高志榮 劉財(cái)林 張亭 苗慧杰 張麗兵

（1.西北礦冶研究院；2.甘肅省深井高效開采與災(zāi)變控制工程實(shí)驗(yàn)室；3.內(nèi)蒙古東升廟礦業(yè)有限責(zé)任公司）

內(nèi)蒙古某鉛鋅礦采用地下開采多年，在使用分段鑿巖階段空?qǐng)龇ê蜏\孔留礦法等空?qǐng)龇ú傻V后，在開采范圍內(nèi)遺留有大量的礦柱和采空區(qū)。為安全高效地回收礦柱資源，有效消除采空區(qū)引發(fā)的事故隱患，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)及國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室印發(fā)的《金屬非金屬地下礦山采空區(qū)事故隱患治理工作方案》文件精神［1］，結(jié)合礦山現(xiàn)狀綜合研究確定，擬采用全尾砂膠結(jié)充填法治理采空區(qū)，在充填體達(dá)到一定強(qiáng)度保證安全的前提下，再進(jìn)行礦柱資源的回收［2］。為探索不同配比充填體的強(qiáng)度，確定經(jīng)濟(jì)合理的充填料配比和濃度，特開展尾砂膠結(jié)充填配比試驗(yàn)研究。

1 充填材料

1.1 膠凝材料

該試驗(yàn)研究選用的膠凝材料為M32.5水泥，即砌筑水泥，用于替代過去試驗(yàn)常用的PC32.5水泥。

1.2 尾砂

該配比試驗(yàn)選用的尾砂為全尾砂。為避免尾砂取樣過程中出現(xiàn)分級(jí)，影響尾砂的粒徑分布，試驗(yàn)所用尾砂取自選廠濃密機(jī)底流。

1.2.1 化學(xué)成分測(cè)定

充填材料中的各種化學(xué)成分及其含量對(duì)充填體物理力學(xué)性能具有一定的影響，對(duì)充填體強(qiáng)度影響作用較大的主要化學(xué)成分有CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S、Fe、Cu［3-4］。

采用全元素光譜分析儀測(cè)定尾砂中各種相關(guān)元素成分，其中含量較高的元素有O、Fe、Si、Ca、Mg、Al、S。所含元素整體有利于充填體的強(qiáng)度，有害元素Mg的含量在規(guī)定范圍之內(nèi)，測(cè)定結(jié)果見表1。

1.2.2 粒徑分布

良好的充填料粒徑級(jí)配組成能保障充填料漿保水性及和易性，形成的充填料漿在管道和采場(chǎng)空區(qū)中不易產(chǎn)生離析，保證管道輸送順利，同時(shí)形成的充填體均勻密實(shí)，整體性好，強(qiáng)度穩(wěn)定［5-6］。

為確保尾砂粒度分析的準(zhǔn)確性，本次全尾砂粒徑頻率分布采用光譜粒度分析進(jìn)行測(cè)定，用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行校核。全尾砂粒徑頻率分計(jì)和累計(jì)百分含量見表2。

通過以上數(shù)據(jù)可知，尾砂中粒徑級(jí)配良好，可在采場(chǎng)形成均勻密實(shí)、整體性好、強(qiáng)度穩(wěn)定的充填體；極細(xì)顆粒（＜20 μm）含量高于15%，可在管壁形成潤(rùn)滑層，降低管道輸送阻力，保護(hù)管壁防止管道磨損，有利于充填料漿的輸送［5-6］。

2 充填配比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

利用經(jīng)曬干的全尾砂和M32.5砌筑水泥，根據(jù)影響充填體強(qiáng)度的主要因素，結(jié)合井下不同部位充填強(qiáng)度的要求，設(shè)計(jì)膠結(jié)充填回收礦柱時(shí)，采用1∶4、1∶6、1∶8 這3 種灰砂比，65%、68%、71%這3 種濃度；充填空區(qū)采用1∶12、1∶16 這2 種灰砂比，65%、68%、71%這3種濃度，共計(jì)15組配比。每組進(jìn)行3、7、28 d這3 個(gè)齡期的強(qiáng)度測(cè)試，每組不同齡期澆注3 個(gè)試塊，共計(jì)135個(gè)試塊［7-8］。

2.2 試塊制作

根據(jù)不同配比及濃度要求下試塊中所含水泥、尾砂和水的不同，分別稱取各自所需質(zhì)量，加入JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)，通過攪拌機(jī)電機(jī)帶動(dòng)攪拌葉輪的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)使混合料充分?jǐn)嚢瑁掷m(xù)時(shí)長(zhǎng)不少于5 min。攪拌均勻后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯(lián)砂漿抗壓試模，試塊定型后放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到設(shè)計(jì)期齡后取出進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

2.3 強(qiáng)度檢測(cè)

本次試驗(yàn)強(qiáng)度檢測(cè)采用RMT-301巖石和混凝土力學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)控制的多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)，主要用于巖石和混凝土一類材料的力學(xué)性能試驗(yàn)，可完成單軸壓縮、單軸間接拉伸、三軸壓縮和剪切等多種巖石力學(xué)試驗(yàn)［9］。試驗(yàn)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)參數(shù)曲線，并提供試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)［10］。試塊強(qiáng)度檢測(cè)過程見圖1，繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖2。

經(jīng)檢測(cè)，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2010）對(duì)試塊強(qiáng)度代表值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的重新進(jìn)行了澆筑和檢測(cè)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本次試驗(yàn)測(cè)得的試塊單軸抗壓強(qiáng)度，按照相同灰砂比不同濃度、相同濃度不同灰砂比分別匯總數(shù)據(jù)，見圖2～圖9。

通過圖2～圖6強(qiáng)度曲線可以看出，充填料漿濃度是決定充填體強(qiáng)度的一個(gè)主要因素。當(dāng)灰砂比一定時(shí)，隨著料漿濃度的增大，總體上試塊各齡期的強(qiáng)度也逐漸增大［11］。料漿濃度在65%～71%時(shí)，每提高1%，3 d期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.051 MPa、7d期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.057 MPa、28 d 期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.122 MPa，隨著濃度的提高強(qiáng)度增幅變大。究其原因是料漿濃度影響著充填體的強(qiáng)度，在充填體能充分密實(shí)的情況下，料漿濃度愈大，水泥中的孔隙愈小，強(qiáng)度愈大，與骨料黏結(jié)力也愈大，充填體強(qiáng)度就愈高。

由圖7～圖9強(qiáng)度曲線可以看出，當(dāng)料漿濃度一定時(shí)，水泥添加量越多，試塊的強(qiáng)度越大。灰砂比從1∶16 提高到1∶4，水泥含量每增加1%，3 d 期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.033 MPa、7 d期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.079 MPa、28 d 期齡試塊強(qiáng)度平均增長(zhǎng)0.259 MPa。隨著水泥含量的增加，強(qiáng)度增幅呈現(xiàn)馬鞍狀，增幅最大處灰砂比約為1∶6。

分析原因在于充填物料尾砂中有許多細(xì)小空隙，而較細(xì)的水泥粉末可以有效填充于尾砂顆粒搭建起來的空隙，當(dāng)水泥充分水化后產(chǎn)生一定的膠結(jié)作用，將周圍的尾砂顆粒團(tuán)聚在一起，從而構(gòu)成充填體的總體結(jié)構(gòu)。隨著水泥添加量的增大，這種團(tuán)聚膠凝作用逐步提高，從而表現(xiàn)在充填體力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和強(qiáng)度的增大。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)灰砂比一定時(shí)，隨著料漿濃度的增大，試塊各齡期的強(qiáng)度增大，強(qiáng)度增幅變大；當(dāng)料漿濃度一定時(shí)，水泥添加量越多，試塊各齡期的強(qiáng)度越大，強(qiáng)度增幅呈現(xiàn)馬鞍狀，增幅最大處灰砂比約為1∶6。

（2）當(dāng)充填體骨料為全尾砂時(shí)，影響其強(qiáng)度的主要因素為濃度和灰砂比。濃度對(duì)試塊早期（3 d）強(qiáng)度影響較大，而決定后期（28 d）強(qiáng)度的主要為灰砂比。

（3）一般情況下，金屬礦山回收礦柱時(shí)充填體強(qiáng)度要求不小于2 MPa，處理采空區(qū)時(shí)充填體具有一定的強(qiáng)度和自立高度即可。

（4）根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)論，當(dāng)灰砂比為1∶6、料漿濃度為65%時(shí)，充填體28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.718 MPa，滿足回收礦柱強(qiáng)度要求；灰砂比1∶16、濃度65%的充填體28 d 抗壓強(qiáng)度為0.523 MPa，具有一定的強(qiáng)度和自立高度。當(dāng)灰砂比不變，濃度增高時(shí)強(qiáng)度隨之增加。

（5）為便于充填料漿輸送和礦山現(xiàn)場(chǎng)管理，推薦灰砂比為確定數(shù)值、料漿濃度為范圍值，即回收礦柱時(shí)，灰砂比為1∶6，處理采空區(qū)時(shí)，灰砂比為1∶16，料漿濃度均為65%～68%。