王永霞

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

隨著六十多年的強(qiáng)化開(kāi)采，我國(guó)陸地資源的開(kāi)發(fā)程度相當(dāng)成熟，淺地表的資源已經(jīng)開(kāi)采殆盡，深部開(kāi)采增加了資源開(kāi)采的成本和難度，我國(guó)沿海及其大陸架為主體的?；惤饘儋Y源為我國(guó)資源開(kāi)發(fā)提供了新的出路和方向[1-4]。近海和海下礦床資源的開(kāi)發(fā)有其特殊性，由于海水中含有很高的鹽分，海水通過(guò)破裂帶、巖石裂隙滲入井下，對(duì)井下充填體、設(shè)備等造成腐蝕，對(duì)海下礦床的開(kāi)采造成一定的安全威脅[5-7]。

三山島金礦是國(guó)家黃金工業(yè)“七五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，位于中朝地臺(tái)膠遼臺(tái)隆的郯廬斷裂帶的東側(cè)，有較為復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)背景。礦區(qū)地表水體有渤海和王河，渤海三面環(huán)繞礦區(qū)，礦區(qū)地下水中包括第四系孔隙水和基巖裂隙水，根據(jù)礦山勘探時(shí)期的鉆孔取樣分析資料，多數(shù)基巖水的水質(zhì)為高礦化度的鹵水，礦化度最高達(dá)到92.75 g/L，故稱之為基巖鹵水。礦山開(kāi)拓生產(chǎn)后，該含水帶未有取樣的記錄，但由于該含水帶水位下降不大，可以推測(cè)出水質(zhì)不會(huì)有大的改變?；鶐r鹵水與海水及第四系水混合后，以裂隙涌水的方式進(jìn)入礦山的水循環(huán)系統(tǒng)，正是該礦山充填用水中鹽鹵離子的主要來(lái)源。本文基于以上背景，對(duì)三山島金礦鹵水條件下的充填體強(qiáng)度規(guī)律及其影響因素進(jìn)行研究，為井下提高充填體強(qiáng)度、改善充填效果提供指導(dǎo)。

1 充填攪拌水及尾砂粒徑分析

1.1 充填攪拌水

在充填站對(duì)充填攪拌用水取樣，按照相關(guān)要求進(jìn)行充填用水的水質(zhì)分析，取樣過(guò)程中保證充填攪拌用水的水質(zhì)不受到人為污染，為了防止充填攪拌用水由于放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)改變其化學(xué)性質(zhì)，其水質(zhì)化驗(yàn)全部項(xiàng)目檢驗(yàn)在取樣后7 d內(nèi)完成。

1.2 尾砂

尾砂取樣是在尾砂倉(cāng)進(jìn)行，按照檢驗(yàn)分析要求，對(duì)全尾砂和分級(jí)尾砂都進(jìn)行了取樣，采用MS-30激光粒度分布測(cè)試儀對(duì)尾砂的粒度分布進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、圖1和圖2。由分析結(jié)果可以看出，全尾砂的細(xì)度明顯低于分級(jí)尾砂，比表面積分級(jí)尾砂遠(yuǎn)小于全尾砂。從圖1可以看出，分級(jí)尾砂的粒徑分布相對(duì)集中，主要粒徑分布范圍在12.119～173.40 μm之間，占到總重量的80%以上。從圖2可以看出，全尾砂的粒徑分布相對(duì)較為均勻，但尾砂顆粒相對(duì)偏細(xì)，粒徑在39.744 μm以下的尾砂顆粒占到中質(zhì)量的50%。

從理論上說(shuō)，尾砂顆粒越細(xì)，其充填料漿的含水量就越高，從而導(dǎo)致井下采場(chǎng)脫水較難。因此，在采用管道自流輸送的充填料漿其質(zhì)量濃度均偏低，達(dá)不到采場(chǎng)充填強(qiáng)度的要求，國(guó)內(nèi)大部分充填自流輸送礦山均采用分級(jí)尾砂，以保證料漿脫水速度，更有利于充填體的固結(jié)。

表1 充填攪拌用水成分分析Table 1 Composition analysis of filling water

表2 尾砂粒級(jí)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 StatisticalTable for grain size analysis of tailings

圖1 分級(jí)尾砂粒級(jí)分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of grading tailings

圖2 全尾砂粒級(jí)分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of full tailings

2 鹵水對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

2.1 試驗(yàn)方案

為了探究鹵水對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律及機(jī)制，按照灰砂比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶16五種配比制作充填體試塊，同時(shí)每種配比充填體試塊采用鹵水和自來(lái)水分別制作，自來(lái)水作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)與鹵水進(jìn)行比較。澆筑充填體的充填料漿質(zhì)量濃度為70%，采用磨具在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm正方體試塊，為了保證養(yǎng)護(hù)條件與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相同，充填體試塊的養(yǎng)護(hù)溫度為28±1 ℃，相對(duì)濕度為90%。

為了探究不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于充填體強(qiáng)度的影響，分別對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、14 d、28 d下的充填體試塊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

2.2 尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化規(guī)律

當(dāng)充填體試塊達(dá)到設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，每種配比測(cè)試3個(gè)試樣，取其平均值。表3為強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。采用數(shù)據(jù)回歸的方法對(duì)不同充填攪拌用水條件下不同灰砂比的充填體試塊在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到充填體強(qiáng)度的擬合曲線(圖3～7)。

表3 充填在不同齡期下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Strength test results of filling at different ages

圖3 灰砂比為1∶6的充填體試塊強(qiáng)度擬合曲線Fig.3 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶6

圖4 灰砂比為1∶8的充填體試塊強(qiáng)度擬合曲線Fig.4 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶8

圖5 灰砂比為1∶10的充填體試塊強(qiáng)度擬合曲線Fig.5 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶10

圖6 灰砂比為1∶12的充填體試塊強(qiáng)度擬合曲線Fig.6 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶12

圖7 灰砂比為1∶16的充填體試塊強(qiáng)度擬合曲線Fig.7 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶16

從圖3～7可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，充填試塊的強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，充填體試塊強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈乘冪函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系式為Rc=atb,從圖中可以看出，各灰砂比配比下曲線擬合優(yōu)度R2均在0.98以上，說(shuō)明擬合精度較高。

相同充填攪拌水條件下，隨著灰砂比的提高，充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)增加的速度越快。將擬合函數(shù)Rc=atb中的a為擬合曲線的斜率，其物理意義可看作強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率大小。當(dāng)充填攪拌用水為鹵水時(shí)，隨著灰砂比的增大，其a值迅速增大，當(dāng)灰砂比為1∶16時(shí)，a值僅為0.070；灰砂比1∶6時(shí)，a的值達(dá)到了0.4069。當(dāng)攪拌用水為自來(lái)水時(shí)，與鹵水條件下表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

在相同灰砂比條件下，當(dāng)攪拌用水為鹵水時(shí)，在早期齡期養(yǎng)護(hù)下(7 d以下)，其充填體強(qiáng)度高于攪拌用水為自來(lái)水條件下的充填體強(qiáng)度，但二者相差不大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，自來(lái)水拌合的充填體試塊強(qiáng)度大于鹵水拌合試塊的強(qiáng)度。

結(jié)合礦山實(shí)際情況，采用分層膠結(jié)充填法的礦山，通常在充填體充至井下7 d左右，用于采礦的鑿巖設(shè)備和出礦設(shè)備將進(jìn)入采場(chǎng)，在充填體上進(jìn)行采礦作業(yè)，因此，將鹵水作為充填攪拌用水，有利于提高充填體的早期強(qiáng)度，有利于充填體的早期穩(wěn)定。

2.3 充填體強(qiáng)度影響因素極差分析

上述充填體強(qiáng)度試驗(yàn)中，充填體試塊的強(qiáng)度主要受充填體攪拌用水、養(yǎng)護(hù)齡期及配合比這3個(gè)因素的影響，為了對(duì)上述3個(gè)因素的影響程度進(jìn)行分析，采用極差分析的方法對(duì)影響充填體強(qiáng)度的3個(gè)因素進(jìn)行分析，對(duì)3個(gè)影響因素的重要程度進(jìn)行排序，為井下提高充填體強(qiáng)度、改善充填效果提供指導(dǎo)。

不同齡期、不同充填攪拌用水、不同灰砂比下的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，由于3個(gè)影響因素的水平數(shù)不相同，水平數(shù)多的因素其極差R往往更大一些，因而直接采用極差R進(jìn)行分析其結(jié)果難易保證其準(zhǔn)確性，采用折算系數(shù)d對(duì)不同影響因素水平數(shù)的極差R進(jìn)行折算處理，折算系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 折算系數(shù)表Table 4 Conversion coefficient

根據(jù)表3，灰砂比(A因素)為5水平，因此dA=0.40，養(yǎng)護(hù)齡期(B因素)為4水平，因此dB=0.45，充填攪拌用水(C因素)為2水平，因此dC=0.71，通過(guò)對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差計(jì)算，得出RA=0.795，RB=1.630，RC=0.564，將表3中的折算系數(shù)對(duì)計(jì)算的極差R按照式(1)進(jìn)行折減。

(1)

式中：R′為折算后的極差；d為折算系數(shù)；r為因素水平數(shù)；R為折算前的極差。

將數(shù)據(jù)帶入式(1)可得灰砂比(A因素)、養(yǎng)護(hù)齡期(B因素)和充填攪拌用水(C因素)折算的極差，分別見(jiàn)式(2)、式(3)和式(4)。

(4)

圖8 XRD衍射圖Fig.8 XRD diffraction pattern

2.4 鹵水對(duì)充填體強(qiáng)度的影響機(jī)理

水泥的水化產(chǎn)物主要為C—S—H凝膠、氫氧鈣石(Ca(OH)2)和鈣礬石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，其中C—S—H凝膠提高膠結(jié)強(qiáng)度起關(guān)鍵作用，而Ca(OH)2能促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，從而提高充填體的早期強(qiáng)度，而CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的產(chǎn)生則對(duì)充填體的長(zhǎng)期強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖9為灰砂比為1∶6、1∶10拌合水為自來(lái)水和鹵水條件下養(yǎng)護(hù)28 d的充填體電鏡掃描圖片。從圖9中可以看出，用灰量不同對(duì)于其微觀形貌特性的影響比較明顯，水泥用量大的試樣針狀和絮凝狀物質(zhì)明顯，而水泥用量小的試樣不能看出針狀物，僅有少量絮狀物。

圖9 充填體試塊的掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron micrograph of the filling block

3 結(jié) 論

1) 鹵水有利于提高充填體早期強(qiáng)度，但對(duì)其長(zhǎng)期強(qiáng)度造成影響。

2) 通過(guò)研究充填體試塊強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系，得出二者呈乘冪函數(shù)關(guān)系。

3) 通過(guò)極差分析，養(yǎng)護(hù)齡期為影響充填體強(qiáng)度的主要因素，配合比影響最小。

4) 通過(guò)XRD衍射分析得出，在充填體試塊養(yǎng)護(hù)齡期早期，鹵水條件下C—S—H凝膠和Ca(OH)2的衍射峰數(shù)量較多是造成充填體早期強(qiáng)度較高的原因。