張競,李駿
(福州理工學(xué)院 應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院,福建 福州 350506)
隨著礦產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,選礦廠產(chǎn)生的尾砂數(shù)量逐年遞增,為解決尾砂堆積造成的環(huán)境污染和維護(hù)費(fèi)用等問題,將尾砂用作充填體骨料回填至地下采空區(qū),是一種行之有效的地壓控制手段[1?2]。充填體強(qiáng)度對于采場穩(wěn)定性具有直接的影響,是充填采礦法設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。為提高礦石的回采率,在增加磨礦機(jī)械化程度的同時(shí),磨礦的粒度也越來越細(xì),這種級配相對單一的尾砂用作充填骨料對充填體的強(qiáng)度造成了負(fù)面影響[3]。充填體強(qiáng)度和充填采場的實(shí)際工況是否匹配,是充填采礦法需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。充填體強(qiáng)度過高,雖保證了采場穩(wěn)定性,但增加了經(jīng)濟(jì)成本。充填體強(qiáng)度不足,不能滿足安全生產(chǎn)的需求,且會(huì)造成礦石的損失與貧化[4]。我國礦業(yè)工程規(guī)模巨大,各礦區(qū)工況各異,部分礦山的采充循環(huán)較快,需要在較短時(shí)間內(nèi)形成自立,并具有一定的抗壓強(qiáng)度的充填體;部分礦山由于各種條件的限制,采充循環(huán)間隔長,對于早強(qiáng)型的充填體沒有過多的要求。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對尾砂膠結(jié)充填做了大量的研究。
李一帆等[5]研究了添加石膏、氯化鈣等早強(qiáng)劑的充填體強(qiáng)度變化規(guī)律。黃璐[6]在尾砂膠結(jié)充填體試塊中添加采礦爆破所產(chǎn)生的塊石材料,研究了試塊的力學(xué)性質(zhì)的變化情況。吳煒等[7]在充填體試塊中加入了硅粉、MF525等外加劑,研究了外加劑對充填體強(qiáng)度的影響,最終得到了最佳配比。王楚涵等[8]研究了細(xì)顆粒尾砂含量對于充填體強(qiáng)度的影響。羅芳等[9]進(jìn)行了基于磷石膏和重選尾砂的多骨料配比試驗(yàn),探究了不同養(yǎng)護(hù)齡期下充填體的強(qiáng)度演化規(guī)律。侯運(yùn)炳等[10]在充填體中摻入了石灰、硫鋁水泥、石膏等材料,研究了該種新型膠凝材料充填體的凝結(jié)硬化規(guī)律。
以上研究均是在普通硅酸鹽水泥-全尾砂的充填材料基礎(chǔ)上摻入添加料或者使用其他的膠凝材料代替普通硅酸鹽水泥。本文采用某礦尾砂作為充填骨料,采用普通水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥4種通用水泥作為膠凝材料,測定不同質(zhì)量濃度、灰砂比、齡期下的充填試塊強(qiáng)度。研究通用水泥作為膠凝材料充填體試塊強(qiáng)度的增長規(guī)律,為礦山充填施工提供一定的參考。
本次試驗(yàn)采用的是福建某礦尾砂,通過CILAS1064型激光粒度儀測定其粒度成分,結(jié)果見表1。
表1 試驗(yàn)所用全尾砂顆粒級配
由表1可知,本次試驗(yàn)所用尾砂平均粒經(jīng)約為77 μm,尾砂的粒徑變化差值約為5 μm,而粒徑在75 μm以下的尾砂累計(jì)為62.19%,屬于級配不良。
本次試驗(yàn)采用福建某廠生產(chǎn)的P·O32.5普通硅酸鹽水泥、P·S·A32.5礦渣硅酸鹽水泥、P·P32.5火山灰硅酸鹽水泥以及P·F32.5粉煤灰硅酸鹽水泥。
質(zhì)量濃度分別為62%,68%,灰砂比分別為1∶4,1∶6,1∶8,4種充填試塊7d、28d抗壓強(qiáng)度的變化曲線見圖1~圖4。
由圖1、圖2可知,隨著灰砂比的增大,試塊的強(qiáng)度增加。62%質(zhì)量濃度下,4種水泥試塊的7d抗壓強(qiáng)度以普通充填試塊最高,礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度次之,3種灰砂比的平均強(qiáng)度約為普通充填試塊強(qiáng)度的89.45%和83.36%,火山灰充填試塊的強(qiáng)度最低,平均強(qiáng)度只有普通充填試塊強(qiáng)度的57.29%。在68%的質(zhì)量濃度下,普通充填試塊的7d抗壓強(qiáng)度仍為最高,礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊的強(qiáng)度約為其99.73%、87.23%以及62.78%。
由此可見,普通充填試塊的強(qiáng)度具有快硬、早強(qiáng)的特點(diǎn),礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度和普通充填試塊約有10%~20%的差距,火山灰充填試塊的強(qiáng)度最低,只有普通充填試塊的60%左右。
圖1 質(zhì)量濃度62%齡期7d抗壓強(qiáng)度
圖2 質(zhì)量濃度68%齡期7d抗壓強(qiáng)度
圖3 質(zhì)量濃度62%齡期28d抗壓強(qiáng)度
圖4 質(zhì)量濃度68%齡期28d抗壓強(qiáng)度
由圖3、圖 4可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長到28d,各組充填試塊強(qiáng)度有了不同程度的增長。當(dāng)灰砂比為1∶4時(shí),62%和68%質(zhì)量濃度的普通充填試塊強(qiáng)度為2.34 MPa、3.04 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為2.01 MPa、2.45 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的85.9%和80.59%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為1.26 MPa、2.01 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的53.85%和66.12%?;鹕交页涮钤噳K的強(qiáng)度為0.49 MPa、0.71 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的20.94%和23.36%?;疑氨葹?∶6時(shí),62%和68%質(zhì)量濃度普通充填試塊的強(qiáng)度為1.53 MPa、1.82 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為1.26 MPa、1.66 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的82.35%和91.21%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為0.75 MPa、0.95 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的49.02%和52.2%?;鹕交页涮钤噳K的強(qiáng)度為0.39 MPa、0.52 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的25.49%和28.57%?;疑氨葹?∶8時(shí),62%和68%質(zhì)量濃度普通充填試塊的強(qiáng)度為1.03 MPa、1.52 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為0.8 MPa、1.09 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的77.67%和71.72%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為0.61 MPa、0.76 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的59.22%和50%?;鹕交页涮钤噳K的強(qiáng)度為0.3 MPa、0.36 MPa,分別為普通充填試塊強(qiáng)度的29.13%和23.68%。由此可見,4種水泥充填試塊以普通鹽充填試塊的早期、后期抗壓強(qiáng)度高,呈現(xiàn)出快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)。礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊強(qiáng)度相對普通充填試塊有一定的減弱?;鹕交页涮钤噳K的強(qiáng)度相比普通充填試塊出現(xiàn)了顯著的降低。
在62%質(zhì)量濃度下,3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強(qiáng)度分別增長了179.46%、155.18%以及78.66%,而火山灰充填試塊的強(qiáng)度增長最低,為20.23%。相應(yīng)地,在68%質(zhì)量濃度下,3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強(qiáng)度分別增長了196.69%、142.05%以及90.64%,火山灰充填試塊的強(qiáng)度增長仍很低,為18.75%。由此可見,普通水泥充填試塊不僅早期強(qiáng)度較高,后期強(qiáng)度的增長率相較礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊以及火山灰充填試塊也更高。
不同充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系曲線見圖5~圖8。
如圖5所示,質(zhì)量濃度為62%,灰砂比為1∶4的普通充填試塊7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比1∶6、1∶8試塊強(qiáng)度的1.37倍和1.48倍;28d抗壓強(qiáng)度是1.53倍和2.27倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí),灰砂比從1∶8增加到1∶6和1∶4時(shí),7d抗壓強(qiáng)度增長了23.07%,86.54%,28d抗壓強(qiáng)度增長了19.38%,100%。針對質(zhì)量濃度62%礦渣充填試塊,如圖6所示,灰砂比為1∶4的時(shí)候,其7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6,1∶8時(shí)的1.38倍和1.92倍;28d抗壓強(qiáng)度分別為1.6倍和2.51倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí),灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6、1∶8的1.27倍和1.74倍;28d抗壓強(qiáng)度分別是1.48倍和2.25倍。對于粉煤灰充填試塊(見圖7),質(zhì)量濃度為62%,灰砂比為1∶4時(shí),其7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6,1∶8時(shí)的1.52倍和1.68倍;28d抗壓強(qiáng)度分別為1.68倍和2.07倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí),灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6,1∶8的1.71倍和2.29倍;28d抗壓強(qiáng)度分別是2.12倍和2.64倍。對于火山灰充填試塊,如圖8所示,質(zhì)量濃度為62%時(shí),灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8,7d抗壓強(qiáng)度減小了17.5%和37.5%。28d抗壓強(qiáng)度減小了20.41%和38.78%。質(zhì)量濃度為68%時(shí),灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8,7d抗壓強(qiáng)度減小了30.51%和44.07%。28d抗壓強(qiáng)度減小了26.76%和49.3%。
圖5 普通充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系
圖6 礦渣充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系
圖7 粉煤灰充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系
圖8 火山灰充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系
由此可以發(fā)現(xiàn),灰砂比從1∶8增加到1∶6,充填試塊強(qiáng)度增加效果不是很明顯,灰砂比從1∶6增加到1∶4,試塊強(qiáng)度增加明顯。相對來說,增加灰砂比,4種通用水泥充填試塊的強(qiáng)度增加比例相差不大,沒有明顯的變化。
不同充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線見圖9~圖12。
由圖9可知,對于普通充填試塊,灰砂比為1∶4,質(zhì)量濃度從62%增加到68%,試塊7d抗壓強(qiáng)度從0.71 MPa增加到0.97 MPa,增長了36.62%,28d抗壓強(qiáng)度從2.34 MPa增加到3.04 MPa,增長了29.91%。當(dāng)灰砂比減小到1∶6時(shí),質(zhì)量濃度從62%增加到68%,試塊7d抗壓強(qiáng)度從0.52 MPa增加到0.64 MPa,增長了23.08%,28d抗壓強(qiáng)度從1.53 MPa增加到1.82 MPa,增長了18.95%?;疑氨葹?∶8時(shí),7d抗壓強(qiáng)度質(zhì)量濃度68%試塊是質(zhì)量濃度62%試塊的1.08倍,28d抗壓強(qiáng)度質(zhì)量濃度68%試塊是質(zhì)量濃度62%試塊的1.48倍。由圖10可知,對于灰砂比為1∶4的礦渣充填試塊,質(zhì)量濃度從62%增加到68%,7d抗壓強(qiáng)度增長了28.99%,28d抗壓強(qiáng)度增長了21.89%。礦渣充填試塊灰砂比為1∶6,質(zhì)量濃度68%的試塊的7d抗壓強(qiáng)度是質(zhì)量濃度62%的試塊的1.4倍,28d抗壓強(qiáng)度是1.32倍?;疑氨葹?∶8時(shí),62%增加到68%質(zhì)量濃度,7d和28d抗壓強(qiáng)度分別增加了41.67%,36.25%。由圖11可知,針對灰砂比1∶4,1∶6,1∶8粉煤灰充填試塊,質(zhì)量濃度從62%增加到68%,7d抗壓強(qiáng)度增長了46.88%、30.95%、7.89%,28d抗壓強(qiáng)度增長了59.52%、26.67%、24.59%。圖12是火山灰充填試塊的強(qiáng)度變化情況,質(zhì)量濃度為62%,灰砂比為1∶4,1∶6,1∶8的試塊7d抗壓強(qiáng)度分別為0.4 MPa、0.33 MPa、0.25 MPa,其對應(yīng)的質(zhì)量濃度68%的試塊7d抗壓強(qiáng)度為0.59 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa,分別增長了47.5%、24.24%和32%。同樣情況下,28d抗壓強(qiáng)度分別增長了44.9%、33.3%和20%。
圖9 普通充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系
圖10 礦渣充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系
因此,隨著質(zhì)量濃度的增加,4種通用水泥充填試塊的強(qiáng)度都相應(yīng)有了一定程度的增加,且對于不同種類水泥充填試塊而言,強(qiáng)度增加的比例相差不大。對于礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊,在灰砂比為1∶4的情況下增加質(zhì)量濃度,強(qiáng)度增長幅度有了一個(gè)明顯的提高,增長幅度從20%~30%提高到了40%。
圖11 粉煤灰充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系
圖12 火山灰充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系
(1)對于全尾砂充填試塊而言,在灰砂比一定的情況下,普通水泥充填體強(qiáng)度最高,礦渣水泥充填體和粉煤灰水泥充填體的強(qiáng)度約為普通水泥充填體的80%~90%,火山灰水泥充填試塊的強(qiáng)度最低,只有普通硅酸鹽水泥充填體強(qiáng)度的50%~60%。齡期對于充填體強(qiáng)度的影響最為明顯,在灰砂比為1∶4時(shí),普通水泥充填體和礦渣水泥充填體的強(qiáng)度隨著齡期增長幅度最快。
(2)在確定的質(zhì)量濃度下,增加灰砂比,充填體抗壓強(qiáng)度會(huì)有明顯增加,但是4種通用水泥充填體強(qiáng)度增長的速率相差不大。
(3)增加質(zhì)量濃度,在灰砂比為1∶4時(shí),礦渣水泥充填體、粉煤灰水泥充填體和火山灰水泥充填體的強(qiáng)度增加比例最大,約為40%。其他灰砂比下,增大質(zhì)量濃度,這3種充填體強(qiáng)度增加比例為25%~30%。對于普通水泥充填體,增加質(zhì)量濃度,強(qiáng)度增加的比例最小,約為20%。