尾砂膠結充填體強度影響因素研究

趙龍，王楠

(山東黃金礦業(萊州)有限公司 三山島金礦，山東 萊州市 261442)

0 引言

尾砂膠結充填采礦法是目前充填采礦法的趨勢，充填體的強度嚴重影響著地下采場的穩定及安全[1-2]。國內外學者對此進行了廣泛的研究，研究內容主要集中于充填體的配制方案、力學特性以及強度方面[3-4]。

王文濤等[5]進行了全尾砂膠結充填料漿最優配比試驗研究，結合某螢石礦充填研究了灰砂比、料漿質量分數對充填料漿性能的影響規律，并得到了最優方案∶灰漿比為1∶4、料漿質量分數為75%。曹帥等[6]進行了分層尾砂膠結充填體力學特性變化規律及破壞模式研究。趙康等[7]進行了不同灰砂比尾砂膠結充填材料組合體的力學特性及協同變形研究，結果表明，組合體的整體峰值強度取決于其灰砂比較小試件的峰值強度；不同灰砂比組合體中，灰砂比較大試件的應變量顯著低于灰砂比較小試件的應變量，就協同變形而言，兩種灰砂比充填體的應變曲線變化趨勢比較一致。蔡嗣經等[8]進行了尾砂充填料漿流變性能模型與試驗研究，為礦山充填設計提供了理論和試驗依據。楊岳陽等[9]進行了尾砂膠結充填材料配比強度變化特性研究，結果表明，隨著齡期增加充填體試樣強度逐漸變大，且料漿質量分數的提高對充填體試塊的強度增大也是有益的。李洪寶等[1]進行了尾砂粒度對充填體早期強度影響的試驗研究，結果表明，尾砂粒徑對早期強度影響顯著，當尾砂顆粒達到一定細度時，與水泥水化膠結的契合度能夠有效提高，隨著粒徑的降低，充填體的早期強度越大。董毅萌等[10]進行了金礦尾砂膠結充填膠凝材料的制備及其性能表征的研究，分析了充填試樣的力學性能與料漿流動性能。張金等[11]以山東金鼎礦業膠結充填體為研究對象，進行了膠結充填體單軸抗壓強度、掃描電鏡以及X射線衍射分析試驗研究。李地元等[12]基于正交試驗法對磷石膏廢石膠結充填體強度進行了研究，發現黃磷渣對磷石膏廢石膠結充填體抗壓強度起決定性作用，料漿質量分數是影響抗壓強度的顯著因素，廢石質量比例和廢石與料漿的排列方式是影響抗壓強度的非顯著性因素。秦健春等[13]進行了極細全尾砂膠結充填參數優化的試驗研究，獲得了最優的充填技術參數。

以上研究為尾砂膠結充填采礦法提供了一定的依據，在此基礎上，本文選用三山島金礦尾砂、普通 32.5水泥，根據現場充填條件，采用灰砂比1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四種配比，選擇采場實際充填質量分數為 68%、70%、72%。尾砂試樣分別采用3，7，14，28 d四個齡期。然后進行單軸壓縮試驗，分別研究了灰砂比、充填質量分數以及齡期對尾砂膠結充填體強度的影響，并得到了各個因素與強度的擬合公式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗充填料中的尾砂采用三山島金礦新立選礦廠生產的全尾砂。尾砂的密度為2.65 g/cm3，密實堆積密度為1.54 g/cm3。其主要化學成分和粒級分布分別見表1和表2。

表1 全尾砂主要化學成分/%

表2 全尾砂粒徑組成測試結果

1.2 單軸抗壓強度試驗

尾砂試樣采用三山島金礦全尾砂和普通水泥制備。根據現場充填條件，選用 1∶4，1∶6，1∶8，1∶10四種灰砂比，和 68%、70%、72%三種質量分數。尾砂試樣模具尺寸為 70 mm×70 mm×70 mm 的立方體。尾砂試件澆筑好后放入HSB—40B恒溫養護箱中養護，選擇3，7，14，28 d四種養護齡期。使用 WHY-200型微機控制全自動壓力機對試樣分別進行單軸抗壓強度測定。

1.3 電鏡掃描

為了研究尾砂膠結充填體的膠凝過程，采用Zeiss Ultra 55熱場發射掃描電鏡進行電鏡掃描（SEM）試驗。選擇灰砂比 1∶4，質量分數為 70%的試樣，分別在3，7，28 d進行SEM掃描。

2 試驗結果及分析

2.1 尾砂充填體膠凝的微觀過程

SEM 掃描結果如圖1所示，圖1表明水泥尾砂膠結的主要物相由兩部分組成：水化物相，它是由水泥和尾砂發生水化反應后生成的新物相；殘留物相，是未參與反應或未反應完畢的物相。其他的還有水和空氣組成的孔隙網等。其中起主導作用的是水化物相，又稱膠結相，其種類、數量、相對大小和空間分布等特點決定了硬化體的強度等其他物性。

圖1 試件SEM掃描結果

2.2 尾砂試樣強度影響因素分析

2.2.1 灰砂比

干料中水泥含量對強度的影響如圖2所示。由圖2可知，齡期相同時，不同灰砂比的試件強度均隨水泥含量的增長而增長，試件水泥含量較低時，各試件的強度值差距較小，但當水泥含量逐步增大時，試件強度差異也越見明顯，當灰砂比為1∶4時，這種差異最為顯著。根據數據變化規律對實測值進行擬合，試件無側限單軸抗壓強度，與干料中水泥含量擬合函數方程見表3。

圖2 尾砂試塊單軸抗壓強度隨灰砂比的變化

表3 單軸抗壓強度與灰砂比關系

2.2.2 料漿質量分數

圖3是不同齡期尾砂試塊單軸抗壓強度隨料漿質量分數的變化關系。從圖3可以看出，配比相同時，各齡期試件強度均隨料漿質量分數的增長而增長。根據數據變化規律，采用一次函數對圖3中實測值進行擬合，試件強度與料漿質量分數的擬合函數方程見表4。對通過應用試驗分析得到的回歸模型進行不同灰砂比及料漿質量分數下的充填體強度預測，并將擬合值與試驗值進行對比，分析差值，以掌握不同配比的充填體強度變化趨勢。

圖3 尾砂試塊單軸抗壓強度隨料漿質量分數的變化

表4 單軸抗壓強度與料漿質量分數的關系

2.2.3 齡期

圖4是尾砂試塊單軸抗壓強度隨齡期的變化關

系，由圖4可知，當配比相同時，充填體試塊強度均隨著齡期的增長而增長，在3～14 d時間段內試塊強度增長較快，齡期接近14 d時試塊強度得到很大提高，14～28 d齡期間強度增長稍微緩慢。變化曲線斜率隨著養護時間的增長逐漸變小，齡期14 d時強度值能達到齡期28 d強度值的80%左右。根據數據變化規律，對實測值進行回歸擬合，試件強度與齡期的回歸函數方程見表5。

圖4 尾砂試塊單軸抗壓強度隨齡期的變化

表5 單軸抗壓強度與齡期的關系

3 結論

本文選用三山島金礦尾砂、普通水泥，根據現場充填條件，采用灰砂比 1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四種配比，選擇采場實際充填料漿質量分數為68%、70%、72%的料漿制作尾砂試樣，分別采用3，7，14，28 d四個齡期。然后進行單軸壓縮試驗，分別研究了灰砂比、充填料漿質量分數以及齡期對尾砂膠結充填體強度的影響。并得到了各個因素與強度的擬合公式。

（1）當齡期相同時，各試件強度均隨水泥含量的增長而增長。試件水泥含量較低時，各料漿質量分數試件的強度值差距較小，但當水泥含量逐步增大，試件強度差異也越見明顯。當灰砂比為 1∶4時這種差異最為顯著。

（2）配比相同時，各齡期試件強度均隨料漿質量分數的增長而增長，水泥含量會影響試件單軸抗壓強度隨料漿質量分數增長的變化規律。當灰砂比為1∶6時，強度隨料漿質量分數的增長速度最快；當灰砂比低于1∶8時，強度隨濃度的增長速度較為緩慢。

（3）配比相同時，充填體試塊強度均隨著齡期的增長而增長。3～14 d時間段內試塊強度增長較快，齡期接近14 d時試塊強度得到很大提高，14～28 d齡期內強度增長稍微緩慢。變化曲線斜率隨著養護時間的增長逐漸變小，齡期14 d時強度值能達到齡期28 d強度值的80%左右。