趙龍，王楠

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司 三山島金礦，山東 萊州市 261442)

0 引言

尾砂膠結(jié)充填采礦法是目前充填采礦法的趨勢(shì)，充填體的強(qiáng)度嚴(yán)重影響著地下采場(chǎng)的穩(wěn)定及安全[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究，研究內(nèi)容主要集中于充填體的配制方案、力學(xué)特性以及強(qiáng)度方面[3-4]。

王文濤等[5]進(jìn)行了全尾砂膠結(jié)充填料漿最優(yōu)配比試驗(yàn)研究，結(jié)合某螢石礦充填研究了灰砂比、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)充填料漿性能的影響規(guī)律，并得到了最優(yōu)方案∶灰漿比為1∶4、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%。曹帥等[6]進(jìn)行了分層尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)特性變化規(guī)律及破壞模式研究。趙康等[7]進(jìn)行了不同灰砂比尾砂膠結(jié)充填材料組合體的力學(xué)特性及協(xié)同變形研究，結(jié)果表明，組合體的整體峰值強(qiáng)度取決于其灰砂比較小試件的峰值強(qiáng)度；不同灰砂比組合體中，灰砂比較大試件的應(yīng)變量顯著低于灰砂比較小試件的應(yīng)變量，就協(xié)同變形而言，兩種灰砂比充填體的應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)比較一致。蔡嗣經(jīng)等[8]進(jìn)行了尾砂充填料漿流變性能模型與試驗(yàn)研究，為礦山充填設(shè)計(jì)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。楊岳陽等[9]進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填材料配比強(qiáng)度變化特性研究，結(jié)果表明，隨著齡期增加充填體試樣強(qiáng)度逐漸變大，且料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)充填體試塊的強(qiáng)度增大也是有益的。李洪寶等[1]進(jìn)行了尾砂粒度對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，尾砂粒徑對(duì)早期強(qiáng)度影響顯著，當(dāng)尾砂顆粒達(dá)到一定細(xì)度時(shí)，與水泥水化膠結(jié)的契合度能夠有效提高，隨著粒徑的降低，充填體的早期強(qiáng)度越大。董毅萌等[10]進(jìn)行了金礦尾砂膠結(jié)充填膠凝材料的制備及其性能表征的研究，分析了充填試樣的力學(xué)性能與料漿流動(dòng)性能。張金等[11]以山東金鼎礦業(yè)膠結(jié)充填體為研究對(duì)象，進(jìn)行了膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度、掃描電鏡以及X射線衍射分析試驗(yàn)研究。李地元等[12]基于正交試驗(yàn)法對(duì)磷石膏廢石膠結(jié)充填體強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)黃磷渣對(duì)磷石膏廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度起決定性作用，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響抗壓強(qiáng)度的顯著因素，廢石質(zhì)量比例和廢石與料漿的排列方式是影響抗壓強(qiáng)度的非顯著性因素。秦健春等[13]進(jìn)行了極細(xì)全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究，獲得了最優(yōu)的充填技術(shù)參數(shù)。

以上研究為尾砂膠結(jié)充填采礦法提供了一定的依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，本文選用三山島金礦尾砂、普通 32.5水泥，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填條件，采用灰砂比1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四種配比，選擇采場(chǎng)實(shí)際充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 68%、70%、72%。尾砂試樣分別采用3，7，14，28 d四個(gè)齡期。然后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分別研究了灰砂比、充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及齡期對(duì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響，并得到了各個(gè)因素與強(qiáng)度的擬合公式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)充填料中的尾砂采用三山島金礦新立選礦廠生產(chǎn)的全尾砂。尾砂的密度為2.65 g/cm3，密實(shí)堆積密度為1.54 g/cm3。其主要化學(xué)成分和粒級(jí)分布分別見表1和表2。

表1 全尾砂主要化學(xué)成分/%

表2 全尾砂粒徑組成測(cè)試結(jié)果

1.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

尾砂試樣采用三山島金礦全尾砂和普通水泥制備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填條件，選用 1∶4，1∶6，1∶8，1∶10四種灰砂比，和 68%、70%、72%三種質(zhì)量分?jǐn)?shù)。尾砂試樣模具尺寸為 70 mm×70 mm×70 mm 的立方體。尾砂試件澆筑好后放入HSB—40B恒溫養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，選擇3，7，14，28 d四種養(yǎng)護(hù)齡期。使用 WHY-200型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力機(jī)對(duì)試樣分別進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定。

1.3 電鏡掃描

為了研究尾砂膠結(jié)充填體的膠凝過程，采用Zeiss Ultra 55熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行電鏡掃描（SEM）試驗(yàn)。選擇灰砂比 1∶4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 70%的試樣，分別在3，7，28 d進(jìn)行SEM掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 尾砂充填體膠凝的微觀過程

SEM 掃描結(jié)果如圖1所示，圖1表明水泥尾砂膠結(jié)的主要物相由兩部分組成：水化物相，它是由水泥和尾砂發(fā)生水化反應(yīng)后生成的新物相；殘留物相，是未參與反應(yīng)或未反應(yīng)完畢的物相。其他的還有水和空氣組成的孔隙網(wǎng)等。其中起主導(dǎo)作用的是水化物相，又稱膠結(jié)相，其種類、數(shù)量、相對(duì)大小和空間分布等特點(diǎn)決定了硬化體的強(qiáng)度等其他物性。

圖1 試件SEM掃描結(jié)果

2.2 尾砂試樣強(qiáng)度影響因素分析

2.2.1 灰砂比

干料中水泥含量對(duì)強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖2可知，齡期相同時(shí)，不同灰砂比的試件強(qiáng)度均隨水泥含量的增長而增長，試件水泥含量較低時(shí)，各試件的強(qiáng)度值差距較小，但當(dāng)水泥含量逐步增大時(shí)，試件強(qiáng)度差異也越見明顯，當(dāng)灰砂比為1∶4時(shí)，這種差異最為顯著。根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，試件無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，與干料中水泥含量擬合函數(shù)方程見表3。

圖2 尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨灰砂比的變化

表3 單軸抗壓強(qiáng)度與灰砂比關(guān)系

2.2.2 料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3是不同齡期尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。從圖3可以看出，配比相同時(shí)，各齡期試件強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長而增長。根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，采用一次函數(shù)對(duì)圖3中實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，試件強(qiáng)度與料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的擬合函數(shù)方程見表4。對(duì)通過應(yīng)用試驗(yàn)分析得到的回歸模型進(jìn)行不同灰砂比及料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的充填體強(qiáng)度預(yù)測(cè)，并將擬合值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，分析差值，以掌握不同配比的充填體強(qiáng)度變化趨勢(shì)。

圖3 尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

表4 單軸抗壓強(qiáng)度與料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

2.2.3 齡期

圖4是尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化關(guān)

系，由圖4可知，當(dāng)配比相同時(shí)，充填體試塊強(qiáng)度均隨著齡期的增長而增長，在3～14 d時(shí)間段內(nèi)試塊強(qiáng)度增長較快，齡期接近14 d時(shí)試塊強(qiáng)度得到很大提高，14～28 d齡期間強(qiáng)度增長稍微緩慢。變化曲線斜率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長逐漸變小，齡期14 d時(shí)強(qiáng)度值能達(dá)到齡期28 d強(qiáng)度值的80%左右。根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行回歸擬合，試件強(qiáng)度與齡期的回歸函數(shù)方程見表5。

圖4 尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

表5 單軸抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3 結(jié)論

本文選用三山島金礦尾砂、普通水泥，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填條件，采用灰砂比 1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四種配比，選擇采場(chǎng)實(shí)際充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%、70%、72%的料漿制作尾砂試樣，分別采用3，7，14，28 d四個(gè)齡期。然后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分別研究了灰砂比、充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及齡期對(duì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響。并得到了各個(gè)因素與強(qiáng)度的擬合公式。

（1）當(dāng)齡期相同時(shí)，各試件強(qiáng)度均隨水泥含量的增長而增長。試件水泥含量較低時(shí)，各料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)試件的強(qiáng)度值差距較小，但當(dāng)水泥含量逐步增大，試件強(qiáng)度差異也越見明顯。當(dāng)灰砂比為 1∶4時(shí)這種差異最為顯著。

（2）配比相同時(shí)，各齡期試件強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長而增長，水泥含量會(huì)影響試件單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長的變化規(guī)律。當(dāng)灰砂比為1∶6時(shí)，強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長速度最快；當(dāng)灰砂比低于1∶8時(shí)，強(qiáng)度隨濃度的增長速度較為緩慢。

（3）配比相同時(shí)，充填體試塊強(qiáng)度均隨著齡期的增長而增長。3～14 d時(shí)間段內(nèi)試塊強(qiáng)度增長較快，齡期接近14 d時(shí)試塊強(qiáng)度得到很大提高，14～28 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長稍微緩慢。變化曲線斜率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長逐漸變小，齡期14 d時(shí)強(qiáng)度值能達(dá)到齡期28 d強(qiáng)度值的80%左右。