谷 巖 南世卿 李富平

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009；3.河北鋼鐵集團礦山設(shè)計有限公司，河北 唐山 063701)

·采礦工程·

礦渣膠結(jié)材料充填體強度確定及配比優(yōu)化

谷 巖1,2南世卿3李富平1,2

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009；3.河北鋼鐵集團礦山設(shè)計有限公司，河北 唐山 063701)

為了降低充填成本，從分析高階段嗣后充填充填體的力學作用機理入手，采用經(jīng)驗公式，計算了充填體暴露高度與強度的關(guān)系，得出充填料漿配比設(shè)計依據(jù)。而后，以超細全尾砂和自行研發(fā)的礦渣膠結(jié)材料制備充填料漿，采用正交設(shè)計與極差分析，研究了料漿與各個影響因素的關(guān)系，確定了各個因素的權(quán)重，得出了最佳的充填配比。研究結(jié)果表明：高階段嗣后充填充填體在暴露高度95 m時所需強度為2.9 MPa，100 m時所需強度為3.1 MPa；采用灰砂比1∶5、濃度72%的料漿作為膠結(jié)面，采用灰砂比1∶10、濃度72%的料漿充填礦房，完全滿足采場穩(wěn)定性的要求。

礦渣膠結(jié)材料 強度 穩(wěn)定性 回歸分析

自上世紀60—70年代，尾砂膠結(jié)充填采礦技術(shù)開始在我國推廣應(yīng)用，隨著該技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的采礦工作者在充填料的性質(zhì)、充填體的穩(wěn)定性及膠結(jié)充填體與圍巖的作用機理、充填膠結(jié)劑和充填設(shè)備等方面開展了深入研究，并取得了顯著成果[1-3]。膠結(jié)充填采礦法被國內(nèi)礦山廣泛采用。

但是，充填采礦法成本較高，以鐵礦山為例，1 t礦石的充填成本約為20元左右。主要原因有兩個方面：一是和國外相比我國礦山膠結(jié)充填所采用的灰砂比較高，一般為1∶4、1∶8；二是普遍采用水泥作為膠結(jié)劑，水泥價格逐年上漲。由于國內(nèi)充填設(shè)備性能的限制，降低灰砂比基本不大現(xiàn)實。因此，參照芬蘭奧托昆普公司的維漢蒂礦、加拿大Louvicourt礦[4-5]等，我國礦山企業(yè)也嘗試通過研發(fā)低成本的膠結(jié)劑代替水泥來降低充填成本。主要做法是采用具有潛在水硬性的固體廢料，如礦渣、赤泥、粉煤灰等，通過物理激發(fā)、化學激發(fā)和復(fù)合激發(fā)的方法，使廢料達到礦山膠結(jié)充填的要求[6-7]。這種材料已在國內(nèi)的焦家金礦和萊蕪礦業(yè)旗下的礦山得到應(yīng)用。作為一種能夠有效降低充填成本的手段，值得效仿。

本研究采用經(jīng)驗公式計算了高階段嗣后充填充填體暴露高度與強度的關(guān)系，得出充填料漿配比設(shè)計依據(jù)。以超細全尾砂和自行研發(fā)的礦渣膠結(jié)材料制備充填料漿，在研究了充填體強度和料漿各個因素關(guān)系的基礎(chǔ)上，確定了最佳的充填配比。

1 礦渣膠結(jié)材料簡介

充填用礦渣膠結(jié)材料(以下簡稱新材料)以煉鐵廠排出的廢棄礦渣為主要原料，但和目前我國已有的水泥廠生產(chǎn)的礦渣水泥(水泥熟料一般占50%以上)不同，是一種完全不添加任何水泥熟料的高性能膠結(jié)材料。實驗所采用的礦渣膠結(jié)材料屬自主研發(fā)產(chǎn)品，該膠結(jié)材料采用唐山地區(qū)高爐礦渣，經(jīng)過現(xiàn)代化的混磨工藝制備成?；郀t礦渣粉，這種渣粉自身具有獨有的水化硬化特性，并且價格低廉。但是礦渣的活性是潛在的，單獨與全尾砂、水混合不能形成具有一定強度的充填體[8]。根據(jù)已有的研究發(fā)現(xiàn)：在堿性的水溶液中，酸性礦渣表現(xiàn)出潛在的水硬性，尤其當料漿pH值>12時，礦渣水化反應(yīng)強烈。這是因為堿性溶液中存在大量的OH 離子，能夠破壞礦渣網(wǎng)絡(luò)形成體中Ca—O，Mg—O和Si—O鍵，使得礦渣解體，大量水化產(chǎn)物產(chǎn)生形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9-11]。通過實驗研究，研發(fā)出適合唐山地區(qū)高爐礦渣的激發(fā)劑，并已通過了現(xiàn)場工業(yè)實驗驗證。按水泥膠砂強度檢驗規(guī)程GB1344—1999進行礦渣膠結(jié)材料和水泥的對比檢驗，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同膠結(jié)材料對比Table 1 Contrast of different cementitious materials

礦渣膠結(jié)材料的主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、MnO2，密度約為2.9 t/m3，比表面積大于4 000 cm2/g，材料呈堿性。掃描電鏡和X衍射研究表明，礦渣膠結(jié)材料的水化產(chǎn)物鈣礬石、C-S-H凝膠、鈣硅石形成速度快，產(chǎn)生量大。

根據(jù)礦山充填特點，充分考慮全尾砂對膠結(jié)材料的影響，制備全尾砂-礦渣膠結(jié)材料充填試塊，檢驗礦渣膠結(jié)材料的優(yōu)劣。實驗按照水泥砂漿實驗標準進行，將稱好的全尾砂和復(fù)合材料倒入攪拌鍋內(nèi)，開動機器，同時慢慢加入拌和水，慢速攪拌120 s，停拌15 s，接著快速攪拌120 s后停機。拌和結(jié)束后，立即將拌好的砂漿裝入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三聯(lián)模中，采用水泥膠砂試體成型振實臺進行振實成型。分組編號放入標準恒溫養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，48 h后脫模，繼續(xù)在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至設(shè)計齡期。采用WAW2000電液伺服萬能壓力機對試塊單軸抗壓強度進行測試。相關(guān)實驗結(jié)果見圖1～圖3所示。

由圖1、圖2可見，礦渣膠結(jié)材料制充填體具有較高的強度，即使是灰砂比1∶15時，28 d的抗壓強度依舊能夠達到0.82 MPa以上，這足以滿足充填體自立性的要求。由圖3可見，礦渣膠結(jié)材料制充填體強度明顯優(yōu)于水泥制備充填體的強度。掃描電鏡和X衍射研究表明：礦渣中含有的鋁酸鹽較高，細針狀的鈣礬石和凝膠生成量比水泥大，細針狀的鈣礬石和凝膠交叉生長在一起，使體系具有較好的膠結(jié)性能，兩者交叉生長形成的密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠牢固地包裹住全尾砂中的細小顆粒，所以能夠形成較高的初期、最終強度。這種致密骨架，能夠很好地包裹充填骨料，對提高充填體的自立高度具有顯著作用。同時礦渣膠結(jié)材料采用價格低廉的礦渣為主要原料，成本比水泥低。

圖1 礦渣膠結(jié)材料濃度與強度關(guān)系曲線Fig.1 The relationship between concentration and intensity curve

圖2 礦渣膠結(jié)灰砂比與強度關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between gray sand ratio and intensity curve

圖3 礦渣膠結(jié)材料與水泥對比結(jié)果Fig.3 The relationship between slag cements and cement comparison results■—礦渣膠結(jié)材料；▲—425水泥

2 高階段嗣后充填膠結(jié)充填體所需強度

一般來說，膠結(jié)充填體所需強度(指單軸抗壓強度)是指回采相鄰礦塊時，能夠具有一定的自立高度和暴露寬度并且處于穩(wěn)定狀態(tài)下的膠結(jié)充填體應(yīng)具有的最低強度，取值因礦山而異，主要取決于具體的開采條件和充填條件。膠結(jié)充填體的強度設(shè)計應(yīng)當基于充填體在采空區(qū)所起的力學作用來考慮，這是公認的設(shè)計準則。膠結(jié)充填體在采空區(qū)所起的力學作用大致上可分為2種：第一，支護不穩(wěn)定的采場圍巖特別是破碎的采場上盤及頂板；第二，在厚大礦體的棋盤式開采系統(tǒng)中，膠結(jié)充填體主要起自立性人工礦柱的作用，其對采場圍巖的支護作用居次要地位。對于兩步回采高階段嗣后充填體而言主要起自立性人工礦柱的作用，對圍巖的支護作用居于次要地位。

2.1 充填體自立所需強度計算

在充填采礦過程中充填體要保持自立，必須滿足一定的強度條件，充填體達到一定的強度后方可保持自立，不會出現(xiàn)垮落。當充填體作為自立性人工礦柱時，充填體的高度和強度尤其重要。本研究采用托馬斯(Thomas)計算法、盧平修正計算法、Terzagh計算法、Askwe 和McCarthy計算法對實驗礦山嗣后充填膠結(jié)充填體自立性高度進行了計算。膠結(jié)充填物理力學計算參數(shù)取值見表2，充填體所需自立強度計算結(jié)果見表3。

2.2 階段充填體極限暴露高度的計算

根據(jù)充填體強度計算和推斷充填體自立高度的實例不多，大部分礦山一般采用經(jīng)驗類比法判斷充填體失穩(wěn)狀況。為了保證充填體自穩(wěn)性，多數(shù)礦山采用減少充填體的暴露面積并提高膠結(jié)充填體強度，沒有充分的理論和實際數(shù)據(jù)來評價充填體的穩(wěn)定性。本研究采用南非公式對充填體的自立高度進行探討：

表2 膠結(jié)充填物理力學計算參數(shù)取值Table 2 Physical and mechanical parameters of cemented filling calculate the value table

表3 充填體所需自立強度計算結(jié)果Table 3 Strength calculations required for self-filling body

(1)

式中，a為垂直加速度，其值為重力加速度g與爆破或微震加速度垂直分量之和；c為充填體強度，MPa;F為安全系數(shù)，取1.2；β為滑移角，取80°；φ為摩擦角，(°)。

根據(jù)充填體極限平衡力學分析，得出充填體所需強度與充填體的暴露高度、充填體的寬度和長度關(guān)系：

(2)

式中，σ0為頂端壓應(yīng)力，MPa；γ2為非膠結(jié)尾砂充填體容重，kg/m3；h1為滑移面上部高度，m；h2為滑移面的平均高度，m；C″為充填體與上、下盤圍巖作用的黏聚力，MPa；φ′為充填體與上、下盤圍巖作用的內(nèi)摩擦角；φ″為滑移經(jīng)過區(qū)各配比充填體的內(nèi)摩擦角，(°)；α=45°+φ/2;Lc為充填體長度，m；Bc為充填體寬度，m;h1為滑移面上部高度，m,h1=Hc-Bctanα;Hc為充填體高度，m；h2為滑移面下部高度，m，h2=Bctanα/2。

式(2)分析了充填體所需強度與自立高度之間的關(guān)系。參數(shù)取值為膠結(jié)充填體容重為1.82 kg/m3，黏聚力為0.895 9 MPa，內(nèi)摩擦角為30°，非膠結(jié)尾砂容重為1.63 kg/m3，側(cè)壓系數(shù)0.228 6 MPa，礦房寬度為25 m，采場長度為50 m。根據(jù)公式(2)繪制出實驗礦山不同暴露高度下對充填體強度的要求。從圖4可知，充填體所需強度隨暴露高度的增加而增大，在開始階段增幅較大，后來曲線逐漸趨于平緩。隨著高度的增加，充填體所需要的強度并不像想象的那樣呈近似直線上升，充填體兩端圍巖或充填體對充填體柱的成拱作用越來越大，從而減小了充填體底部的應(yīng)力。實驗礦山膠結(jié)充填體暴露高度為95 m，其所需強度僅為2.9 MPa，當暴露高度為100 m時，所需強度為3.1 MPa。

圖4 充填體暴露高度與強度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between filling body height and intensity of exposure curve

3 充填體強度影響因素分析及料漿配比優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)階段研究成果[2-3]，影響全尾砂膠結(jié)充填體強度的因素有：灰砂比、料漿濃度、養(yǎng)護齡期。實驗以試塊單軸抗壓強度σ為評定標準進行了正交試驗，以不同的灰砂比、料漿濃度、養(yǎng)護齡期為主要考察因素，每個因素各取3個水平，采用正交表L9(34)安排試驗。試驗因素水平見表4，試驗結(jié)果列于表5。充填體強度隨各因素的變化趨勢如圖5。

表4 力學性能正交試驗因素水平安排Table 4 Mechanical properties Orthogonal factor level arrangements

注：A為灰砂比，B為料漿濃度，C為養(yǎng)護齡期。

表5 力學性能正交試驗結(jié)果Table 5 Mechanical properties of orthogonal test results

圖5 平均抗壓強度與各因素的關(guān)系Fig.5 The relationship between various factors and the average compressive strength

對表5試驗結(jié)果進行極差分析，結(jié)果見表6。

表6 力學性能正交試驗極差分析結(jié)果Table 6 Poor mechanical properties of orthogonal test analysis results MPa

由圖5知，礦渣膠結(jié)材料制充填體單軸抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增加而迅速提高；灰砂比對充填體強度的影響同樣十分明顯，在1∶10的條件下，強度>1.5 MPa，完全滿足井下膠結(jié)充填體所需強度的要求，相比傳統(tǒng)的水泥制備的充填體普遍采用1∶4、1∶8的灰砂比，灰砂比得到降低，膠結(jié)料的用量減少。濃度對充填體強度的影響不明顯，在68%～72%范圍內(nèi)，強度與濃度呈正比。

由表5知，養(yǎng)護齡期對新材料強度的影響最為顯著。礦渣膠結(jié)材料制備充填試塊強度較高，特別是初期強度，灰砂比1∶10、濃度66%的試塊，7 d強度已達到0.85 MPa，72%濃度下強度值1.3 MPa，這對于礦山充填十分有利。對相同配比、不同濃度的試塊，隨著養(yǎng)護齡期的增長，抗壓強度均有不同程度的提高。根據(jù)數(shù)據(jù)變化，采用對數(shù)函數(shù)模型對數(shù)據(jù)進行回歸分析，方程式為

σ=ln

(a+bx),

(3)

式中，σ為單軸抗壓強度，MPa；x為養(yǎng)護齡期，d；a、b均為實驗常數(shù)。

擬合結(jié)果見表7。

根據(jù)充填體強度影響因素分析結(jié)果，由表6知，在堅持盡量采用低灰砂比以減少膠結(jié)劑用量的前提下，取安全系數(shù)1.2，頂?shù)装暹x取A1、B3和C3，即灰砂比1∶5，濃度72%的充填料漿；礦房選取A3、B1和C3，即采用灰砂比1∶10，濃度72%的充填料漿。根據(jù)表7的擬合公式計算得膠結(jié)面強度PJ=4.77>3.1 MPa，礦房強度Pk=3.27>2.9 MPa，均能滿足礦山充填的技術(shù)要求。

表7 回歸分析結(jié)果Table 7 The experimental results of regression analysis

4 結(jié) 論

(1)充填采礦法雖然能夠顯著提高礦產(chǎn)資源回收率，但同時也使采礦成本大幅度增加。結(jié)合當前我國充填采礦技術(shù)現(xiàn)狀分析表明，采用低成本的膠結(jié)材料替代水泥是降低充填成本最為有效的途徑。

(2)礦渣膠結(jié)材料以煉鐵廠廢棄礦渣為主要原料，成本低、來源廣，實驗研究表明：礦渣膠結(jié)材料性能指標遠遠超過了425水泥國標，在采用超細全尾砂作為骨料時，膠結(jié)性能優(yōu)于水泥膠結(jié)材料，制備充填體強度完全滿足礦山充填要求。

(3)采用回歸分析的方法，結(jié)合實驗結(jié)果對不同料漿制備充填體強度進行了預(yù)測。采取經(jīng)驗公式計算了試驗礦山高階段嗣后充填充填體強度的要求。結(jié)合上述2方面的研究結(jié)果確定了足以保持采場穩(wěn)定性的分層充填料漿灰砂比和濃度。

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(責任編輯 徐志宏)

Determination of the Filling Body Strength and the Ratio Opertimization Made by Slag Cementitious Materials

Gu Yan1,2Nan Shiqing3Li Fuping1,2

(1.CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China；2.KeyLaboratoryofHebeiProvinceforMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009，China；3.HebeiIron&SteelGroupMineDesignCo.，Ltd.,Tangshan063701，China)

In order to reduce the cost of filling，the relationship between the exposure height of filling body and intensity was calculated out by the empirical formula based on the analysis of mechanical mechanism of high-level subsequent filling body，and the design basis of filling slurry ratio was concluded. Then，the ultra-fine full tailings and the self-developed slag cementitious materials were mixed to prepare the backfilling slurry. By the way of orthogonal design and range analysis，the study focused on the relationship of the slurry above with various influencing factor，obtaining the weight of each factor and the optimal filling ratio. The results showed that the high-level subsequent filling body's strength must pass 2.9 MPa in the exposure level at 95 m，and 3.1 MPa in the exposure level at 100 m. Choosing the slurry with lime-sand ratio of 1∶5 and the concentration of 72% as cementing surface，the slurry with lime-sand of 1∶10 and the concentration of 72% as filling body can completely meet the requirement of the stope stability.

Slag cementitious materials，Strength，Stability，Regression analysis

2013-11-26

河北省鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級專項資金項目(編號：11215626D-7)。

谷 巖(1987—)，男，碩士研究生。

TD853.34+3

A

1001-1250(2014)-03-010-05