李洪寶 甘德清 鄂鑫雨 陳 超 劉志義 張友志

（1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063200；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室，河北唐山063009；3.河鋼集團礦業(yè)有限公司，河北唐山063000）

尾砂膠結充填能夠起到保護采場的作用，降低地表沉降導致的次生危害，并降低尾砂堆排量［1-2］。限制膠結充填采礦應用的因素主要是充填成本以及充填體的性能，尤其是早期強度，應盡快使充填料漿硬化并達到要求強度，以縮短采充的工作周期［3-4］。國內外學者對充填體進行了大量研究，但多數(shù)研究針對的是具體礦山，不具有代表性，尤其是尾砂粒度對充填體強度特性的研究愈發(fā)迫切［5-11］。

目前許多學者針對尾砂膠結充填進行了研究，取得大量的科研成果。李立濤等［12］、董培鑫等［13］以砂漿沉降速率為評價指標，研究了超細全尾砂沉降規(guī)律；王帥等［14］、陳秋松等［15］針對全尾砂料漿的輸送，研究了充填料漿的流變和流動特性，提出了ELM臨界速度預測模型；康志強等［16］結合礦山L型管道充填現(xiàn)狀，研究了降低管道底部磨損的最佳管徑、流速及料漿配比方案；杜慧慧等［17］利用釩鈦礦渣、鋼渣及脫硫石膏，研究了不同釩鈦礦渣和不同養(yǎng)護溫度下新型膠凝材料的水化機理；楊超等［18］以銅鎳冶煉渣為試驗材料，在測定冶煉渣的物化特性基礎上，制備了SC型新型膠凝材料；張慶松等［19］采用水泥熟料、煤矸石、粉煤灰和脫硫石膏為膠凝材料，研究了膠凝材料顆粒粒徑對充填體抗壓強度、孔隙結構和微觀結構的影響規(guī)律。上述研究主要針對尾砂絮凝沉降、充填料漿流變和輸送特性，以及新型膠凝材料制備等，關于尾砂粒度對水泥膠結充填早期強度影響的研究較少。

因此，本研究設計了不同條件下的強度試驗，分析粒度對充填體強度的影響規(guī)律，建立強度預測模型，提出了適用于冀東地區(qū)尾砂膠結充填的配比方案，結合XRD和SEM，分析了粒度對水化產物以及微觀形貌的影響，為冀東地區(qū)尾砂高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為冀東地區(qū)的3種鐵礦全尾砂。其化學成分主要是SiO2和CaO以及少量的Fe2O3、Al2O3和MgO，含量基本一致。3種尾砂的粒度分布和級配關系見圖1和表1，根據《尾礦設施設計參考資料》可知，3種尾砂分別為超細尾砂、細尾砂和粗尾砂，不均勻系數(shù)分別為9.12、13.22和9.04，曲率系數(shù)分別為1.46、0.90和0.61，級配良好。試驗所用的膠結劑為波蘭特水泥（325#）。試驗材料攪拌用水為普通市政用水［20］。

1.2 單軸抗壓強度試驗

依據試驗要求，并綜合考慮礦山充填應用現(xiàn)狀，選擇灰砂比為1∶6、1∶12和1∶20，料漿濃度為 65%、70%、75%。本研究主要分析早期強度，因此確定養(yǎng)護齡期為3 d。按照試驗方案，將提前準備好的波蘭特水泥和尾砂混合，加入拌合水后攪拌以充分活化，制備成充填料漿。然后將制備后的料漿均勻置入長寬高均為7.07 cm的標準立方體模具內，經搗實、抹平后，放置于標準養(yǎng)護箱內（溫度20℃，濕度90%），24 h后經脫模、編號、貼簽，待測試試件置于養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護。將達到養(yǎng)護時間的試件放置于WAW-2000型充填體壓力測試平臺，得出充填體單軸抗壓強度，相同配比試件測3次，取平均值。

1.3 XRD測定和SEM掃描

取壓力試驗后試件樣品放入盛有無水乙醇密封瓶內，停止充填體內部的水化反應。取少量密封瓶內試樣，自然風干后磨至-200目，通過X-射線衍射儀測定充填體能譜（角度5°～70°，速度10°/min，步長0.02°）。取密封瓶內塊度完整試樣，自然風干后，通過JSM-6390A掃面分析原始斷裂面微觀形貌和水化產物（加速電壓15 kV）。

2 試驗結果與討論

2.1 尾砂粒度對早期強度的影響

通過壓力試驗測得不同配比的充填試件的強度值，根據試驗結果繪制了關于充填體強度柱狀圖，如圖2和圖3所示。

由圖2、圖3可知：不同粒徑尾砂做充填體骨料，其早期強度變化符合普遍規(guī)律，即早期強度隨著灰砂比增大和質量濃度提高而增強。尾砂粒徑對早期強度的影響顯著，超細尾砂制備的充填體的早期強度最大，其次是細尾砂以及粗尾砂，充填體早期強度隨著粒度的降低呈增大趨勢，說明尾砂顆粒達到一定細度時，與水泥水化膠結的契合度能有效提高。

分析圖2知：質量濃度相同時，早期強度隨灰砂比變化呈先慢后快的增長趨勢，不同粒度下早期強度變化趨勢具有差異。當質量濃度為75%時，超細尾砂充填體早期強度隨灰砂比的變化量分別為0.446、0.729、1.765 MPa，增幅 63.5%～141.43%，對應的細尾砂和粗尾砂的早期強度增幅分別為8.1%～266.5%和11.8%～145.9%。說明當尾砂粒度增加到一定范圍，較低灰砂比范圍內早期強度變化較小，反映出該灰砂比區(qū)間內早期強度對于灰砂比的變化敏感度較低，但是繼續(xù)增大灰砂比，能夠顯著提高早期強度對灰砂比的敏感度。

由圖3可知：控制灰砂比不變，尾砂粒度對早期強度的影響差異性大，隨著尾砂粒度的增大以及濃度的提高，早期強度的增長速率呈加快的趨勢。在灰砂比1∶6時，3種尾砂的早期強度平均增加了0.63、0.29、和 0.17 MPa，增長率分別為 87.7%、43.3% 和34.3%，說明尾砂粒度越小，早期強度對質量濃度改變的敏感程度越大。

2.2 充填體早期強度預測模型

尾砂屬于顆粒集合體，因此對尾砂的描述通常用級配特征指標表達。根據強度試驗結果，考慮尾砂粒度、灰砂比和質量濃度3個因素，進行二次多項式回歸分析，得到了不同尾砂特征指標的早期強度預測模型，

式中，Sd10、Sd50和Sd[4,3]分別為基于有效粒徑（d10）、中值粒徑（d50）和加權平均粒徑（d[4，3]）的充填體早期強度，MPa；x1為尾砂特征指標，mm；x2為水泥含量；x3為尾砂含量。

3組預測模型的相關系數(shù)R、P值見表2，基于不同級配特征指標預測模型的相關系數(shù)以及擬合程度符合要求。通過表3可知，早期強度預測模型的誤差率平均值小于2%，誤差率低，能夠根據礦山實際要求準確計算出配比方案。

根據回歸預測模型，計算得出基于不同級配特征指標的充填體早期強度最大值分別為2.09 MPa（Sd10）、2.13 MPa（Sd50）和2.14 MPa（Sd[4,3]），對應的配比為d102 μm、d5014.3 μm、d[4，3]18.7 μm、水泥 10.69%、尾砂71.34%?？紤]到礦山充填對質量濃度、工藝以及成本的要求，推薦冀東地區(qū)礦山充填灰砂比為1∶6～1∶8，并采用全尾砂膠結充填，質量濃度依據充填系統(tǒng)實際狀況取值越高越好。

2.3 尾砂粒徑對水化產物和孔隙的影響

尾砂膠結充填體主要由3類物質組成，分別是未水化的水泥熟料、惰性物質和水化產物。由圖4可知：充填體SiO2含量最高，其組成物質為各種水化產物，主要為C—S—H凝膠、氫氧化鈣晶體和鈣礬石（AFt）。充填體水化早期，C3A在攪拌過程中即進行水化反應，生成AFt晶體，呈針狀或棒狀，長度為1～3 μm，多生長于各種顆粒表面；其次進行C3S的水化反應，生成結晶程度較低的C—S—H凝膠，并包裹在各種顆粒表面，呈纖維狀和網絡狀，隨養(yǎng)護時間增長而生長，C3A和C3S水化時同時產生大量Ca2+離子和OH-離子，導致溶液的Ca（OH）2過飽和，從而析出六方板狀Ca（OH）2晶體。

由圖4和圖5可知：在XRD能譜中，2θ為20°～45°之間的衍射峰存在寬泛的凸包背景，即無定形結晶C—S—H，超細尾砂充填體凸包面積較大，而且衍射峰較多，在SEM掃描圖像上能夠明顯看出，隨著尾砂粒度降低，生成的C—S—H凝膠數(shù)量越多，而增加早期強度的主要水化產物為C—S—H凝膠，因此，尾砂粒度越低，配比參數(shù)相同的早期強度越高。

由圖5可知：隨著尾砂粒度降低，充填體內部的大孔隙逐漸減少，在粗尾砂充填體內部可見尺寸在10 μm以上的孔隙，超細尾砂充填體內部多為亞微米和納米級的微空隙。充填體內孔隙的尺寸和數(shù)量同樣影響其強度，因此，隨著尾砂粒徑降低，充填體內部的孔隙在尺寸和數(shù)量上均呈降低趨勢，所以充填體的強度隨之增大。

3 工程應用

為進一步驗證充填體早期強度預測模型的可靠性，選擇冀東地區(qū)某充填礦山進行驗證。對尾砂進行取樣分析，確定尾砂特征指標：d10為2.6 μm、d50為16.9 μm、d[4，3]為0.034 1μm，充填料漿灰砂比為 1∶6，充填料漿質量濃度為66%，采用自流輸送。圖6為采場充填現(xiàn)場，可知料漿濃度低，流動性好。

通過預測模型計算得到該礦山早期強度值，并與礦山充填實驗室測定數(shù)據對比分析，具體計算結果見表4。

由表4可知：不同尾砂特征參數(shù)計算得到的預測值略大于實測值，預測誤差分別為0.46%、6.98%和3.03%，平均誤差為3.49%，表明所構建的模型可以準確地預測充填體早期強度。

4 結 論

（1）膠結充填的早期強度決定了礦山采充的工作周期，針對全尾砂的物化特性，從宏觀強度規(guī)律和微觀形貌特征方面分析了粒度對充填體早期強度的影響，構建了不同特征指標下的強度預測模型。

（2）尾砂粒徑對充填體早期強度影響顯著，隨著尾砂粒度的降低，尾砂顆粒與水泥水化膠結的契合度越高，強度呈增大趨勢，并且強度對灰砂比和料漿濃度的變化越敏感。從微觀角度分析，隨著尾砂粒度降低，水化產物C—S—H凝膠增多，充填體內部孔隙的尺寸和數(shù)量呈降低趨勢?；谖采疤卣髦笜?，建立了關于粒度、灰砂比和濃度的早期強度預測模型，相關系數(shù)R＞0.95，平均誤差＜2%，準確性高。結合礦山實際條件，提出了合理的灰砂比取值范圍為1∶6～1∶8，選擇全尾砂膠結充填，在冀東地區(qū)某礦山進行了試驗，誤差為3.49%，效果良好。

（3）尾砂粒度對充填體強度的影響機理、水泥和尾砂顆粒耦合關系等方面亟待開展深入研究。