不同灰砂比條件下機制砂率對充填體強度影響試驗研究

張 杰 孫載磊 儲昌歡2

（1.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655011；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011）

高濃度全尾砂膠結充填技術利用選礦廠產出的尾礦通過混合水泥等膠凝材料及廢石、水淬渣等摻合料形成高濃度充填料漿對井下采空區進行充填［1-3］。自上世紀80年代以來，隨著技術的不斷進步，該技術工藝及技術水平的提升使其在地壓控制、資源回收、環境保護等方面的優勢得到日益彰顯，應用已十分廣泛［1，4］。

充填料漿配比的控制是充填技術應用的關鍵，當充填材料發生變化時，礦山需要及時開展配比試驗研究，研究材料品種及性質變化對充填體強度等性能的影響，進而確定合理的配合比，確保充填工藝技術可靠和經濟效益最優。

本研究以云南某鉛鋅礦為背景，該礦山采用高濃度全尾砂膠結充填技術，采礦方法包括上向式和下向式進路充填采礦法2種，上向式回采的礦房采用兩步驟回采，第一步驟礦房采用高強度充填料漿充填回采空區，第二步驟礦房采用廢石和低強度充填料漿回填。

根據礦山實際需要，研究機制砂率達到40%左右時不同灰砂比條件下的充填體強度變化規律，以確定在機制砂率需求達到30%～50%比例范圍時技術可行的充填料漿配合比，為現場生產組織提供技術依據。

1 充填材料物理性質

1.1 全尾砂

礦山采用選廠產出的全尾砂作為充填材料，堆積密度為1 500 kg/m3，含水率為10%。采用激光粒度分析儀對尾礦進行粒級分布測試。分析結果顯示，全尾砂比表面積為289.2 m2/kg，-20 μm的粒徑占比為19.68%、-75 μm的粒徑占比為48.59%，尾砂特征粒徑d50為78.04 μm，級配良好。

1.2 機制砂

礦山采用掘進廢石打砂，供地表和井下拌制混凝土使用。機制砂堆積密度為1 700 kg/m3，含水率為2%。主要粒徑分布在2.5～10 mm之間，占到總質量的63.60%，其中5～10 mm的占比達到40.40%。98.20%的機制砂粒徑小于10 mm，-5 mm的顆粒占比為57.80%，-1.25 mm的顆粒占比為24%，-0.315 mm的顆粒占比為12.50%，-0.08 mm的顆粒占比為4.50%。

1.3 水泥

水泥采用當地供應商統一供貨的PO42.5水泥。進場前均核驗廠家提供的水泥合格證和出廠質量檢驗報告，并進行了水泥的初凝時間、終凝時間和3 d、28 d抗壓強度試驗，質量符合要求。

1.4 充填料拌合水

充填料拌合水采用廠區生活用水，符合混凝土拌合用水標準要求。

2 充填體強度影響因素及變動范圍的確定

一般來說，充填體強度的影響因素主要有灰砂比、膠凝材料含量、濃度（含水率）、尾砂理化性質等。在膠結充填工藝實際應用過程中，充填體強度影響因素的變化范圍受基本性能要求、尾砂、摻合料特性及供應條件等的限制較多［5-6］。

高濃度膠結充填一般要求其泌水率低，則料漿濃度不能過低；充填管道輸送對料漿流動性要求較高，則濃度又不宜過高，以免頻繁發生堵管事故［7］。本研究試驗中，根據礦山充填實踐，試驗中將料漿濃度控制在78%～81%之間。

利用廢石制成的機制砂是本礦山解決占地、降低安全環保風險的重要舉措，礦山現有富余廢石量較大，擬將機制砂添加達到全尾砂混入量的40%（質量比）左右。為了達到這一目的，研究試驗時將機制砂率限制在30%～50%的較窄范圍內。

根據經驗，確定灰砂比變動范圍為1∶6～1∶12。結合兩步驟回采的采礦方法，擬重點研究較低灰砂比條件下的充填體強度，為降低第一步驟礦房充填成本提供技術依據。故在低灰砂比段縮小各灰砂比之間的間隔，灰砂比分別為1∶6、1∶8、1∶10、1∶11和1∶12共5個水平。

3 試驗方法

本試驗針對灰砂比和機制砂率采用全面試驗方法，即開展5種不同灰砂比和3種機制砂率條件下的充填體強度試驗。考慮濃度與灰砂比及機制砂之間的交互影響，對每組試驗進行2種濃度水平的對比試驗，共計開展30組試驗。試驗方案見表1。

試驗中，用電子秤分別計量和稱取水泥、全尾砂、機制砂、水（考慮骨料含水），用強力攪拌機進行攪拌，使用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的充填料漿模具制作試件。制作好的試樣用YH-40B型恒溫恒濕標準養護箱在溫度為20℃、濕度為95%的條件進行標準養護。試樣用CL-03C液壓式萬能試驗機進行單軸抗壓強度試驗。每種配合比按標準養護3 d、7 d、14 d、28 d 4個齡期進行單軸抗壓強度試驗，每個齡期進行3次強度試驗，在誤差不超限定值的情況下取算術平均值作為該養護齡期對應的充填體強度值。

4 試驗結果分析

4.1 機制砂率不變時灰砂比對充填體強度的影響

機制砂率為分別為30%、40%和50%時，不同灰砂比拌制出的充填料在不同濃度時的強度趨勢見圖1～圖3。

機制砂率40%是本試驗研究的基本方案，首先對40%機制砂率的試驗數據進行分析，可以得出以下一些規律：

（1）隨著灰砂比的減小，相同濃度和相同養護時間的充填體強度呈下降趨勢。在灰砂比較大（1∶6～1∶10區間內）時，除濃度為81%的14 d強度曲線外，其余3條曲線基本呈線性下降。當灰砂比小于1∶10后，灰砂比進一步減小對強度下降的影響幅度有所降低。這種趨勢可以從兩個角度加以闡釋：一是灰砂比較大時，水泥含量是充填料強度的主要影響因素，當水泥含量成比例下降時，強度線性下降；二是灰砂比降低到一定程度時，充填料中所含膠凝材料有限，水泥含量對強度的優勢影響相對其他因素（機制砂含量、尾砂含量）大幅減小。

（2）各灰砂比條件下的強度測試結果均體現出強度隨濃度升高而增大的規律。濃度對強度的影響顯著，且濃度對28 d強度的影響明顯超過對14 d強度的影響。當料漿濃度由79%增加到81%時，14 d強度平均增加20.54%，28 d強度平均增加41.31%。然而，增加幅度對不同灰砂比來說是離散的，灰砂比變化時，充填體14 d強度的增加幅度從9.14%到40%不等，28 d強度的增加幅度從24.07%到68.97%不等，濃度影響最大的情況出現在灰砂比1∶10時。

（3）強度增長規律包括兩個方面：一是，機制砂率一定的情況下，灰砂比的變化對充填體強度發展速度的影響較小。濃度為79%時，14 d強度與28 d強度的比值變動甚微，集中在0.62～0.67之間。可見在該濃度下，灰砂比變化對14 d和28 d養護期內的強度發展基本沒有影響。濃度為81%時，這個比值沒有規律性，在0.49～0.62之間變動，最低值和最高值分別出現在灰砂比1∶11和1∶6時。二是，從整體上來看，濃度越高，14 d養護期內發展出的強度越低，可見濃度越高的充填料其強度的更大部分需要在后期才能得到充分發展。

分析30%和50%機制砂率情況下的試驗數據，上述規律仍然成立。

4.2 灰砂比相同時機制砂率對充填體強度的影響

相同灰砂比的充填料漿試驗組中，在不同機制砂率下獲得了2種不同濃度對應的14 d和28 d強度，并且每一機制砂率對應的2種濃度不盡相同。為了獲得濃度一致條件下機制砂率對強度影響的規律，將40%和50%機制砂率下的2種濃度（79%和81%）對應的強度取算術平均值，并將該值視為濃度80%時對應的強度。由此可以獲得不同灰砂比時濃度均為80%的充填體強度曲線，見圖4～圖8。

從以上各圖可以看出，灰砂比為1∶6和1∶8時，充填料漿中的水泥含量較高，機制砂含量在變動幅度不大的情況下對強度的影響有限。1∶6時，機制砂率在30%～50%范圍內變動時，28 d強度和14 d強度的變化均不明顯。當濃度在80%時，14 d的強度已達到6 MPa左右，28 d強度達到9.5 MPa左右。1∶8灰砂比對應的情形與1∶6時基本一致，機制砂率浮動對強度的影響不明顯。

當灰砂比下降到1∶10之后，情況變得復雜，機制砂率變化引起了強度的變化，但沒有呈現出明顯的規律。其中，1∶11灰砂比下得到的結果與其他曲線均不同，展示出強度隨機制砂率增大明顯下降的趨勢。1∶10和1∶12的趨勢一致，機制砂率不同時的14 d強度變化不明顯，但28 d強度均呈現中間低兩端高的趨勢，即30%和50%機制砂率時強度均高于40%機制砂率時。這一現象表明，在水泥含量下降后，機制砂和尾砂在骨料中的相對含量對強度產生了相對較為顯著的影響。

4.3 合格充填料漿配比

（1）充填體強度要求。該礦山采用下向進路分層充填采礦法。根據GB 50771-2012有色金屬采礦設計規范，下向分層充填采礦法的分層假頂應充填完整堅實，充填體單軸礦壓強度不應小于3 MPa。考慮到試驗室配比應用到生產當中將受到作業環境、養護條件和操作等因素的影響，導致不能達到設計強度。按照過往試驗樣及生產樣的統計情況，并考慮一定安全系數，實驗室設計配合比強度應達到4.5 MPa以上［8］。

（2）合格配比的確定。根據以上分析，在30%～50%機制砂率范圍內，當料漿濃度控制在80%或以上，灰砂比達到1∶10的充填體在養護28 d后的強度即可滿足4.5 MPa的合格要求。其他條件不變，灰砂比達到1∶6的充填配比在養護14 d后的強度可以達到5.5 MPa以上，高于合格要求。當礦山生產偏緊，需要集中安排礦房組織生產時，在確保安全的前提下，可以考慮采用14 d強度達標的充填配比，縮短強度發展時間，使相鄰二步驟礦房的允許排產時間大幅提前。上述達標配比的前提是濃度控制在80%以上。當濃度低于80%時，其他條件不變的情況下強度將顯著下降。一方面，實際生產中需加強水分控制，采取技術和管理措施，以期實現相同強度指標的情況下降低灰砂比；另一方面，由于本次試驗研究的針對性強，對濃度影響在試驗設計時未予以充分考慮，需要在下階段試驗中繼續深入研究。

5 結 論

（1）機制砂率一定的情況下，灰砂比的變化對充填體強度發展速度的影響較小。但是，對于濃度越高的充填料漿，充填體強度的更大比例部分需要在養護后期才能得到充分發展。

（2）當料漿濃度控制在80%以上時，灰砂比 1∶10，養護28 d后的充填體強度即可達到4.5 MPa；灰砂比1∶6，養護14 d后的強度可以達到5.5 MPa以上；滿足上述條件的充填配比即可用于第一步驟礦房的充填。

（3）灰砂比較大時，由于充填料漿中的水泥含量較高，機制砂含量在變化幅度不大的情況下對強度的影響有限。

（4）濃度對強度的影響顯著，其影響規律有待進一步研究，對優化充填配比，降低充填成本具有很大的現實意義。