楊曉炳 高 謙 王永定 何建元
(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京100083;2.金川集團股份公司龍首礦,甘肅金昌737100)
金川鎳礦是一座高地應(yīng)力、深埋和礦巖破碎的大型難采礦山,故而采用下向分層進路膠結(jié)充填法開采。為了確保在膠結(jié)充填體頂板下安全作業(yè),膠結(jié)充填體3、7、28 d設(shè)計強度需達到1.5、2.5、5.0 MPa。針對金川礦區(qū)充填體強度要求,以棒磨砂為骨料,以水泥為膠凝材料,采用1∶4膠砂比和78%高濃度料漿自流輸送采礦技術(shù),充填材料成本高達147元/m3,為國內(nèi)外少見。為了降低充填采礦成本,姚維信[1]和袁國斌等[2]開展了廢石粗骨料充填技術(shù)研究。針對粗骨料料漿存在的分層離析問題,王永定等[3]、程緯華[4]開展了粗骨料充填料漿管道自流輸送技術(shù)研究,結(jié)果表明:骨料中含有一定比例的(15%~20%)細骨料是有效控制粗骨料料漿分層離析的必要條件;瞿亮等[5-6]、陳昱光[7]、何建元等[8]、陳寅等[9]分別開展了廢石與粉煤灰、銅選尾砂、尾砂和冶煉渣等混合骨料的膠結(jié)充填強度試驗研究??紤]到充填膠凝材料成本占充填采礦成本的主要部分,楊志強等[10]、李立濤等[11]分別利用酒鋼公司礦渣和金川公司固體廢棄物,開展了固結(jié)粉新型充填膠凝材料開發(fā),并獲得成功,已經(jīng)在龍首礦進行了工業(yè)化應(yīng)用;楊志強等[12]、高謙等[13]在此基礎(chǔ)上,進一步開展了混合骨料充填料漿優(yōu)化配比研究。此外,楊志強等[14-15]對金川充填采礦中固體廢棄物資源化利用存在問題進行了分析,并對該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進行了展望,認為固體廢棄物在充填采礦中的應(yīng)用,是降低充填采礦成本和提高充填采礦經(jīng)濟效益的必由之路[16-20],亟待在金川公司其他礦山推廣應(yīng)用??紤]到金川礦區(qū)充填法采礦技術(shù)對充填體早期強度要求高,借鑒水泥膠凝材料添加早強劑的充填工藝,針對固結(jié)粉新型膠凝材料以及廢石—棒磨砂混合骨料,開展了混合骨料優(yōu)化配比試驗以及早強劑對膠結(jié)充填體強度的影響研究,為固結(jié)粉和廢石骨料充填技術(shù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
金川礦區(qū)采用棒磨砂和廢石混合骨料進行充填采礦作業(yè)。通過廢石、棒磨砂進行粒度分析,得到如圖1所示的金川礦區(qū)-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粒徑分布曲線。棒磨砂和廢石骨料的粒徑分布特征參數(shù)如表1所示。
由圖1、表1可知:1#和2#樣品顆粒分布存在差異,棒磨砂1#樣品含有0.15~2.36 mm的細顆粒較多,棒磨砂2#樣品含有3.26~9.5 mm中細顆粒較多;與散體顆粒Fuller理想級配曲線對比發(fā)現(xiàn),棒磨砂2#樣品-3 mm的顆粒含量偏多,而+3 mm顆粒含量偏少,其與廢石混合充填有助于提高粗骨料密實度。由棒磨砂、廢石的2#樣品ASTM標準篩和全粒徑曲線得出的泰波冪指數(shù)n存在較大差異,但其粒徑基本特征參數(shù)變化不大。由此認為,-0.075 mm顆粒含量小于10%,導(dǎo)致d10、d30、d50、d60、d90分布在可篩分的范圍內(nèi),根據(jù)兩種級配特征曲線插值求出的 d10、d30、d50、d60、d90沒有區(qū)別。
針對金川礦區(qū)廢石和棒磨砂兩種骨料,按不同配比混合進行篩分,得到如圖2所示的混合骨料粒徑分布特征曲線,混合骨料粒徑分布特征值與棒磨砂含量的關(guān)系曲線如圖3所示。分析圖2、圖3可知:混合骨料粒徑分布特征值不均勻系數(shù)(Cc)、曲率系數(shù)(Cu)和n值均隨著棒磨砂摻量的增多呈下降趨勢。
針對不同配比的廢石—棒磨砂混合骨料進行堆積密度試驗,并根據(jù)廢石密度2.66 g/cm3、棒磨砂密度2.67 g/cm3計算混合骨料的堆積密實度。堆積密實度與廢石含量之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知:隨著廢石含量增加,混合骨料堆積密實度和泰波指數(shù)n值隨之增大。當廢石含量為40%時,堆積密實度和泰波指數(shù)n值分別達到0.635和0.591;隨著廢石含量進一步增加,混合骨料堆積密實度和泰波冪指數(shù)均呈降低趨勢。綜合分析混合骨料的堆積密實度和泰波冪指數(shù)可知:當廢石摻量為40%時,廢石—棒磨砂混合骨料的粒徑級配最佳,相應(yīng)堆積密實度達到最大,其泰波分布指數(shù)n約0.6??梢?,廢石—棒磨砂配比為4∶6時混合骨料粒徑級配優(yōu)良,泰波理論指數(shù)為0.6,堆積密實度為0.635。
-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粗骨料按照廢石含量10%~50%配比混合,根據(jù)金川礦區(qū)充填系統(tǒng)與工業(yè)參數(shù),采用膠砂比為1∶5和料漿濃度為79%~81%,開展添加和不添加早強劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)體強度試驗。
無早強劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料膠結(jié)體強度試驗結(jié)果如表2所示。3種濃度的膠結(jié)充填體平均強度與廢石含量的關(guān)系曲線如圖5所示。綜合分析圖2及圖5可知:充填體早期強度(3 d、4 d)隨著廢石含量增加呈降低趨勢,但后期強度(7 d、28 d)隨著廢石含量增加而提高;當廢石含量達到40%左右時,強度達到最高,而后隨著廢石含量增加而降低。由此可知:廢石含量為40%的混合骨料堆積密實度最大,膠結(jié)充填體強度達到最高。顯然,混合骨料的粒徑級配影響膠結(jié)充填體強度。3種料漿濃度3、7、28 d平均強度分別達到1.23、3.79、5.98 MPa。由此可見,無早強劑固結(jié)粉混合骨料的膠結(jié)體7 d和28 d強度均分別大于2.5 MPa和5.0 MPa,但早期強度小于1.5 MPa。顯然,充填體的早期強度低是制約固結(jié)粉膠凝材料和廢石充填技術(shù)推廣應(yīng)用的難題。
添加早強劑固結(jié)粉膠結(jié)體強度試驗結(jié)果見表3。3種料漿濃度膠結(jié)充填體平均強度與廢石含量的關(guān)系曲線如圖6所示。綜合分析表3及圖6可知:混合骨料膠結(jié)充填體早期強度(3 d和4 d強度)隨著廢石含量增加呈略微降低趨勢,但7 d和28 d強度隨著混合粗骨料中廢石含量增加而提高;但當廢石含量達到40%(棒磨砂∶廢石=6∶4)時,膠結(jié)充填體3、7、28 d強度分別達到1.55、3.34、6.46 MPa,均超過金川礦區(qū)膠結(jié)充填體設(shè)計強度??梢?,廢石含量35%~40%的混合骨料充填料漿濃度為79%~81%時,添加早強劑的膠結(jié)充填體強度可滿足金川礦區(qū)下向分層進路膠結(jié)充填采礦作業(yè)對膠結(jié)充填體強度的要求。
混合骨料廢石含量為10%~50%時,添加和不添加早強劑固結(jié)粉混合骨料膠結(jié)體強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系如圖7所示。
由圖7可知:添加早強劑顯著提高了固結(jié)粉膠結(jié)體3 d、4 d強度。早強劑對固結(jié)粉膠結(jié)體7 d強度的影響為先提高后減小,即當廢石含量大于40%時,添加早強劑的膠結(jié)體7 d強度低于不添加早強劑的強度。當廢石含量為20%~30%時,添加早強劑顯著降低了膠結(jié)體28 d強度,以致不滿足礦山充填體設(shè)計要求。由此可見:當廢石含量為40%時,3、7、28 d平均強度分別達到1.55、3.34、6.46 MPa,滿足金川礦區(qū)下向分層進路膠結(jié)充填體采礦作業(yè)對膠結(jié)充填體強度的要求。
(1)對于金川礦區(qū)-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粗骨料,當廢石與棒磨砂配比為4∶6時,混合骨料的堆積密實度達到最大值0.635,對應(yīng)的泰波冪指數(shù)n為0.591。
(2)不添加早強劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)充填體強度隨著廢石含量增加先增加后降低。即當廢石含量為40%和料漿濃度為79%~81%時,膠結(jié)充填體3、7、28 d平均強度分別達到1.23、3.79、5.98 MPa,因此膠結(jié)充填體3 d強度不滿足礦山充填體強度要求。
(3)添加早強劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)充填體強度隨著廢石含量的變化規(guī)律與不添加早強劑基本一致。在廢石含量為40%和料漿濃度為79%~81%的情況下,膠結(jié)充填體3、7、28 d平均強度分別達到1.55、3.34、6.46 MPa,充填體強度達到金川礦區(qū)充填體設(shè)計強度要求。
(4)對于利用固體廢棄物開發(fā)的固結(jié)粉膠凝材料,其混合骨料膠結(jié)充填體強度不僅與早強劑有關(guān),而且還取決于廢石含量。當廢石與棒磨砂配比為4∶6時,添加1%的早強劑有利于提高早期強度,達到金川礦區(qū)下向分層進路膠結(jié)充填采礦作業(yè)對充填體早期強度的要求,同時能夠最大限度地利用金川礦區(qū)廢石,顯著降低充填采礦成本和提高充填采礦經(jīng)濟效益,可在金川礦區(qū)推廣應(yīng)用。