李立濤，高謙，陳得信，吳凡

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌，737100)

充填法采礦既可處理廢石、尾砂等固體廢棄物，又能降低礦石損失貧化率和提高資源回收率，同時(shí)還能降低開采對(duì)資源的破壞，實(shí)現(xiàn)安全、高效和綠色開采，是礦產(chǎn)資源開發(fā)和綠色循環(huán)發(fā)展的重要途徑。但以水泥作為膠凝材料的充填采礦成本居高不下，成為制約充填采礦法推廣應(yīng)用的重要因素之一[1]。尋求低成本和高性能的新型充填膠凝材料，是近年來(lái)充填采礦技術(shù)研究的熱點(diǎn)[2-3]。研究者以高爐水淬礦渣為主要組分，采用硫酸鹽材料(脫硫石膏、芒硝等)和堿性材料(熟料、生石灰、水玻璃等)對(duì)礦渣微粉潛在活性進(jìn)行復(fù)合激發(fā)，生成膠凝性物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)充填膠結(jié)作用[4-6]，由此開發(fā)出替代水泥的低成本膠凝材料。石膏在傳統(tǒng)膠凝體系中不僅具有緩凝作用，而且適量添加還有利于鈣礬石(AFt)的生成，由此顯著提高膠結(jié)體的早期強(qiáng)度[7]，尤其在堿性環(huán)境中更能充分發(fā)揮硫酸鹽的活性激發(fā)作用[8]。但過(guò)量摻加石膏則會(huì)引起水泥早期緩凝[9]，降低膠結(jié)體早期強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，在大摻量礦渣膠凝體系中，石膏補(bǔ)加可提高水化初期Ca(OH)2和AFt 的生成量，增加結(jié)石體的致密程度，克服水泥中單摻礦渣存在早期強(qiáng)度偏低的缺點(diǎn)[10]；石膏和熟料共同激發(fā)礦渣潛在的活性比單熟料激發(fā)礦渣更能加快礦渣的水化反應(yīng)速度[11]，較低熟料摻量(5%~10%)與較高石膏摻量(10%~15%)更能促進(jìn)材料強(qiáng)度的發(fā)展[12]。石膏對(duì)礦渣-高摻量熟料(17%以上)體系的作用表明，適量加入石膏可有效提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度[13]。以上研究均未揭示同種激發(fā)劑不同配比對(duì)膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響。礦山充填材料朝著低成本高效綠色方向發(fā)展，大量具有火山灰質(zhì)的工業(yè)固體廢物應(yīng)用于膠結(jié)充填，因此，有必要對(duì)石膏-熟料復(fù)合激發(fā)大摻量礦渣基充填膠凝材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示石膏、熟料質(zhì)量比對(duì)大摻量礦渣(80%以上)充填膠結(jié)體不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水化產(chǎn)物的影響規(guī)律，從而針對(duì)不同充填采礦方法，合理選取激發(fā)劑配比，為工業(yè)生產(chǎn)大摻量礦渣新型充填膠凝材料提供參考。

1 材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料

1.1.1 充填骨料

試驗(yàn)材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。戈壁砂采集于哈密地區(qū)黃土坡礦周邊戈壁，密度為2.67 g/cm3，孔隙率為40.64%。尾砂為哈密黃土坡礦選礦尾砂。由表1可知：戈壁砂和全尾砂的主要組成為SiO2，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，屬于惰性材料。dx為含量小于x%時(shí)的顆粒粒徑，x取值為10，50 和90，經(jīng)計(jì)算可知，戈壁砂和全尾砂特征粒徑d10分別為19.2 μm和48.0 μm，d50為984.30 μm 和185.28 μm，d90為6 288.4 μm 與615.8 μm，加權(quán)平均粒徑dav為1 413.8 μm 和300.2 μm。若以戈壁砂為單一骨料，粒徑小于20 μm顆粒占比較高，達(dá)到10%，對(duì)充填料漿的流動(dòng)性不利[14]；若以全尾砂作為單一骨料，90%的顆粒粒徑小于615.8 μm，從堆積密實(shí)度的角度難以形成充填體骨架結(jié)構(gòu)。將戈壁砂與全尾砂按質(zhì)量比1:1 混合，粒徑小于20 μm 顆粒占比降低到5%左右，粒徑小于2.36 mm 顆粒達(dá)到16%，泰波指數(shù)為0.4，級(jí)配較好，可作為充填骨料[15]。

1.1.2 膠凝材料

礦渣微粉為哈密市大安特鋼公司立磨生產(chǎn)的高爐水淬渣。熟料取自哈密地區(qū)，脫硫石膏為哈密南湖電廠濕法煙氣脫硫副產(chǎn)品，烘干后經(jīng)直徑為500 mm、高為500 mm 的試驗(yàn)小磨分別粉磨后，制備得到相應(yīng)的粉體。采用LS-POP(9)激光粒度儀測(cè)試各粉體的粒度，如圖1所示。由圖1(a)可知：各粉體顆粒連續(xù)性較好，熟料、石膏、礦渣微粉平均粒徑分別為23.11，29.42和16.76 μm，礦渣微粉的RRB模型特征參數(shù)De為8.05，顆粒分布指數(shù)n為1.3，因此，顆粒分布均勻，其粒徑分布適合作為膠凝材料主要材料[16]。膠凝材料X線衍射分析見(jiàn)圖1。參照GB/T203—2008“用于水泥中的?；郀t礦渣”規(guī)定，由表1可知：大安特鋼礦渣微粉堿度系數(shù)為1.18，質(zhì)量系數(shù)K為1.64，質(zhì)量系數(shù)較高，其主要化學(xué)成分與熟料相近，以CaO，SiO2和Al2O3等為主，但各氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)別較大，熟料氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而礦渣中二氧化硅含量偏高，含鈣量低。礦渣以玻璃形態(tài)存在，含少量鎂黃長(zhǎng)石和鎂薔薇輝石結(jié)晶體，熟料主要由硅酸三鈣(C3S)組成，含一定量的硅酸二鈣(C2S)和鋁酸三鈣(C3A)；脫硫石膏主要成分為CaO 和SO3，以二水硫酸鈣的形式存在，含少量的半水硫酸鈣。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Chemical composition of test materials %

圖1 膠凝材料粒徑分布及XRD分析結(jié)果Fig.1 Particle size cumulative curve of slag powder and XRD analysis results

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 膠凝材料配比

實(shí)驗(yàn)所用膠凝材料由礦渣、熟料、石膏配制而成，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

表2 膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table2 Mass fractions of cementing material %

1.2.2 充填體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定

礦山膠結(jié)充填體相對(duì)建筑用混凝土的品質(zhì)要求較低，因此，將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為衡量礦渣基膠結(jié)充填體性能最重要的指標(biāo)。有關(guān)文獻(xiàn)表明，即便膠結(jié)體用于頂板支護(hù)，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也只需達(dá)到4 MPa[17]。充填骨料為戈壁砂和全尾砂按質(zhì)量比1:1混合，料漿膠砂質(zhì)量比為1:4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%，參照GB/T 50081—2002“普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”，采用邊長(zhǎng)為100 mm 的立方鑄鐵三聯(lián)試模制備膠砂試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，成型24 h后脫模繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至待測(cè)齡期，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

1.2.3 分析樣品制備及測(cè)試

為了便于水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，檢測(cè)樣品為凈漿試樣，水灰質(zhì)量比為0.4，制備邊長(zhǎng)為30 mm的立方凈漿試樣并養(yǎng)護(hù)至所需齡期。當(dāng)試樣達(dá)到待測(cè)齡期后，為保證樣品的均一與可靠性，刮除表面碳化層，取內(nèi)部塊體若干，先用無(wú)水乙醇清洗2次以盡可能地除去明顯的水澤，然后浸泡24 h，終止其水化，在40 ℃條件下烘干，得到1個(gè)較平整的自然斷面，用砂紙磨平自然斷面的相對(duì)面，吹去表面浮灰，制得塊狀樣品，剩余部分研磨至粒徑小于75 μm，制得粉體樣品；取粉體樣品，采用日本理學(xué)RigakuD/Max-RC粉晶X線衍射儀進(jìn)行XRD 分析，采用德國(guó)Netzsch STA 449C 熱重-差熱分析儀進(jìn)行差熱分析；取塊狀樣品，采用德國(guó)Suppatm55場(chǎng)發(fā)射電鏡(配套能譜儀EDX)對(duì)水化產(chǎn)物微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 石膏-熟料配比對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響

充填體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石膏-熟料復(fù)合摻量的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：充填體各齡期抗壓強(qiáng)度隨石膏-熟料配比的增加先增大后減小；當(dāng)復(fù)合激發(fā)劑摻量為20%，15%和10%，石膏與熟料質(zhì)量為1:4 時(shí)，充填體3 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為0.94，1.05和0.95 MPa，當(dāng)石膏與熟料質(zhì)量比為3:2，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，7 d 抗壓強(qiáng)度分別為2.59，2.75和2.24 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度分別為8.61，7.22和6.78 MPa。

對(duì)比試樣T1和T2，T6和T7，T11和T12(即各曲線中的第1 和第2 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，后者3 d 抗壓強(qiáng)度較前者分別增加了36.1%，7.4%和7.7%，而在T2，T7和T12之后，3 d抗壓強(qiáng)度隨石膏與熟料質(zhì)量比的增加明顯減小。當(dāng)?shù)V渣摻量為85%和90%，石膏與熟料質(zhì)量比為4:1時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度為0 MPa；當(dāng)?shù)V渣摻量為80%時(shí)，3 d 抗壓強(qiáng)度為0.38 MPa。這說(shuō)明適量的石膏-熟料有利于充填膠結(jié)體早期強(qiáng)度的提高。隨著石膏與熟料的質(zhì)量比不斷增加，7 d 和28 d充填體抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)石膏與熟料質(zhì)量比為3:2時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；而在礦渣摻量相同的情況下，同組的3 d抗壓強(qiáng)度卻很小，當(dāng)石膏摻量較大時(shí)，充填體早期抗壓強(qiáng)度雖受到影響，但有助于中后期抗壓強(qiáng)度的明顯提高。

圖2 石膏-熟料質(zhì)量比對(duì)充填體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of gypsum and clinker mass ratios on unconfined compressive strength of filling body

2.2 水化產(chǎn)物種類研究

為了考察石膏-熟料質(zhì)量比對(duì)水化產(chǎn)物種類的影響，對(duì)不同齡期試樣T6(未摻加石膏)，T7(石膏與熟料質(zhì)量比為4:1)和T9(石膏與熟料質(zhì)量比為2:3)的水化產(chǎn)物進(jìn)行X 線衍射分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：各組不同齡期試樣的水化產(chǎn)物衍射峰基本一致，只是衍射峰強(qiáng)弱有差異。除礦渣中含有的鎂薔薇輝石和鎂黃長(zhǎng)石外，T6的水化產(chǎn)物還包括水化鋁酸鈣(C4AH13)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、方解石(CaCO3)和硅酸三鈣(Ca3SiO5)等；T7中有明顯的AFt生成，未見(jiàn)水化鋁酸鈣，其他水化產(chǎn)物和T6的相同； T9中同時(shí)可見(jiàn)未參與反應(yīng)的二水石膏(CaSO4·2H2O)和半水石膏(CaSO4·0.5H2O)，T7中 可見(jiàn)(Ca(OH)2)，T9中其余水化物與T7中的相同，未發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2與Ca3SiO5衍射峰。

T6不同齡期水化產(chǎn)物未檢測(cè)到AFt，T7試樣3d齡期水化產(chǎn)物，T7與T9試樣28 d 齡期水化產(chǎn)物中未檢測(cè)到結(jié)晶物質(zhì)C4AH13，說(shuō)明石膏的加入促使C4AH13轉(zhuǎn)化為AFt[18]；相比于T6與T7，T9不同齡期的水化產(chǎn)物中可見(jiàn)二水石膏(CaSO4·2H2O)和半水石膏(CaSO4·0.5H2O)，說(shuō)明當(dāng)石膏與熟料質(zhì)量比為3:2時(shí)，相對(duì)T7該體系中有石膏剩余，28 d時(shí)余量較小；3 d 時(shí)，T7中Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度比T6的大，而T9試樣中因?yàn)槭炝蠐搅枯^低，早期水化僅生成較少的C-S-H 凝膠和Ca(OH)2，而礦渣水化需要Ca(OH)2

[18]，導(dǎo)致T9各齡期未檢測(cè)到Ca(OH)2。隨著齡期的發(fā)展，Ca(OH)2與石膏共同作用，與礦渣中活性Al2O3按如下過(guò)程進(jìn)行反應(yīng)形成AFt[19]：

從3 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律來(lái)看，早強(qiáng)作用體現(xiàn)在AFt上：加入適量石膏，促使AFt生成，同時(shí)消耗了部分Ca(OH)2；隨著齡期推移，由于石膏的存在，T9的AFt 衍射峰強(qiáng)度比T7的大，后期(28 d)抗壓強(qiáng)度增大。

2.3 水化產(chǎn)物TG-DSC 分析

圖4所示為3 組試樣凈漿試塊養(yǎng)護(hù)3 d 和28 d的熱重-差熱分析(TG-DSC)曲線。由圖4可以看出：在3 d 熱分析曲線中，T6的DSC 曲線在90 ℃左右的峰為C-S-H 脫水的吸熱峰，150 ℃的峰為C4AH13分解的吸熱峰，450 ℃左右的峰為Ca(OH)2分解的吸熱峰；850 ℃出現(xiàn)較明顯的放熱峰，是由C-S-H凝膠發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成β-硅灰石引起[20]；在T7與T9中，未看到C4AH13分解的吸熱峰，115 ℃左右的吸熱峰為AFt分解所引起，T9在140 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰，是未參與反應(yīng)的二水石膏(CaSO4·2H2O)脫去1.5 個(gè)結(jié)晶水，轉(zhuǎn)化為半水石膏(CaSO4·0.5H2O)所致[20-21]，而T7中未看到該峰，說(shuō)明T7在3 d時(shí)石膏已全部參與反應(yīng)，T9在450 ℃左右未出現(xiàn)Ca(OH)2分解的吸熱峰，表明體系中實(shí)際存在的Ca(OH)2很少，這與XRD 分析結(jié)果一致。此外，在28 d 的DSC 曲線中，T6，T7和T9均在90 ℃左右明顯出現(xiàn)C-S-H脫水的吸熱峰，可認(rèn)為隨著石膏的溶解，溶液中Ca2+逐漸增多[18]，在中后期加快礦渣水化形成C-S-H的速度，而早期(3 d)膠凝物質(zhì)以鈣礬石生成為主，未發(fā)現(xiàn)C-S-H的吸熱峰，T9中未發(fā)現(xiàn)少量二水石膏的脫水吸熱峰。

圖3 水化產(chǎn)物物相分析結(jié)果Fig.3 Phase analysis results of hydration products

圖4 不同試樣TG-DSC曲線Fig.4 TG-DSC curves of different specimens

試樣T6與T7在3 d 齡期Ca(OH)2的質(zhì)量損失率分別為0.41%與0.36%，在28 d 齡期Ca(OH)2的質(zhì)量損失率分別為0.54%與0.39%；隨著石膏與熟料質(zhì)量比的增大，即熟料摻量減少，水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成量逐漸減少。除過(guò)量的石膏吸熱脫水外，一般認(rèn)為100 ℃到300 ℃中間范圍試樣的質(zhì)量損失主要是C-S-H 與AFt 脫水造成[20,22]，因此，T6試樣在3 d 與28 d 膠凝物質(zhì)總質(zhì)量損失率分別為1.03%與5.04%，T7的分別為3.93%與6.38%，T9的分別為3.85%與8.29%，3 d齡期質(zhì)量損失率從大到小依次為T7，T9和T6，28 d齡期質(zhì)量損失率從大到小依次為T9，T7和T6。上述結(jié)果表明：隨著反應(yīng)齡期的增加，體系中C-S-H凝膠與鈣礬石的數(shù)量也不斷增加，復(fù)合激發(fā)大摻量礦渣相比單一的熟料激發(fā)生成的膠凝物質(zhì)量大；當(dāng)石膏與熟料質(zhì)量比較小時(shí)，3 d 齡期產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)較多，而當(dāng)二者質(zhì)量比較大時(shí)，28 d齡期產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)更多。

2.4 水化產(chǎn)物微觀形貌研究

為了從微觀角度研究石膏與熟料質(zhì)量比的影響，利用掃描電鏡分析T6，T7和T9凈漿試樣水化產(chǎn)物形貌的差異性，結(jié)合配套能譜分析儀對(duì)各組28 d 水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠的鈣硅比進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

從圖5可見(jiàn)：從T6試樣中可觀察到疊片狀的Ca(OH)2穿插在漿體結(jié)構(gòu)中，絮團(tuán)狀C-S-H 凝膠包裹在未水化的礦渣顆粒上面，未發(fā)現(xiàn)針棒狀的鈣礬石；T7中不僅出現(xiàn)針棒狀A(yù)Ft，未水化的礦渣顆粒表面可發(fā)現(xiàn)C-S-H凝膠，漿體結(jié)構(gòu)中也能看到疊片狀的Ca(OH)2；相比T6和T7，T9中可見(jiàn)大量的針棒狀鈣礬石，少量絮團(tuán)狀的C-S-H凝膠附著在未水化的礦渣顆粒表面，由于熟料摻量小，早期未發(fā)現(xiàn)明顯的Ca(OH)2結(jié)晶體存在，可見(jiàn)石膏顆粒的存在。

從圖6可見(jiàn)：隨著齡期的發(fā)展，各組28 d水化產(chǎn)物相比3 d 時(shí)逐漸增多，凈漿試塊相對(duì)密實(shí)；T6中可見(jiàn)熟料水化產(chǎn)物疊片狀的Ca(OH)2穿插在漿體結(jié)構(gòu)中，絮團(tuán)狀C-S-H凝膠賦存在表面，也有部分未水化的棱狀礦渣顆粒；相較T7的3 d 水化產(chǎn)物，28 d 水化產(chǎn)物中未看到明顯的針棒狀鈣礬石，而XRD 產(chǎn)物中有鈣礬石的衍射峰。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，C-S-H凝膠及未水化的礦渣顆粒形成的結(jié)構(gòu)體包裹了少量的鈣礬石，可看到少量的Ca(OH)2存在于漿體結(jié)構(gòu)中。在T9中可觀察到鈣礬石的存在，生成量比T7的多，除此之外，可看到大量凝膠和鈣礬石結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)比T6和T7的密實(shí)；隨著熟料摻量的增加，28 d產(chǎn)物C-S-H凝膠的鈣硅比(Ca/Si)由T6時(shí)的1.804 減小到T7時(shí)的1.621，T9時(shí)的1.559?？梢?jiàn)石膏和熟料不同質(zhì)量比導(dǎo)致早期結(jié)構(gòu)中水化產(chǎn)物種類不同，石膏的加入促使?jié){體中針棒狀A(yù)Ft的生成，熟料的摻量影響早期漿體中C-S-H凝膠鈣硅比及Ca(OH)2的生成量。

2.5 綜合分析

石膏與熟料質(zhì)量比對(duì)大摻量充填體膠結(jié)體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有顯著影響，可反映在水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)上。即使減少熟料的摻量，當(dāng)少量石膏加入時(shí)，可生成鈣礬石，使充填體早期抗壓強(qiáng)度提高，例如T7；隨著石膏摻量的增加，熟料減少，早期水化產(chǎn)物中C-S-H 凝膠及Ca(OH)2生成量明顯減少，T9中未觀察到Ca(OH)2，因?yàn)樯倭康腃a(OH)2均參與到礦渣的水化之中，但隨著齡期的不斷推移，大量的礦渣解離，石膏與礦渣中解離出的Al3+共同作用，生成大量的鈣礬石。當(dāng)熟料摻量少；當(dāng)石膏摻量較大時(shí)，雖對(duì)充填體早期強(qiáng)度有明顯的影響，甚至3 d 抗壓強(qiáng)度為0 MPa，但有助于后期抗壓強(qiáng)度的提高，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度來(lái)看，大量固廢石膏的使用也是有利的。充填采礦法對(duì)膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度要求不盡相同，下向充填法對(duì)早期抗壓強(qiáng)度要求較高，而嗣后充填法則對(duì)充填體后期強(qiáng)度要求較高，通過(guò)對(duì)不同石膏與熟料質(zhì)量比復(fù)合激發(fā)的機(jī)理進(jìn)行研究，可根據(jù)礦山充填法的不同而合理選取石膏與熟料質(zhì)量比。

圖5 凈漿試樣3 d齡期水化產(chǎn)物形貌Fig.5 Morphology of hydration products of paste sample of 3 d

3 工業(yè)化應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)不同石膏與熟料復(fù)合激發(fā)配比試驗(yàn)及對(duì)復(fù)合激發(fā)大摻量礦渣新型充填膠凝材料水化產(chǎn)物的研究，基于金川礦山下向分層進(jìn)路充填采礦法對(duì)充填體早期抗壓強(qiáng)度的要求，3 d 抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于1.5 MPa，故采用多熟料-少石膏的復(fù)合激發(fā)作用，選擇熟料與石膏質(zhì)量比為4:1，新型充填膠凝材料的配比如下：熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，脫硫石膏為3%，酒鋼礦渣為85%，由金昌市熙金節(jié)能建材有限公司采用規(guī)格為直徑×長(zhǎng)度為3.2×13.0 m 的球磨機(jī)進(jìn)行工業(yè)化混磨生產(chǎn)。經(jīng)測(cè)量，粉體比表面積為468 m2/kg，45 μm篩余量為3.2%。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)充填料漿參數(shù)如下：料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，膠凝材料用量為300 kg/m3，充填骨料采用質(zhì)量比m(棒磨砂):m(廢石):m(戈壁粗砂)為0.63:0.23:0.14 的混合骨料，混合骨料密度為2.685 t/m3。由于工業(yè)實(shí)際充填料漿參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，本文開展膠凝材料添加量分別為290，300 和310 kg/m3，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為79%，80%和81%的室內(nèi)充填試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)至不同齡期測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知：基于工業(yè)生產(chǎn)的新型充填膠凝材料，在不同添加量、不同料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，3 d，7 d 和28 d 各齡期均滿足金川礦山對(duì)充填體的要求強(qiáng)度，3 d，7 d和28 d平均抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到2.6，5.5和9.3 MPa，分別為要求強(qiáng)度的1.73倍，2.20倍和1.86 倍，具有一定的富裕系數(shù)與可靠性。各齡期抗壓強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，隨固結(jié)粉添加量的變化而在一定范圍內(nèi)變化，均可滿足充填體強(qiáng)度要求，可適應(yīng)工業(yè)充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)上下波動(dòng)的變化。

圖7 室內(nèi)適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Laboratory adaptability test results

3.2 井下進(jìn)路充填實(shí)驗(yàn)

3.2.1 進(jìn)路及充填線路

本次工業(yè)充填進(jìn)路為龍首礦采礦二工區(qū)1235分段27 行采場(chǎng)13 分層EW03 進(jìn)路，充填量為2 600 m3。E03進(jìn)路全長(zhǎng)65 m，W03進(jìn)路全長(zhǎng)37 m，EW03進(jìn)路頂寬4 m，底寬4 m，腰寬6.5 m，高5 m，均為單封高進(jìn)路。試驗(yàn)所需材料見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)進(jìn)路所需充填材料Table3 Filling materials for the test route

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)充填結(jié)果

經(jīng)過(guò)8 h的連續(xù)作業(yè)，2條進(jìn)路均已完成充填，料漿自流輸送過(guò)程流動(dòng)性良好，未出現(xiàn)堵管及流量上下波動(dòng)較大等情況。工業(yè)充填時(shí)，從充填站攪拌桶，充填鉆孔入口處獲取工業(yè)充填料漿并澆筑成試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度，3 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.7 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)10.6 MPa，遠(yuǎn)高于工業(yè)充填的強(qiáng)度要求。井下采場(chǎng)3 d 后揭露側(cè)幫，28 d鉆芯取樣。取下充填體之后加工成邊長(zhǎng)為7.07 cm的立方塊，測(cè)定抗壓強(qiáng)度為11.5 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)符合技術(shù)要求。

4 結(jié)論

1)當(dāng)復(fù)合激發(fā)劑摻量為10%，15%和20%，石膏與熟料質(zhì)量比為1:4 時(shí)，充填體3 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為0.94，1.05和0.95 MPa；當(dāng)石膏與熟料質(zhì)量比為3:2，充填體7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最大，7 d 抗壓強(qiáng)度分別為2.59，2.75 和2.24 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度分別為8.61，7.22和6.78 MPa。石膏的加入有助于充填體早期強(qiáng)度的提高，熟料摻量減少雖使早期強(qiáng)度受到影響，但由于石膏的存在可提高后期強(qiáng)度。

2)石膏與熟料的質(zhì)量比對(duì)凈漿體結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物種類、數(shù)量及結(jié)構(gòu)的影響較大。隨著石膏摻量不斷增加，促使結(jié)構(gòu)中AFt生成，而少量的熟料導(dǎo)致漿體中Ca(OH)2減少，并且全部參與到礦渣的水化反應(yīng)之中。T6試樣3 d與28 d膠凝物質(zhì)總質(zhì)量損失率分別為1.03%與5.04%，T7分別為3.93%與6.38%，T9分別為3.85%與8.29%，3 d 齡期試樣質(zhì)量損失率從大到小的試樣依次為T7，T9和T6，28 d齡期試樣質(zhì)量損失率依次為T9，T7和T6。在后期，T9試樣中由于鈣礬石的存在，生成量比T7的多，除此之外，大量凝膠和鈣礬石結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)較T6和T7的更密實(shí)。

3)采用熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的復(fù)合激發(fā)劑配比進(jìn)行新型充填膠凝材料工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，所得充填體3 d 抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.6 MPa，滿足金川礦山對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。