尾砂级配对充填体强度的影响及优化

汪海萍，谭玉叶，吴 姗，周家祥，王 雨

（1．北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083；3．武汉钢铁集团矿业有限责任公司 大冶铁矿，武汉430080）

全尾砂充填地下空区可以解决极厚矿体、矿柱回采的贫化率大、损失率大、“三下”资源开采安全性低等问题，同时进行深部岩体地压控制［1］，不仅可以保护地表建筑、有效控制地表塌陷区和错动区，还可以安全处理矿山大量尾矿，保护矿山环境。

矿山应用充填采矿法时，采场围岩的稳定性取决于胶结充填体的强度，充填体强度是节约充填成本与保障采场安全作业的重要因素。充填料浆胶结成型是一个复杂的物理化学过程，受尾砂级配、料浆浓度、灰砂比、龄期以及初凝、终凝时间等多因素影响。

国内外学者已经在料浆浓度、灰砂比和龄期对充填体强度影响方面做过很多研究［2－6］，但关于尾砂级配对充填体强度影响方面的研究还很少。大量矿山充填实践表明，尾砂充填体胶结强度与其材料的级配特征相关［7］。因此，研究尾砂级配对充填体的影响具有重要意义。

本文主要研究尾砂级配对充填体强度的影响，通过对三种全尾砂粒级组成分析，结合充填体单轴抗压强度试验，分析两者之间的关系。借助XRD能谱分析和SEM分析，初步得出尾砂级配对充填体水化反应的影响。再对充填试块强度较低的全尾砂进行优化，通过优化级配以期提高充填体强度。

1 尾砂粒级组成分析

实验原料：A、B、C三种全尾砂，型号为32．5#的硅酸盐水泥。

这三种全尾砂同属于砂类散体介质，经过化学成分分析成分差异很小，其级配是影响它们力学性能最重要的物理参数，同时也是输送料浆、选择设备的重要依据，通常用加权平均粒径与不均匀系数来表征充填材料的级配情况。

1）加权平均粒径

加权平均粒径dav可按式（1）求得：

式中：di—每一筛分粒级上下极限粒径的平均值，di＝ （dimax＋dimin）／2；Gi—此粒级在总试样中所占质量百分比。

2）粒级组成不均匀系数φ

不均匀系数反映充填材料颗粒组成的均匀情况，不均匀系数φ的计算公式见式（2）。不均匀系数越大，组成颗粒越不均匀。

式中：dx—代表粒级组成中颗粒百分含量占x%处的粒径，mm。

本文采用Winner 2000型激光粒度分析仪测得各矿全尾砂粒级组成，并通过上述公式计算得各矿全尾砂级配分布特征值（如表1）。

从表1可得C尾砂的颗粒最粗，不均匀系数最小，说明其尾砂颗粒大小差异不明显。A尾砂的颗粒最细，不均匀系数最大，说明A尾砂的粗细颗粒差异较大。而B尾砂的颗粒大小和不均匀系数均介于A尾砂和C尾砂之间。由此可见A尾砂级配最差，B次之，C最优。

表1 全尾砂级配分布特征值Table 1 Gradation distribution eigen value of unclassified tailings

2 尾砂粒级对水化反应的影响研究

2．1 水化反应试验方法

采用 X射线（X－ray diffraction，XRD）衍射仪对样品进行物相分析。利用扫描电镜（简称SEM），对充填体不同级配的试块进行微观形貌分析，共取得扫描电镜图64个。

XRD衍射仪设备型号为D／Max－RC衍射仪，设备参数为：Cu靶，50kV，60mA，扫描范围10°～70°，速度 80r／min。SEM 设备 型号为 SUPPA TM55，最高分辨率1．0nm，最大放大倍数90万倍，测试时采用加速电压15kV。

2．2 水化反应物相组成

图1表示试件3d、7d和28d水化作用后的XRD衍射谱。

图1 水化产物XRD衍射谱Fig．1 XRD diffraction spectrum of hydration products

SEM研究表明，水泥尾砂胶结的主要物相分两种：一种是水化物相，由水泥和尾砂发生水化反应后生成的新物相；另一种是残留物相，未参与反应或未反应完毕的物相。其他的还有水和空气组成的孔隙网等。其中水化物又称胶结相，起主导作用，其数量、种类、相对大小和空间分布等特点决定了硬化体的强度等其他物性。残留物相也是硬化体的重要组成部分，对硬化体的强度等性质也会产生一定影响。

水化物相分为两类：一类是结晶比较差、晶体大小相当于胶体尺寸的水化硅酸钙胶凝体（简称C－SH）和少量的水化铝酸钙胶凝体（简称C－A－H）；另一类是结晶程度相对比较完整、晶体较大的氢氧钙石（Ca（OH）2）、钙矾石（AFt）等，这些结晶完整的物质使得充填体的机械强度明显增强。

1）C－S－H胶凝体。扫描电子显微镜观察发现，C－S－H胶凝体主要为水化物相，其形态有以下几种：① 纤维状、毛发状、针状或棒状，常呈树枝状交织在一起，不管养护龄期多长，均可发现这种胶凝体。②网络状、蜂窝状、棉絮状粒子，是由许多小的粒子互相接触而形成的网状或交织状构造。③ 叶片状、板状、花朵状，多以整体形式存在。

2）Ca（OH）2。扫描电镜下形态呈六方板状、层状或片状，分布不均匀。

3）AFt。扫描电镜下形态呈针柱状、棒状，局部分布。

在SEM微观分析时，在相同放大倍数下选了两组具有代表性的组合进行实验，不同级配的试块水化反应的差异如图2所示。

图2 胶结充填试件的电镜扫描图Fig．2 SEM images of cemented backfill samples at different conditions

2．3 尾砂粒级对水化反应的影响分析

由图2可见，充填料浆和水泥在水化过程中会生成大量的非晶物质和结晶度较低的水化产物。在试件3d时，产物含大量 AFt、C－S－H 胶凝体和Ca（OH）2，并含有少量硫铝酸钙、碳酸钙等水化产物。其中AFt主要为铝酸钙水化后与石膏反应生成的产物，它是高结晶矿物，可以快速固结大量自由水，使得充填体的早期强度迅速提高。图（2）经能谱分析，测得针状物为AFt，网络絮状物主要为C－S－H胶凝体。对比（a）、（b）可见前者 AFt（针状）明显少于后者，充填体前期的充填体强度与AFt（针状）含量成正比，可见A试块早期强度应该小于C试块。

随着龄期增长，水化反应继续进行，团絮状胶凝物质大量生成，水化产物黏结得相当密实，机械强度和耐久性得到了进一步增强，虽然表面仍可以看到少量针状物，但大部分已被絮状物覆盖，如（c）、（d）。试样龄期28d时，团絮状胶凝物黏结密实，多以整体形式存在，说明水化程度和水化产物的结晶程度越来越高，晶体颗粒明显增大，因而充填体强度也相应增强。对比（c）、（d）可见（d）比（c）团絮状胶凝物黏结得更紧密，因此28d时，A试块强度应该低于C试块。

水泥与全尾砂发生水化反应时，起初在颗粒表面进行，在颗粒外围表面形成一层凝胶膜，会导致后期水化作用进行困难，颗粒粒径越小，其更易被水泥包裹，此时，由于胶凝外膜含水过多，不能很好地联结各种颗粒，因此会导致强度偏低。由此可见，级配影响水化反应，从而影响充填体强度。

3 尾砂粒级对充填体抗压强度的影响

为了尽量保证试验环境与现场条件一致，用大桶从矿山选矿厂接取全尾砂浆，运至实验室。

3．1 充填体抗压强度试验过程

将三种全尾砂浆按灰砂比配比成1︰4、1︰6、1︰8、1︰12，浓度为65%、68%、70%，龄期为3 d、7d、28d的标准试块，每种配比均制备3个试块（取平均值），实验模具规格为7cm×7cm×7cm标准三联试模浇灌，共制备324个试块。24h后脱模，将试块放入标准恒温恒湿养护室养护（温度19℃～21℃，相对湿度92%±5%），分别测试其单轴抗压强度，计算得对应条件下充填体试块的强度（表2）。

表2 不同试件单轴抗压强度表Table 2 Uniaxial compressive strength of different backfill samples

3．2 尾砂粒级对充填体抗压强度影响分析

由表2可见，充填体单轴抗压强度与龄期、灰砂比、料浆浓度正相关，即龄期越长，料浆浓度越高，灰砂比越大，充填体的单轴抗压强度越大。

对比三种不同级配的全尾砂胶结充填体试块在同灰砂比、同浓度下单轴抗压强度随着龄期的变化（如图3）。由图3结合表2可见，相同条件下A充填体的单轴抗压强度最小，C充填体的前期（3～7 d）单轴抗压强度高于B的前期单轴抗压强度，C充填体的后期（28d左右）单轴抗压强度基本低于B试块的后期单轴抗压强度。在相同条件下，三种全尾砂胶结充填体试块单轴抗压强度之间的变化曲线基本一致，由此可见级配是影响充填试块强度的重要因素，级配越好，充填试块强度越高。这与图2的结果也相一致，C试块强度大于A试块强度。

4 级配优化

从表2分析可得，由于三种全尾砂级配不同，导致相同条件下全尾砂水泥胶结充填材料性能出现优劣，级配差的A尾砂水泥成本要远远高于B尾砂和C尾砂。这里针对级配较差的A全尾砂，通过优化全尾砂级配来提高其充填体单轴抗压强度。

借鉴金川镍矿充填成功经验，充填骨料中超细颗粒（－20μm）含量为20%左右最佳［8］。为了优化A铁矿全尾砂级配，将全尾砂分级，剔除细颗粒，控制超细颗粒含量在20%以内。测得分级尾砂d50＝27．34，dav＝53．79，φ＝8．46，分级尾砂中中值粒径和平均粒径都增大，不均匀系数减小，从而优化了级配，分级尾砂充填体单轴抗压强度见表3。

表3 A分级尾砂充填体单轴抗压强度Table 3 Uniaxial compressive strength of A classified tailings

对比全尾砂（表2）和分级尾砂（表3）试件的抗压强度，可见在相同条件下，分级尾砂试件抗压强度高于全尾砂试件的抗压强度。当灰砂比为1∶4，料浆浓度为68%，龄期分别为3d、7d、28d时，分级尾砂充填体强度比全尾砂充填体强度高出0．37 MPa、0．83MPa、1．5MPa，增幅率分别达102．8%、86．5%、52．1%。由增幅率对比可见，分级尾砂早期强度增幅率大，其随着龄期增大而减小。

全尾砂A级配优化后，其分级尾砂级配分布特征值与B、C类相近，其充填体强度也得到了明显提高。

图3 同配比同浓度下不同级配尾砂的单轴抗压强度曲线Fig．3 Uniaxial compressive strength curves at the same ratio and concentration of different gradation tailings

5 结论

1）通过激光粒度分析仪以及计算结果可得，全尾砂A颗粒最细，级配最差，B次之，C级配良好。相同条件下，充填体单轴抗压强度与龄期、灰砂比、料浆浓度正相关。尾砂级配对充填体单轴抗压强度影响极大，级配越好，充填体单轴抗压强度越高。

2）由XRD分析和SEM扫描电镜分析可见，水化反应3d时，产生大量针状钙矾石和絮状硅酸钙胶凝物，针状钙钒石分布结构密实，通过絮状、丝状产物联结，到28d时，水化产物反应开始进入稳定期，针状物大量减少，大多被絮状物覆盖，团絮状胶凝物黏结更加密实，多以整体形式存在。

A试块和C试块由于级配不同，导致水化反应初期（3d）A试块钙矾石（针状）明显少于后者，28d时C试块团絮状胶凝物黏结更紧密，从而影响了试块的充填体强度，使得级配较优的C试块充填体强度明显高于A试块的充填体强度。

3）相同条件下，分级尾砂充填体强度比全尾砂胶结试块强度高。当灰砂比为1∶4，料浆浓度为68%，龄期分别为3d、7d、28d时，分级尾砂充填体强度比全尾砂充填体强度高0．37MPa、0．83MPa、1．5MPa，增幅率分别达102．8%、86．5%、52．1%。由对比可见，分级尾砂早期强度增幅率大，随着龄期增大，强度增幅率减小。全尾砂A级配优化后，其充填体强度也得到了明显提高。

［1］ 于润沧 ．我国胶结充填工艺发展的技术创新［J］．中国矿山工程，2010，39（5）：1－3．

［2］ FALL M，BENZAAZOUS M，OUELLET S．Experiment characterization of the influence of tailings fineness and density on the quality of cemented paste backfill［J］．Journal of Material Science，2005，18（1）：41－44．

［3］ 李一帆，张建明，邓 飞，等 ．深部采空区尾砂胶结充填体强度物性试验研究［J］．岩土力学，2005，26（6）：865－868．

［4］ 宋卫东，李豪风，雷远坤，等 ．程潮铁矿全尾砂胶结性能试验研究［J］．矿业研究与开发，2012，32（1）：8－11．

［5］ 姚志全，张钦礼，胡冠宇 ．充填体抗拉强度特性的试验研究［J］．南华大学学报：自然科学版，2009，23（3）：10－13．

［6］ Nasir O，Fall M．Shear behavior of cemented pastefill－rock interfaces［J］．Engineering Geology，2008，101：146－153．

［7］ 张钦礼，彭续承，王新民，等 ．尾砂坝内不同位置尾砂对充填体强度的影响［J］．中南工业大学学报：自然科学版，1995，26（1）：30－33．

［8］ 徐文彬，宋卫东，杜建华，等 ．超细全尾砂材料胶凝成岩石机理［J］．岩土力学，2012，34（8）：2295－2302．