泡沫膨脹充填材料膨脹性能研究

于清軍徐　帥李元輝李坤蒙

（1.東北大學(xué)資源與土木學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110819；3.赤峰山東黃金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰025450）

隨著淺部資源被大量開采，現(xiàn)已日益枯竭，所以世界各國已采用深井開采技術(shù)逐步開發(fā)利用深部礦產(chǎn)資源[1-2]。隨著開采深度的增加，礦山的巖石力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力特征與淺井礦山相比發(fā)生了根本性變化，地壓活動加劇，可能產(chǎn)生巖爆和巖石冒落事故，嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)的安全[3-4]。

充填采礦法可有效地保護(hù)地表、提高礦石的回收率和降低礦石的貧化、提高通風(fēng)效率，降低巖溫、預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，減少地壓活動、預(yù)防和控制巖爆的發(fā)生，提高深井礦山的綜合效益[5-6]。因此充填采礦法成為深部開采的必然選擇。而對于充填采礦法來講，充填新材料的研究是一個(gè)重要的研究方向。

鑒于傳統(tǒng)膠結(jié)充填存在的問題，改進(jìn)惰性充填材料的組成和級配[7-8]，研究和使用充填體添加劑，可以有效地解決傳統(tǒng)膠結(jié)充填所面臨的問題，同時(shí)進(jìn)一步提高料漿濃度。本研究經(jīng)過科學(xué)論證、大膽創(chuàng)新，提出了將發(fā)泡劑添加到充填料漿中的構(gòu)思，利用發(fā)泡劑獨(dú)特的膨脹及充填氣孔，來改善傳統(tǒng)膠結(jié)充填材料性能，從而使得新型充填材料更好地滿足礦山充填的要求。

1　尾砂性質(zhì)及膨脹劑膨脹機(jī)理研究

1.1　尾砂性質(zhì)

試驗(yàn)采用紅透山銅礦全尾砂，針對紅透山銅礦的選礦工藝，在現(xiàn)場進(jìn)行尾砂取樣，將取得的尾砂進(jìn)行離析、沉淀烘干后得到全尾砂。采用Malvera2000型激光粒度測試[9]儀對紅透山全尾砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出d10（樣品的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%時(shí)所對應(yīng)的粒徑）對應(yīng)的粒徑為32.28μm，表明粒徑小于32.28μm的顆粒占10%；中值粒徑d50對應(yīng)的粒徑為147.11μm，表明粒徑小于147.11μm的顆粒占50%；d60對應(yīng)的粒徑為163.98μm，表明粒徑小于163.98μm的顆粒占60%。

礦山水力輸送計(jì)算時(shí)最常使用的是粒狀物料均勻系數(shù)和加權(quán)平均粒徑2個(gè)指標(biāo)。均勻系數(shù)是反映粒狀物料粒級組成均勻程度的指標(biāo)，礦山上通常以d60/d10來表示。當(dāng)d60/d10=4～5時(shí)，表示粒狀物料的密實(shí)性最好，充填材料級配最均勻合理。

加權(quán)平均粒徑：

代入數(shù)據(jù)后得：dcp=186.58μm。

不均勻系數(shù)：

代入數(shù)據(jù)后得：α=5.08.

尾砂粒徑分析表明，紅透山銅礦尾砂密實(shí)性較好，有利于充填體強(qiáng)度的形成。

1.2　發(fā)泡劑膨脹機(jī)理研究

H2O2作為化學(xué)發(fā)泡的氣源具有良好的效果，其反應(yīng)放出氣體的速率與放出氣體的總量在較大范圍內(nèi)可控，同時(shí)H2O2容易在水泥漿體中均勻分散，可以通過溫度、雙氧水的濃度、攪拌速度等來控制H2O2產(chǎn)生氧氣的速度。本次試驗(yàn)選用濃度為27.5%的雙氧水作為發(fā)泡劑。試驗(yàn)采用化學(xué)發(fā)泡技術(shù)，H2O2在充填漿體中發(fā)泡的機(jī)理如式2所示：

在正常情況下，H2O2極難發(fā)生自身氧化還原分解反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，只會產(chǎn)生極微小氣體，不會產(chǎn)生大量氣體。但將其添加到充填料漿中，料漿中的礦渣硅酸鹽水泥作為高效催化劑能極大提高雙氧水的化學(xué)反應(yīng)速率，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，均勻分布于充填料漿中，當(dāng)充填料漿硬化固結(jié)形成充填體的過程中，同時(shí)形成了大量氣孔，而礦渣硅酸鹽水泥本身的質(zhì)量和物理化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變。發(fā)泡劑發(fā)泡膨脹效果如圖1所示。

化學(xué)發(fā)泡泡沫通過化學(xué)反應(yīng)在新拌充填料漿中產(chǎn)生氣體，這與物理機(jī)械加氣發(fā)泡產(chǎn)生泡沫非常類似，但化學(xué)發(fā)泡充填體中的氣孔獨(dú)立封閉存在，與物理加氣發(fā)泡顯著不同[10-11]。化學(xué)發(fā)泡充填試樣可以成型且具有良好的強(qiáng)度關(guān)鍵在于使發(fā)泡劑發(fā)泡的速率與料漿凝結(jié)硬化速率相一致，達(dá)到一種動態(tài)的平衡。首先，發(fā)泡劑均勻分散在充填料漿中，在料漿中催化劑的作用下不斷產(chǎn)生氣體，形成無數(shù)獨(dú)立的氣源；隨后，當(dāng)氣源處氣體壓力大于料漿的極限剪切應(yīng)力（黏滯阻力和靜水壓力之和）時(shí)，氣源開始加速膨脹，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的氣泡；在氣源膨脹的過程中，由于膠凝材料水化，料漿稠度不斷增加，造成膨脹所要克服的阻力不斷增大，同時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)物質(zhì)過氧化氫不斷消耗，膨脹的潛在動力也在變小，由此，膨脹經(jīng)歷了一個(gè)從加速到平緩、減慢，并逐漸趨近于停滯的過程。最終，膨脹結(jié)束后，泡沫充填體發(fā)泡完成。從上述氣泡形成機(jī)理可以看出，如果發(fā)泡過快或發(fā)泡量過大，而料漿硬化速率偏低，則形成的充填體中往往會形成串孔，甚至生成的氣體會沖破料漿表面，在硬化后試樣上部造成開口大孔；或是由于料漿長時(shí)間不硬化，起初形成的試樣最終出現(xiàn)塌模的現(xiàn)象。如果發(fā)泡過慢，而料漿迅速硬化，往往會導(dǎo)致發(fā)泡量太小，得到的泡沫充填體試樣達(dá)不到所期望的要求。圖2為普通充填體和膨脹充填體的效果對比。

2　泡沫充填體膨脹性能研究

2.1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

設(shè)計(jì)濃度分別為67%、70%、73%3種試驗(yàn)方案，在每種方案灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8條件下分別配比發(fā)泡劑添加量為3.75%、6.25%、8.75%的試驗(yàn)方案。每種濃度方案共9個(gè)配比方案，3種濃度方案共27個(gè)配比方案。本次試驗(yàn)膨脹率的測定具體步驟分別如下：

（1）將摻入膨脹劑的料漿攪拌均勻后澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模中，澆筑時(shí)預(yù)留出30 mm（如圖3）。

（2）將澆筑好的試模放在相應(yīng)的溫度下養(yǎng)護(hù)24 h。

（3）24 h養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，測量試塊上面邊緣距離試模上邊緣的距離a（mm），記錄數(shù)據(jù)。

（4）計(jì)算膨脹率

2.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過式（3）計(jì)算得到表2充填試樣膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中膨脹率為負(fù)數(shù)（-）實(shí)質(zhì)表示沉降率。

（1）發(fā)泡劑添加比例與膨脹率關(guān)系研究。從圖4可知，不同濃度充填試樣的膨脹率均隨發(fā)泡劑添加量增加而增大，基本呈線性變化。通過數(shù)據(jù)處理，分別得到了濃度67%、濃度70%、濃度73%的發(fā)泡劑添加量與膨脹率的預(yù)測擬合曲線：

擬合結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室大量試驗(yàn)驗(yàn)證，若發(fā)泡劑添加量太少，則膨脹不明顯，不符合試驗(yàn)的目的；如發(fā)泡劑添加量過大，則發(fā)泡氣泡過多，出現(xiàn)塌模，導(dǎo)致膨脹失敗。因此，發(fā)泡劑添加量與膨脹率的預(yù)測擬合曲線中的橫坐標(biāo)發(fā)泡劑添加量x的取值應(yīng)在3%～11%之間，過大或過小都將失去預(yù)測意義，合理的取值，才會更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)活動。

從圖5中可以看出，濃度為67%，當(dāng)發(fā)泡劑添加量為3.75%時(shí)，試樣并未出現(xiàn)膨脹，但與0.0%即普通充填體沉降率13.72%相比，其沉降率已較大幅度的減小，僅為2.97%，減小幅度達(dá)78.35%。當(dāng)發(fā)泡劑添加量為6.25%時(shí)，此時(shí)充填試樣已不再出現(xiàn)下沉，出現(xiàn)明顯膨脹，膨脹率為5.4%。當(dāng)繼續(xù)加大發(fā)泡劑添加比例達(dá)到8.75%時(shí)，其膨脹率為8.5%，為6.25%的1.57倍；當(dāng)料漿濃度為70%，發(fā)泡劑添加量為3.75%、6.25%、8.75%時(shí)，其膨脹率分別為3.1%、7.2%、12.2%。高比例發(fā)泡劑添加量8.75%的膨脹率分別為6.25%、3.75%的1.69、3.94倍；當(dāng)料漿濃度為73%，發(fā)泡劑添加量為3.75%、6.25%、8.75%時(shí)，其膨脹率分別為7.1%，11.02%，16.23%。高比例發(fā)泡劑添加量8.75%的膨脹率分別為6.25%、3.75%的1.47、2.29倍。

分析以上數(shù)據(jù)可知，發(fā)泡劑添加比例對充填試樣的影響十分明顯，可以看出，膨脹率與發(fā)泡劑添加量基本呈二次線性關(guān)系，發(fā)泡劑添加量越多，產(chǎn)生的膨脹就越大。3.75%～8.75%的發(fā)泡劑添加量可以使不同濃度的充填試樣產(chǎn)生-2.97%～16.54%的膨脹率，膨脹取得了預(yù)期的效果。

（2）灰砂比與膨脹率關(guān)系研究。從圖6中可以看出充填試樣膨脹率均隨發(fā)泡劑添加量增加而增長，但是相同發(fā)泡劑添加量情況下，不同灰砂比對充填試樣的膨脹率變化影響不大，無明顯規(guī)律可尋。

由于發(fā)泡劑發(fā)泡產(chǎn)生氣體的過程實(shí)質(zhì)是發(fā)泡劑（H2O2）自身的氧化還原反應(yīng)，其最終產(chǎn)生氣體的多少只與發(fā)泡劑添加量有關(guān)，與外界物質(zhì)無關(guān)，尾砂與水泥只起到催化劑作用，不同灰砂比發(fā)泡劑添加量相對水泥與尾砂的比值范圍也只在0.54%～1.75%之間變化，水泥與尾砂作為發(fā)泡劑分解反應(yīng)的催化劑，不同灰砂比充填試樣，水泥與尾砂的量相對發(fā)泡劑的量早已過量，故不同灰砂比試樣，對發(fā)泡劑分解反應(yīng)速率影響微小，可以忽略不計(jì)。

（3）料漿濃度與膨脹率關(guān)系研究。從圖7中可以看出，發(fā)泡劑添加量相同情況下，濃度對試樣膨脹率有明顯影響。隨著充填料漿濃度增大，試樣膨脹率也隨之增大。發(fā)泡劑添加比例較高，膨脹率明顯增大。

從圖8中可以看出當(dāng)發(fā)泡劑添加量為3.75%時(shí)，濃度為67%充填體繼續(xù)出現(xiàn)沉降，但沉降率已由未加入發(fā)泡劑前的13.72%下降到加入后的2.97%，沉降率大大減??；相應(yīng)比例的濃度為70%、73%的充填試樣則停止出現(xiàn)沉降，膨脹顯現(xiàn)。同時(shí)，相同發(fā)泡劑添加量與灰砂比情況下，發(fā)泡劑添加量為3.75%時(shí)，濃度為73%試樣膨脹率為濃度70%試樣的2.29倍；發(fā)泡劑添加量為6.25%時(shí)，濃度為73%試樣膨脹率分別為濃度70%、67%試樣的1.53、2.04倍；發(fā)泡劑添加量為8.75%時(shí)，濃度為73%試樣膨脹率分別為濃度70%、67%試樣的1.33、1.91倍。

由此可見，料漿濃度對充填試樣的膨脹率有較大影響，相同比例灰砂比與發(fā)泡劑添加量下，濃度越高，試樣膨脹率越大。究其原因有二：一是低濃度充填料漿本身含水較多，因此，自身的沉降較大，從而膨脹率較低；二是低濃度充填料漿中含水較多，料漿容重較小，漿體分子間阻力相對較小，部分氣體分子克服阻力，沖向液面導(dǎo)致部分氣體流失，故膨脹率相對較小。

（4）強(qiáng)度與膨脹率關(guān)系研究。不同比例發(fā)泡劑的添加導(dǎo)致充填體具有不同的膨脹率，尋求適宜的接頂膨脹率與相應(yīng)的滿足要求的強(qiáng)度值，對研究礦山充填接頂工作有十分重要的意義。

分析處理數(shù)據(jù)，得到灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8的膨脹率與強(qiáng)度擬合曲線：

擬合曲線圖如圖9所示，可以看出，隨著充填試樣沉降率逐漸減小、膨脹率逐漸增大，充填體的強(qiáng)度值隨之降低。參考采用充填法開采的類似礦山經(jīng)驗(yàn)及根據(jù)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論分析可知，采用分層充填法的礦山其終期（28 d）充填體強(qiáng)度值達(dá)到0.80～1.70 MPa即可滿足充填要求。

通過分析曲線可知，充填體停止沉降，即沉降率為零時(shí)，灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8充填體對應(yīng)的強(qiáng)度值為1.81、1.17、0.91 MPa，與不加膨脹劑終期強(qiáng)度值2.67、2.11、1.36 MPa相比，強(qiáng)度值分別下降了32.21%、44.55%、33.09%，但仍滿足礦山充填的最小安全強(qiáng)度。結(jié)合濃度67%曲線及預(yù)測公式可知沉降率為零時(shí)，發(fā)泡劑添加量為4.5%左右（灰砂比對膨脹率影響較小，忽略其影響）。

為滿足空區(qū)充填最小安全強(qiáng)度，不同灰砂比充填體終期（28 d）強(qiáng)度均需大于0.8 MPa，即臨界值0.8 MPa所對應(yīng)的膨脹率為極限安全膨脹率。分析可知，強(qiáng)度臨界值0.8 MPa對應(yīng)灰砂比1∶4、1∶6、1∶8的極限安全膨脹率分別為24.70%、11.19%、6.98%；為保證充填工作的安全性，在此基礎(chǔ)上再除以膨脹率折減因子1.2，得到灰砂比1∶4、1∶6、1∶8的最大安全膨脹率分別為23.08%、9.33%、5.82%，然后根據(jù)圖4中濃度67%曲線及預(yù)測公式，可知相應(yīng)發(fā)泡劑添加量約為13.44%、7.44%、5.20%。

3　泡沫膨脹充填材料配比優(yōu)化

3.1　分層充填材料配比優(yōu)化

分層充填體主要作為分層開采的工作平臺，其質(zhì)量好壞直接影響著采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，充填體強(qiáng)度必須滿足無軌設(shè)備正常作業(yè)的最小安全強(qiáng)度?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中，鑿巖通常于膠結(jié)面層充填后約7 d進(jìn)場作業(yè)，因此，膠結(jié)面層充填體強(qiáng)度必須滿足最小安全強(qiáng)度0.8 MPa；采場出礦通常需3～4周，所以膠結(jié)面28 d強(qiáng)度必須達(dá)到1.5 MPa。

根據(jù)充填材料強(qiáng)度與膨脹率分析，表3為符合充填強(qiáng)度要求的濃度和配比方案：

3.2　嗣后充填材料配比優(yōu)化

一般的，采用嗣后充填法開采的礦山，其對充填體強(qiáng)度的需求并不像分層充填那樣高，但必須滿足維持其自穩(wěn)的最小安全強(qiáng)度0.4 MPa。

因此，根據(jù)嗣后充填的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度及膨脹率的分析，對泡沫充填材料嗣后充填的開采優(yōu)化方案見表4。

4　結(jié)論

（1）基于理論分析，濃度27.5%的雙氧水溶液具有較好的膨脹性能，適合礦山充填所處的特殊環(huán)境，滿足礦山膨脹充填的需求。

（2）試驗(yàn)表明，發(fā)泡劑添加比例對充填體膨脹率影響明顯，3.75%～8.75%的發(fā)泡劑添加量可以使不同濃度的充填試樣產(chǎn)生-2.97%～16.54%的膨脹率，膨脹取得了較好的效果；同時(shí)，料漿濃度與膨脹率也呈正相關(guān)關(guān)系，灰砂比與膨脹率關(guān)系不明顯。

（3）通過分析強(qiáng)度與膨脹率關(guān)系曲線可知，濃度67%充填體沉降率為零時(shí)，發(fā)泡劑添加量為4.5%左右；分析可知，強(qiáng)度臨界值0.8 MPa對應(yīng)灰砂比1∶4、1∶6、1∶8的最大安全膨脹率分別為23.08%、9.33%、5.82%，相應(yīng)發(fā)泡劑添加量約為13.44%、7.44%、5.20%。

（4）根據(jù)強(qiáng)度與膨脹率關(guān)系，結(jié)合礦山實(shí)際充填特點(diǎn)，從27個(gè)試驗(yàn)方案中，優(yōu)選出了適合分層充填及嗣后充填的試驗(yàn)方案。