荊曉東 朱庚杰 桑來(lái)發(fā) 宋澤普 吳再海

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261441）

膠結(jié)充填技術(shù)由于具有防止地表沉降、減少礦石的貧化及縮短開(kāi)采周期、減少尾砂等固體廢物在地表的堆存和提高工人的工作環(huán)境安全性等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，目前逐漸成為礦山的首選工藝［1］。此外，通過(guò)膠結(jié)充填技術(shù)可將含有有毒有害元素的尾砂儲(chǔ)存在地下，從而顯著降低尾砂對(duì)地表環(huán)境的不利影響［2］。尾砂膠結(jié)充填體是由水、骨料（尾砂等）、膠凝材料（水泥、粉煤灰及礦渣等）及外加劑（減水劑等）等組成的混合物，其固體濃度通常為70%～85%，膠凝材料摻量為3%～7%［4］。

攪拌均勻后形成的充填料漿一般通過(guò)泵送或重力輸送到井下采場(chǎng)，這使得料漿流動(dòng)性能異常重要［5］。流動(dòng)性差的充填料漿會(huì)影響泵送或輸送效率，并導(dǎo)致管道堵塞，從而影響礦山生產(chǎn)［2］。張少鵬等［5］研究表明激發(fā)劑或膠結(jié)劑占比越大，堿激發(fā)礦渣充填料漿流動(dòng)性能越好。薛杉杉等［6］研究表明銅礦充填料漿中加入減水劑后屈服應(yīng)力及表觀黏度顯著降低，即在相同條件下減水劑能顯著提高漿體的流動(dòng)性。吳愛(ài)祥等［7］研究發(fā)現(xiàn)泵送劑能夠破壞漿體中的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，從而改善漿體的流動(dòng)性。此外，強(qiáng)度是充填體的另一重要指標(biāo)。李欣等［8］認(rèn)為膠結(jié)充填體強(qiáng)度及楊氏模量與灰砂比成反比而與料漿固體濃度成正比，且試樣形狀影響膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度。楊昊等［9］認(rèn)為改性脫硫灰渣能作為礦渣的激發(fā)劑，產(chǎn)生棒狀的鈣礬石及團(tuán)簇狀的水化硅酸鈣凝膠等水化產(chǎn)物，從而提高充填體單軸抗壓強(qiáng)度。余姚等［10］發(fā)現(xiàn)添加膨潤(rùn)土后的充填體強(qiáng)度盡管降低，但另一方面可以增強(qiáng)塑性。

隨著選礦技術(shù)的發(fā)展，尾礦粒度越來(lái)越細(xì)［4］。粒度越細(xì)的尾砂，沉降速度越慢，這意味著尾砂溶液需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能在砂倉(cāng)中達(dá)到理想的固體濃度。因此，為了縮短充填料漿制備時(shí)間，通常加入絮凝劑來(lái)加速尾砂的沉降和脫水速度［11］。這表明充分理解絮凝劑對(duì)充填體性能的影響至關(guān)重要。然而，盡管目前關(guān)于充填料漿流動(dòng)或流變性及充填體強(qiáng)度的研究已屢見(jiàn)不鮮，但關(guān)于絮凝劑對(duì)充填料漿流動(dòng)或流變性及充填體強(qiáng)度的影響卻不多。此外，絮凝劑與超細(xì)尾砂的耦合作用下充填體的性能更有待進(jìn)一步研究。因此本文就這一目的展開(kāi)相關(guān)研究，以期能進(jìn)一步了解絮凝劑作用下超細(xì)尾砂充填料漿及硬化充填體的性能，為充填配比、管道輸送以及穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用的材料包括超細(xì)尾砂、42.5普通硅酸鹽水泥、水及絮凝劑。其中超細(xì)尾砂取自國(guó)內(nèi)某礦山，主要成分包括 SiO2（62.3%）、Fe2O3（16.1%）、Al2O3（5.6%）等，密度為2.85 g/cm3，均勻系數(shù)（Cu）與曲率系數(shù)（Cc）分別為8.76和1.13，粒度分布見(jiàn)圖1。可以看出尾砂-20 μm含量達(dá)到了85%左右，屬于超細(xì)尾砂。絮凝劑選取陰離子型絮凝劑，相對(duì)分子質(zhì)量為1 200。

1.2 試樣制備與測(cè)試

為研究絮凝劑摻量對(duì)料漿擴(kuò)展度和流變參數(shù)的影響，制備固體濃度分別為70%、71%和72%，絮凝劑摻量分別為0、45 g/t、75 g/t和105 g/t的超細(xì)尾砂充填料漿。擴(kuò)展度試驗(yàn)采用迷你塌落度錐，其底部直徑、頂部直徑與高分別為100 mm、50 mm與150 mm。流變測(cè)試采用恒定靜態(tài)剪切方式（剪切速率為0.1 s-1），測(cè)試時(shí)間60 s。需要注意的是在進(jìn)行靜態(tài)剪切之前，采用100 s-1的剪切速率進(jìn)行預(yù)剪切，持續(xù)時(shí)間為120 s。此外，為了分析漿體中粒子間的相互作用力，開(kāi)展了充填料漿的Zeta電位測(cè)試。

為了分析絮凝劑摻量對(duì)充填強(qiáng)度和超聲波波速影響，制備固體濃度為72%，絮凝劑摻量分別為0、45 g/t、75 g/t和105 g/t的充填體，在養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、7 d及28 d時(shí)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度及超聲波波速測(cè)試。流動(dòng)性及強(qiáng)度測(cè)試中，水泥含量均保持10%不變。進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)之后，從破壞的試件中選取遠(yuǎn)離破壞面的小試樣，經(jīng)異丙醇浸泡終止水化之后，恒溫密封烘干至恒重后進(jìn)行壓汞試驗(yàn)及掃描電鏡測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑摻量及固體濃度對(duì)超細(xì)尾砂充填料漿擴(kuò)展度的影響

固體濃度是影響充填料漿流動(dòng)性能的重要因素，且其對(duì)流動(dòng)性能的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于膠凝材料種類、膠凝材料摻量及尾砂物理性質(zhì)（如顆粒尺寸和形狀等）。關(guān)于固體濃度對(duì)充填料漿流動(dòng)性能影響的研究已有很多報(bào)道，例如文獻(xiàn)［12］等。但固體濃度對(duì)超細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性能影響的相關(guān)研究較少，圖2為超細(xì)尾砂充填料漿在不同固體濃度（70%～72%）及不同絮凝劑摻量（0～105 g/t）下流動(dòng)擴(kuò)展度直徑的變化情況。

從圖2可以看出，隨著固體濃度的增加，超細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性變差。當(dāng)固體濃度從70%增加到72%（絮凝劑摻量為0）時(shí)，相應(yīng)的流動(dòng)擴(kuò)展度直徑從23.6 cm減小到16.1 cm，減小了31.78%。其原因是總水量的減少導(dǎo)致包裹在顆粒表面形成水膜的多余水量減少，因此潤(rùn)滑作用降低，從而導(dǎo)致充填料漿的流動(dòng)性能降低。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，充填作業(yè)中廣泛使用的坍落度值在18 cm到25 cm之間，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展度與塌落度值的換算（轉(zhuǎn)換因子為1.2）表明，71%～72%濃度下的超細(xì)尾砂充填料漿的流動(dòng)性均滿足輸送要求。值得注意的是，相較于普通充填料漿（尾砂細(xì)度相對(duì)較粗），變化相同量的固體濃度，超細(xì)尾砂充填料漿的流動(dòng)性能百分比改變量往往較小，換句話說(shuō)，超細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性能對(duì)固體濃度更不敏感。這可能是由于超細(xì)尾砂系統(tǒng)的堆積密實(shí)度較粗尾砂更低導(dǎo)致的。低的堆積密實(shí)度意味著固體顆粒系統(tǒng)的空隙體積更大，即需要更多的水量來(lái)填補(bǔ)顆粒空隙從而形成直接對(duì)流動(dòng)性有貢獻(xiàn)的水膜。細(xì)尾砂顆粒對(duì)水的吸附能力更強(qiáng)是這一原因的宏觀體現(xiàn)。因此，為使超細(xì)尾砂充填料漿獲得理想稠度，現(xiàn)實(shí)中往往需要較大的含水量即低的固體濃度。這意味著水分在經(jīng)歷水化反應(yīng)及揮發(fā)過(guò)程后必將使得超細(xì)尾砂充填體中孔隙率大大提高，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。絮凝劑對(duì)超細(xì)充填料漿流動(dòng)性能具有消極影響。當(dāng)絮凝劑摻量從0增加到105 g/t時(shí)，固體濃度為70%、71%和72%的新制充填料漿的流動(dòng)性分別減小了26.7%、19.8%和21.6%。很明顯，當(dāng)固體濃度較高（71%～72%）時(shí)，其流動(dòng)性能的減小幅度相較于70%濃度的料漿的減小幅度低，這表明固體濃度對(duì)絮凝劑的作用效果有影響，更確切地說(shuō)，固體濃度越高，絮凝劑的絮凝效果越差。絮凝劑導(dǎo)致充填料漿流動(dòng)性變差的原因可從顆粒間相互作用力及膠凝材料水化兩個(gè)方面分析［11］。絮凝劑吸附在顆粒表面降低了漿體中粒子的排斥力，因此顆粒（尾砂與水泥）更容易聚集在一起形成絮凝體。一方面絮凝體的形成會(huì)禁錮一部分自由水，此外絮凝體尺寸較尾砂顆粒要大得多，這意味著顆粒間呈松散堆積。綜上表明加入絮凝劑后顆粒系統(tǒng)表面形成的水膜厚度必定減小，從而導(dǎo)致料漿流動(dòng)性能降低。圖3為不同摻量的絮凝劑條件下系統(tǒng)Zeta電位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了絮凝劑的摻入會(huì)引起更弱的排斥力的這一觀點(diǎn)。新制超細(xì)尾砂充填料漿的Zeta電位在水中帶負(fù)電荷，由于化學(xué)吸附和物理吸附，其Zeta電位絕對(duì)值隨著絮凝劑摻量的增大而減小，表明排斥力隨之降低。另一方面，絮凝劑的加入會(huì)在短期時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物（例如氫氧化鈣及C—S—H膠凝），因此導(dǎo)致漿體流動(dòng)阻力增加，XU等［11］的研究結(jié)果也佐證了這一觀點(diǎn)。

另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是當(dāng)絮凝劑摻量從75 g/t增加到105 g/t時(shí)，擴(kuò)展度直徑幾乎不變。這表明，存在一個(gè)飽和絮凝劑摻量，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，即使再增加絮凝劑摻量，絮凝效果無(wú)明顯差異。Zeta電位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一觀點(diǎn)。此外盡管固體濃度會(huì)影響絮凝劑的作用效果，但飽和絮凝劑摻量是一致的。

2.2 絮凝劑摻量對(duì)超細(xì)尾砂充填料漿靜態(tài)流變性能的影響

在0.1 s-1剪切作用下，不同絮凝劑摻量下超細(xì)尾砂充填料漿的剪切應(yīng)力隨時(shí)間的發(fā)展如圖4所示。值得注意的是，預(yù)剪切與靜置階段不采集數(shù)據(jù)，因此這里以流變實(shí)驗(yàn)起始點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn)?？傮w而言，無(wú)論是否存在絮凝劑，所有曲線在研究的時(shí)間內(nèi)均可劃分為兩個(gè)階段。在第一階段內(nèi)，剪切應(yīng)力隨時(shí)間的增加不斷增大，直到達(dá)到峰值，隨后剪切應(yīng)力不斷減小，即第二階段。Roussel等［13］認(rèn)為在高濃度懸浮液內(nèi)，由于顆粒絮凝會(huì)形成一個(gè)可以抵抗應(yīng)力的滲透網(wǎng)絡(luò)。因此，在恒剪切速率加載的初始階段，由于滲透網(wǎng)絡(luò)的阻力，剪應(yīng)力不斷增大，直至達(dá)到峰值。圖5顯示的是不同絮凝劑摻量時(shí)剪切速率隨時(shí)間的變化。盡管預(yù)設(shè)的剪切速率為0.1 s-1，但可以明顯看到達(dá)到該剪切速率需要一定的時(shí)間（大約為2 s）。這從側(cè)面反映了該網(wǎng)絡(luò)具有一定的剛性。此外，值得注意的是該網(wǎng)絡(luò)的形成需要一定的時(shí)間，稱之為絮凝特征時(shí)間。因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，在流變實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，滲透網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。當(dāng)剪切速率達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，即靜態(tài)屈服應(yīng)力。從圖4可知，當(dāng)絮凝劑摻量為45，75，105 g/t時(shí)，新制超細(xì)尾砂充填料漿的靜態(tài)屈服應(yīng)力分別為189.06，234.23及244.21 Pa。這表明隨著絮凝劑摻量的增加，超細(xì)尾砂充填料漿的靜態(tài)屈服應(yīng)力不斷增加。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與2.2節(jié)所述類似，由于絮凝劑的作用，顆粒之間的斥力大大降低，從而導(dǎo)致更高的靜態(tài)屈服應(yīng)力。有趣的是，當(dāng)絮凝劑摻量為75與105 g/t時(shí)，此時(shí)靜態(tài)屈服應(yīng)力差距不大。當(dāng)達(dá)到滲透網(wǎng)絡(luò)承載能力后，充填料漿對(duì)剪切的響應(yīng)進(jìn)入第二階段。這一階段類似于巖土力學(xué)中的殘余剪應(yīng)力。很顯然，當(dāng)絮凝劑摻量為45與75 g/t時(shí)，樣品的第二階段曲線逐漸重合，并趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。這意味著盡管絮凝劑摻量不同導(dǎo)致的充填料漿的細(xì)觀結(jié)構(gòu)不同，但在剪切作用下，漿體細(xì)觀結(jié)構(gòu)破裂重組，最終使得漿體趨于同一穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)絮凝劑摻量為105 g/t時(shí)，第二階段曲線雖未與其他兩摻量對(duì)應(yīng)的曲線重合，但相應(yīng)的差距卻隨剪切時(shí)間逐漸減小。當(dāng)剪切時(shí)間大約為90 s時(shí)，三曲線重合，該現(xiàn)象也是充填料漿觸變性的體現(xiàn)。此外，上述現(xiàn)象也表明絮凝劑影響漿體在剪切作用下趨于平衡的時(shí)間，這與絮凝劑導(dǎo)致的細(xì)觀結(jié)構(gòu)是相關(guān)的。

2.3 絮凝劑摻量對(duì)超細(xì)尾砂充填體強(qiáng)度的影響

圖6顯示了不同絮凝劑摻量下的超細(xì)尾砂充填體試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期（3、7、28 d）的單軸抗壓強(qiáng)度變化。

從圖6可以看出，絮凝劑的加入在一定程度上降低了充填體試樣的強(qiáng)度。其原因可能是絮凝劑總體上是抑制水化反應(yīng)的，換句話說(shuō)，絮凝劑的加入會(huì)導(dǎo)致更少的水化產(chǎn)物。在礦山充填實(shí)踐中，通常需要充填體的28 d強(qiáng)度值大于0.7 MPa才能達(dá)到維持采場(chǎng)穩(wěn)定的作用。盡管本試驗(yàn)制備的超細(xì)尾砂充填體試樣均能滿足強(qiáng)度要求（最低的28 d強(qiáng)度為0.78 MPa），但值得注意的是，本文采用的水泥含量為10%，顯然大于通常規(guī)定的充填體的水泥含量（2%～8%）。因此，尾砂細(xì)度及絮凝劑摻量對(duì)充填體強(qiáng)度性能的影響不容忽視。很顯然，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試樣的強(qiáng)度增加。這是由于養(yǎng)護(hù)齡期的增加會(huì)產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，從而致密試樣結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更高的強(qiáng)度。此外，從圖中可以看出，當(dāng)絮凝劑摻量從0增加到75 g/t時(shí)，試樣強(qiáng)度顯著降低，而當(dāng)絮凝劑摻量從75增加到105 g/t時(shí)，強(qiáng)度卻幾乎不發(fā)生變化。這進(jìn)一步表明飽和絮凝劑摻量在75 g/t左右。

圖7為摻絮凝劑的超細(xì)尾砂充填體強(qiáng)度與超聲波波速之間的關(guān)系。從圖中可以看出，波速與強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了0.98。這表明利用波速可以準(zhǔn)確快速地預(yù)測(cè)摻絮凝劑的超細(xì)尾砂充填體的強(qiáng)度。程愛(ài)平等［14］也得到了類似的結(jié)論。

2.4 絮凝劑摻量對(duì)超細(xì)尾砂充填體微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖8表示的是不同絮凝劑摻量下養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)充填體的孔徑分布情況。很明顯摻絮凝劑后充填體孔隙率增大了。例如，當(dāng)絮凝劑摻量為75 g/t時(shí)，孔隙率為49.6%，遠(yuǎn)大于未摻絮凝劑充填試樣的孔隙率。此外，2種試樣孔徑分布主要在小于1 μm的范圍內(nèi)有較大差異，而大于1 μm部分沒(méi)有明顯差別。這表明絮凝劑主要影響細(xì)孔部分。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果（圖9）進(jìn)一步佐證了絮凝劑能夠增大試樣孔隙率的觀點(diǎn)，可以很明顯看出，未添加絮凝劑的試樣明顯致密。

3 結(jié)論

（1）超細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性能相較于普通充填料漿對(duì)固體濃度更不敏感，且超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通充填體。

（2）絮凝劑對(duì)超細(xì)充填料漿流動(dòng)性能具有消極影響。其原因是由于絮凝劑會(huì)導(dǎo)致顆粒間排斥力降低且在短時(shí)間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致膠凝材料產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物。當(dāng)絮凝劑摻量從75 g/t增加到105 g/t時(shí)，超細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性能變化不大。

（3）在穩(wěn)態(tài)剪切（0.1 s-1）下，超細(xì)尾砂充填料漿的剪切應(yīng)力隨時(shí)間先增大，隨后達(dá)到峰值，然后不斷減小，直至穩(wěn)定。隨著絮凝劑摻量的增加，超細(xì)尾砂充填料漿內(nèi)部形成的滲透網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)。

（4）摻入絮凝劑的超細(xì)尾砂充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨著絮凝劑摻量的增大而減小；絮凝劑-超細(xì)尾砂充填體強(qiáng)度與超聲波波速呈線性關(guān)系。此外，絮凝劑能弱化充填體孔結(jié)構(gòu)。