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)。

1 充填骨料粒徑與級配分析

1.1 棒磨砂和廢石骨料粒徑分析

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。

1.2 廢石—棒磨砂混合骨料粒徑分析

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。

1.3 廢石—棒磨砂混合骨料堆積密實度

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。

2 廢石—棒磨砂混合骨料膠結(jié)充填體強度

2.1 混合骨料膠結(jié)體強度試驗方案

-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。

2.2 無早強劑的混合骨料充填體強度

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。

2.3 添加早強劑的混合骨料充填體強度

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。

2.4 早強劑對膠結(jié)體強度的影響分析

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。

3 結(jié) 論

（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。