張 明

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司）

礦業(yè)開發(fā)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但礦山開采的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的地下采空區(qū)和尾砂等固體廢棄物，導(dǎo)致一系列安全和環(huán)保問(wèn)題［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦山開采產(chǎn)生的地下采空區(qū)體積超過(guò)12.8億m3，尾砂量超過(guò)150億t［2］。大量的井下采空區(qū)容易造成地表塌陷、水土流失和采場(chǎng)頂板沖擊災(zāi)害等問(wèn)題，而大量尾砂以低濃度形式儲(chǔ)存在尾礦庫(kù)中則容易造成潰壩等嚴(yán)重事故。充填采礦法可有效消除地下采空區(qū)危害和地表尾礦庫(kù)危害，同時(shí)充填采礦法還具有提高資源回收率、降低采礦貧化率等優(yōu)點(diǎn)［3］，目前已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。隨著淺部資源的枯竭，越來(lái)越多的礦山進(jìn)入深部開采階段，然而深部開采面臨高應(yīng)力、高地溫、高滲透壓等挑戰(zhàn)，需要采用更高的充填體強(qiáng)度［4］。

為了降低充填成本，通過(guò)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化充填料漿配比是有效的方法之一。盡管充填體強(qiáng)度方面已有大量的研究成果［5-8］，但每個(gè)礦山由于材料和強(qiáng)度需求的差異等原因，相關(guān)研究結(jié)果很難直接推廣。新疆某銅礦采用充填采礦法，每年礦石產(chǎn)量達(dá)200萬(wàn)t，產(chǎn)生大量地下采空區(qū)。同時(shí)，礦山采深已達(dá)到1 000 m，對(duì)充填體強(qiáng)度要求較高。為此，開展充填配比試驗(yàn)，研究充填濃度、砂灰比、粗骨料含量和養(yǎng)護(hù)齡期等關(guān)鍵因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律，以期優(yōu)化充填配比，在保證充填強(qiáng)度和回采安全的同時(shí)盡量降低水泥添加量和充填成本，為礦山充填實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

全尾砂取自礦山選礦廠，粗骨料取自礦山附近產(chǎn)銷點(diǎn)，膠凝材料為32.5硅酸鹽水泥。采用激光粒度儀測(cè)試全尾砂粒徑，篩分法測(cè)試粗骨料粒徑，結(jié)果如圖1所示。

采用土工測(cè)試相關(guān)方法，獲得全尾砂和粗骨料的基本物理參數(shù)，如表1所示。

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1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇粗骨料含量（粗骨料占尾砂和粗骨料總干重的質(zhì)量百分比）、質(zhì)量濃度（充填料漿中干料的質(zhì)量占比）、砂灰比（尾砂和粗骨料總干重與水泥質(zhì)量的比值）和養(yǎng)護(hù)齡期4個(gè)因素，研究其對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。其中，粗骨料含量、料漿濃度和砂灰比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。由于尾砂中硫含量超過(guò)28%，因此，設(shè)計(jì)添加較多的粗骨料來(lái)降低充填體中的硫含量，以避免可能出現(xiàn)的充填體強(qiáng)度劣化現(xiàn)象。

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充填體試塊采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)模具澆筑，24 h后拆模，在溫度20±1℃、相對(duì)濕度90%以上的環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。每個(gè)齡期澆注3個(gè)試塊，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊到達(dá)3，7，28和60 d齡期后，分別進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

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1.3.1 充填體強(qiáng)度演化規(guī)律

采用DPS軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。首先計(jì)算充填體強(qiáng)度的K值，K值的變化趨勢(shì)即為充填體強(qiáng)度的變化趨勢(shì)［5］。充填濃度、砂灰比和粗骨料含量對(duì)充填體3，7，28和60 d強(qiáng)度的K值計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

1.3.1.1 濃度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

由圖2～圖5可知，隨充填濃度的增加，充填體3，7，28和60 d強(qiáng)度均逐漸增加。一方面是因?yàn)樘岣邼舛瓤梢蕴岣叱涮盍蠞{的抗離析能力，料漿濃度越高，其屈服應(yīng)力和塑性黏度也越高，對(duì)粗骨料沉降的阻滯作用也越強(qiáng)，可有效避免粗細(xì)顆粒的自然沉降分級(jí)，使得粗細(xì)骨料的空間分布更加均勻，因而充填體強(qiáng)度提高。另一方面，充填料漿濃度的提高意味著拌合水量的減少，水泥水化作用消耗一部分拌和水后，剩余的拌和水蒸發(fā)量減少，充填體中因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的微孔隙、裂隙體積也減少，相當(dāng)于充填體中固相排列更加緊密，宏觀上表現(xiàn)為充填體抗壓強(qiáng)度提高［6］。此外，提高濃度可以降低充填料漿的泌水率，減少料漿泌水過(guò)程中的水泥流失量，進(jìn)而保證充填體硬化后的強(qiáng)度。

1.3.1.2 砂灰比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

由圖2～圖5可知，隨砂灰比的增加（水泥含量的減少），充填體3，7，28和60 d強(qiáng)度均逐漸降低，即隨灰砂比的增加（水泥含量的增加），充填強(qiáng)度也逐漸增加。充填體作為水泥基復(fù)合材料，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠量是充填體固化后具有強(qiáng)度的關(guān)鍵原因，隨著水泥摻量的增加，水化反應(yīng)所產(chǎn)生的C-S-H凝膠量也逐漸增加，因此，水泥含量的增加能夠有效地提高充填體的強(qiáng)度［7］。

1.3.1.3 粗骨料含量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

由圖2～圖5可知，隨粗骨料含量的增加，充填體3，7，28和60 d強(qiáng)度均逐漸降低。一般認(rèn)為，粗骨料對(duì)充填體強(qiáng)度有促進(jìn)作用。但本研究發(fā)現(xiàn)，隨粗骨料含量的加大，充填體強(qiáng)度不斷降低。分析其原因，當(dāng)水泥摻量及質(zhì)量濃度一定時(shí)，合理的粗骨料含量能夠增大骨料堆積密實(shí)度，形成更穩(wěn)固的充填骨架，有利于提高充填體抗壓強(qiáng)度。然而，粗骨料太多后，尾砂細(xì)顆粒無(wú)法有效填滿粗骨料之間的空隙，導(dǎo)致充填體密實(shí)度不高。因此，存在一個(gè)最佳粗骨料含量，使得充填體強(qiáng)度最高。在現(xiàn)有試驗(yàn)范圍內(nèi)，粗骨料含量70%為較優(yōu)值。

1.3.1.4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

將表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制得到充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，充填體強(qiáng)度也逐漸增加，且滿足對(duì)數(shù)函數(shù)。由于數(shù)據(jù)較多，圖中僅展示了2組數(shù)據(jù)的擬合公式，擬合精度R2均在0.99以上。分析其原因，主要是隨著養(yǎng)護(hù)期齡的增加，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H和鈣礬石也就越多，同時(shí)充填體內(nèi)部孔隙體積逐漸降低，內(nèi)部產(chǎn)物黏結(jié)密實(shí)，從而提高了試塊強(qiáng)度［7］。

1.3.2 充填體強(qiáng)度影響因素顯著性分析

根據(jù)圖2～圖5中K值可計(jì)算得到各因素對(duì)強(qiáng)度的極差，某因素的極差越大則表明其對(duì)充填體強(qiáng)度的影響越大［5］。以3 d強(qiáng)度為例，濃度的K值范圍為0.675～1.125 MPa，則極差為K值上下限之差，即0.45；砂灰比的K值范圍為0.375～1.75 MPa，則極差為1.375 MPa；粗骨料含量的K值范圍為0.8～1.025 MPa，則極差為0.225 MPa。因此，砂灰比對(duì)充填體3 d強(qiáng)度的影響最大。按此方法對(duì)充填體7，28和60 d強(qiáng)度的極差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

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由表4可知，在充填體3，7，28和60 d強(qiáng)度結(jié)果中，砂灰比的極差始終最大，其次是濃度和粗骨料含量，表明砂灰比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響最顯著，其次是濃度和粗骨料?？蓳?jù)此結(jié)論指導(dǎo)礦山充填工作。

2 工程應(yīng)用

粗骨料含量70%～85%時(shí)，充填體強(qiáng)度隨粗骨料含量的增加而降低。現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，粗骨料70%為最優(yōu)值，同時(shí)可有效避免尾砂中含硫量高而可能出現(xiàn)的充填體強(qiáng)度劣化現(xiàn)象。考慮到目前使用的粗骨料購(gòu)置成本較高，后續(xù)可開展相關(guān)試驗(yàn)來(lái)研究其他粗骨料（如礦山附近的冶煉爐渣）對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。

提高充填濃度能有效地促進(jìn)充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)。當(dāng)70%的粗骨料摻量時(shí)，濃度75%～79%均具有極好的流動(dòng)性，塌落度在28 cm以上，能夠滿足礦山自流輸送的需求。因此，充填濃度上限可取為79%。

水泥越多對(duì)充填體強(qiáng)度的促進(jìn)作用也越明顯，但加大水泥含量，充填成本也會(huì)增加。根據(jù)礦山階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V［9］的現(xiàn)狀，一步驟采區(qū)空內(nèi)的充填體要作為二步驟采礦時(shí)的人工礦柱，充填體頂部和底部需再次拉開布置采準(zhǔn)工程，而中部充填體僅需滿足自立要求即可。因此，僅需在采空區(qū)底部和頂部采用高灰砂比來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的充填體強(qiáng)度，在采空區(qū)中部采用低灰砂比來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約水泥成本的目的，如圖7所示。目前，二步驟回采時(shí)，一步驟充填體穩(wěn)定性良好。

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，充填體強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。因此，通過(guò)生產(chǎn)組織優(yōu)化，合理安排采場(chǎng)回采計(jì)劃，盡量延長(zhǎng)一步驟充填體的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，可進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，降低水泥摻量和充填成本。

3 結(jié)論

（1）隨充填濃度、養(yǎng)護(hù)齡期和灰砂比的增大，充填體強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但通過(guò)提高濃度、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期來(lái)提高充填體強(qiáng)度最為經(jīng)濟(jì)。

（2）合理的粗骨料含量能夠增大骨料堆積密實(shí)度，形成更穩(wěn)固的充填骨架，有利于提高充填體抗壓強(qiáng)度。但是，粗骨料太多后，尾砂細(xì)顆粒無(wú)法完全填充粗骨料之間的空隙，充填體強(qiáng)度反而隨粗骨料含量的增加呈下降趨勢(shì)。

（3）灰砂比對(duì)充填體強(qiáng)度的促進(jìn)效果最顯著，其次是充填濃度和養(yǎng)護(hù)齡期。實(shí)踐中應(yīng)盡量提高充填濃度和養(yǎng)護(hù)齡期，對(duì)采空區(qū)的不同位置采用不同的灰砂比，以此實(shí)現(xiàn)提高充填體強(qiáng)度、節(jié)約水泥成本的目的。