

圖3 強度及強度降低量與灰砂比的關系

4 結論

（1）在其余試驗條件相同的前提下，全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度與灰砂比、料漿質量濃度正相關；強度的增量隨著灰砂比、料漿質量濃度的增大增幅也隨之加大；

（2）綜合分析單軸抗壓強度增量與灰砂比、料漿質量濃度關系曲線可知，灰砂比較料漿濃度對全尾砂膠結充填體影響更加顯著。