巴 蕾 周 堯 卓慶奉 王 晶 岑 旺

（1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院；2.內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)有限公司）

充填采礦法具有提高資源回收率、防止地表及建筑物沉陷、控制采場(chǎng)地壓和保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外礦山的青睞［1-4］。目前金川公司棒磨砂的供應(yīng)量無(wú)法滿(mǎn)足超大充填的需求，急需既廉價(jià)又充足的材料來(lái)補(bǔ)充［5］。礦區(qū)周邊有豐富的采掘廢石、選礦尾砂，因此，開(kāi)展廢石-棒磨砂混合骨料級(jí)配分析及其對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響的研究，對(duì)指導(dǎo)礦山充填采礦具有重要理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值。

目前，專(zhuān)家學(xué)者關(guān)于混合骨料級(jí)配與其對(duì)充填料漿或充填體性能強(qiáng)度影響開(kāi)展了大量研究。如王國(guó)強(qiáng)等［6］進(jìn)行了喀拉通克銅鎳礦戈壁-冶煉渣膠結(jié)充填試驗(yàn)研究；WU D等［7］研究了粉煤灰-尾砂煤矸石膠結(jié)充填體吸能特性；董培鑫等［8］研究了全尾砂、戈壁砂與棒磨砂組成的混合充填集料的級(jí)配特征與料漿流動(dòng)性變化規(guī)律；楊曉炳等［9］研究了早強(qiáng)劑對(duì)固結(jié)粉膠凝材料混合骨料充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律；張修香等［10］研究了戈壁砂-尾砂混合骨料的充填料漿管輸特性及流變特性?，F(xiàn)有研究均表明，改變充填骨料粒徑對(duì)料漿性能及凝結(jié)后的充填體強(qiáng)度有所影響。因此，本文以金川集團(tuán)龍首礦為工程背景，采用廢石-棒磨砂組成的混合骨料，通過(guò)篩分試驗(yàn)和早強(qiáng)試驗(yàn)，研究不同配比混合骨料的粒徑特征值變化規(guī)律，分析了質(zhì)量濃度、膠砂比和廢石摻量對(duì)充填體早期強(qiáng)度的影響，基于充填體試塊剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行粒徑級(jí)配與早期強(qiáng)度的相關(guān)分析，為廢石-棒磨砂混合骨料充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)材料由充填骨料、水泥和水組成。充填骨料有棒磨砂、廢石，棒磨砂為戈壁集料經(jīng)棒磨工藝所生產(chǎn)，廢石為礦山生產(chǎn)掘進(jìn)時(shí)及采礦過(guò)程中產(chǎn)生的廢石，棒磨砂、廢石的物化特性分析見(jiàn)表1，粒徑級(jí)配如圖1 所示。水泥為42.5R 普通硅酸鹽水泥，水為室內(nèi)自來(lái)水。

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2 混合骨料粒徑級(jí)配分析

針對(duì)棒磨砂和廢石2種粗骨料，設(shè)計(jì)不同質(zhì)量比（廢石∶棒磨砂=1∶9、2∶8、3∶7、4∶6）組成的混合骨料進(jìn)行篩分試驗(yàn)方案，混料后進(jìn)行粒度篩分，并進(jìn)行級(jí)配分析。其中，篩分試驗(yàn)選取試樣1 000 g，利用振篩機(jī)震動(dòng)3 min 后手動(dòng)篩分直到每一層篩上顆粒質(zhì)量無(wú)變化為止，每種方案試驗(yàn)3 次，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

4 種試驗(yàn)方案進(jìn)行相應(yīng)混合骨料粒徑篩分試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

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根據(jù)混合骨料粒徑測(cè)試結(jié)果，計(jì)算粒徑分布特征值，曲率系數(shù)CC、不均勻系數(shù)CU、加權(quán)平均粒徑dav和級(jí)配指數(shù)n的計(jì)算方法［11］為

式中，d10、d30、d60為累計(jì)含量為10%、30%、60%顆粒能通過(guò)的篩孔直徑，mm；di為每一個(gè)篩分粒徑的上限粒徑和下限粒徑的平均值，mm；Gi為該粒徑在總試樣中所占的質(zhì)量百分比，%；m為篩分時(shí)的粒級(jí)數(shù)；P為混合骨料中通過(guò)某篩孔的粒徑di占總量的百分率，%；Dmax為混合骨料的最大粒徑，mm。

圖2 為混合骨料中廢石摻量與曲率系數(shù)及不均勻系數(shù)的關(guān)系。從圖2 可以看出，隨廢石摻量增加，混合骨料的不均勻系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，不均勻系數(shù)變化范圍為10.29～10.63，表明混合骨料大小分布范圍大，級(jí)配良好；混合骨料的曲率系數(shù)隨廢石摻量提高，表現(xiàn)出波動(dòng)式折線變化規(guī)律，在廢石摻量20%時(shí)，曲率系數(shù)達(dá)到最大，為0.89，而在廢石摻量30%時(shí)，曲率系數(shù)達(dá)到最小，為0.59，不同廢石摻量的混合骨料曲率系數(shù)均未超過(guò)1，因此混合骨料缺失中間粒徑。

圖3 為混合骨料中廢石摻量與加權(quán)平均粒徑及級(jí)配指數(shù)的關(guān)系。加權(quán)平均粒徑反映了混合骨料整體粒徑分布情況，尤其是粗顆粒的分布，而級(jí)配指數(shù)則表征了骨料密實(shí)度，通常取n=0.3～0.7 時(shí)，有良好的密實(shí)度。從圖3 可見(jiàn)，加權(quán)平均粒徑與級(jí)配指數(shù)隨廢石摻量增加的變化規(guī)律一致，均為整體上增大及局部（廢石摻量30%）緩慢減?。粡U石摻量由10%增至40%，加權(quán)平均粒徑由1.83 增加到2.23，摻入廢石后混合骨料中的粗顆粒含量增多，混合骨料粒徑分布范圍變廣。級(jí)配指數(shù)的變化范圍為0.50～0.59，不同廢石摻量的混合骨料密實(shí)度良好，級(jí)配分布滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，有利于保證充填體早期強(qiáng)度。

3 混合骨料充填體早期強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

利用42.5R 普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料與混合骨料進(jìn)行充填體早期強(qiáng)度試驗(yàn)，以廢石棒磨砂按質(zhì)量比組成的混合骨料作為充填體骨料，其中廢石摻量為10%，20%，30%和40%?？紤]到料漿實(shí)際制備中的系統(tǒng)波動(dòng)，同時(shí)選取不同膠砂比（1∶4，1∶5，1∶6）及不同質(zhì)量濃度（78%，80%，82%），利用全面試驗(yàn)法進(jìn)行充填體早期（3 d）強(qiáng)度試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)期齡后測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度。

3.2 質(zhì)量濃度及膠砂比對(duì)早期強(qiáng)度的影響

充填體早期強(qiáng)度與質(zhì)量濃度關(guān)系如圖4 所示?？梢钥闯?，在相同條件下，充填體早期強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量濃度增加而增加，如在膠砂比1∶4 和廢石摻量10%時(shí)，早期強(qiáng)度由2.14 MPa 增至2.79 MPa 后繼續(xù)增加到3 MPa。這是由于當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度時(shí)，只要早期水化反應(yīng)所需水分充足，充填體中單位體積內(nèi)所含膠凝材料與骨料質(zhì)量更大，尤其是骨料的含量更大，這更有利于充填體形成更為密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，也有利于膠凝材料更快形成緊密膠結(jié)體，這大大提高了充填體的早期抗壓強(qiáng)度。

充填體早期強(qiáng)度與膠砂比關(guān)系如圖5 所示?？梢钥闯?，在相同條件下，充填體早期強(qiáng)度隨膠砂比的減小而減小，如在質(zhì)量濃度78%和廢石摻量10%時(shí)，早期強(qiáng)度由2.14 MPa 減至1.4 MPa 后繼續(xù)減小到1.38 MPa。這是由于膠砂比越小，單位充填體中膠凝材料含量越少，參與水化反應(yīng)的膠凝材料含量過(guò)少，影響充填骨料與水泥的正常膠結(jié)，導(dǎo)致充填體早期 強(qiáng)度降低。

3.3 廢石摻量對(duì)早期強(qiáng)度的影響

充填體早期強(qiáng)度與廢石摻量關(guān)系如圖6 所示?？梢钥闯觯谙嗤瑮l件下，充填體早期強(qiáng)度隨廢石摻量的增大呈先減小后增大又減小的趨勢(shì)，如在質(zhì)量濃度82%和膠砂比1∶4 時(shí)，早期強(qiáng)度由3 MPa 先減至2.09 MPa 后增大到3.6 MPa 又減小到1.47 MPa。這可能是由于曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)、加權(quán)平均粒徑和級(jí)配指數(shù)等特征值變化規(guī)律不一致，綜合作用下所造成的。綜合可知，混合骨料中，在廢石摻量為30%充填體早期強(qiáng)度最優(yōu)。

3.4 粒徑級(jí)配與早期強(qiáng)度的相關(guān)分析

充填體早期強(qiáng)度與廢石摻量間的變化規(guī)律復(fù)雜，利用內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行粒徑級(jí)配與早期強(qiáng)度的相關(guān)分析。由圖7 可見(jiàn)，摻入廢石后，充填體形成廢石-棒磨砂混合結(jié)構(gòu)骨架，骨料結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)廢石顆粒，隨著廢石摻量的不斷增加，充填體試塊剖面以細(xì)顆粒為主，并且其中粗顆粒數(shù)量不斷增多，主要有4 個(gè)變化階段。在廢石摻量10%時(shí)，粗顆粒較少，基本由棒磨砂顆粒均勻分布，保證了充填體的早期強(qiáng)度。增加廢石摻量至20%，粗顆粒不均勻的布置于內(nèi)部剖面上，粗顆粒相對(duì)離散分布導(dǎo)致了充填體早期強(qiáng)度下降。繼續(xù)增大廢石摻量，粗、細(xì)顆粒均勻分布，結(jié)構(gòu)緊湊且相對(duì)密實(shí)，是廢石摻量為30%充填體早期強(qiáng)度最優(yōu)的原因。但當(dāng)廢石摻量增至40%時(shí)，粗顆粒幾乎全部沉降到底部，粗、細(xì)顆粒在內(nèi)部剖面的中間位置出現(xiàn)了明顯的分界，即發(fā)生了嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了充填體早期強(qiáng)度突然大幅下降。

4 結(jié) 論

（1）隨廢石摻量增加，混合骨料的不均勻系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，而曲率系數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)式折線變化規(guī)律，加權(quán)平均粒徑與級(jí)配指數(shù)隨廢石摻量增加，均表現(xiàn)為整體上增大及局部（廢石摻量30%）緩慢減小的變化趨勢(shì)。不同廢石摻量的混合骨料粒徑分布范圍大，密實(shí)度良好，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，有利于保證充填體早期強(qiáng)度。

（2）在其他條件不變的情況下，充填體早期強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量濃度或膠砂比的增大而增大，隨廢石摻量的增大呈先減小后增大又減小的趨勢(shì)，充填體早期強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)的廢石摻量為30%。

（3）廢石摻量由10%增至40%時(shí)，混合骨料充填體試塊剖面經(jīng)歷了4個(gè)階段變化，分別為以棒磨砂為主的細(xì)顆粒均勻分布階段，粗顆粒相對(duì)離散不均勻分布階段，結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)的粗、細(xì)顆粒均勻分布階段，離析分界線上下間隔粗、細(xì)顆粒分布階段，是充填體早期強(qiáng)度先減小后增大又減小的主要原因。