胶结充填体抗压强度的影响因素分析

杨安国YANG An-guo；周宗红ZHOU Zong-hong；张秋华ZHANG Qiu-hua

（①昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093；②昆明理工大学管理经济学院，昆明650093）

0 引言

开发资源和保护环境是当下人类社会面临的两大难题，随着矿产资源的开发利用，在矿山资源不断减少的同时也要越来越注重环境的保护。近几十年来，随着矿石开采造成的环境问题越来越多，充填采矿法在全国各大矿山特别是金属矿山有了很大的发展。胶结充填法利用了矿山大量的尾砂、块石，将其与胶凝剂、水混合搅拌后充入地下采空区，这种方法不仅能创造安全的作业环境，同时也将容易对环境造成破坏的尾砂输入地下，避免尾砂对环境污染。胶结充填技术的要点是充填材料，胶结充填的效果取决于充填材料的强度。所以，对影响胶结充填体强度的因素进行分析很有必要。

1 研究现状

尾砂胶结充填技术在国内最早始于20世纪60～70年代。随着胶结充填技术在矿上中应用得越来越广泛，国内外的研究都开始深入研究充填料的性质、充填料与围岩的相互作用、充填体的稳定性和充填胶凝材料。我国的矿山在60～70年代主要采用混凝土充填，由于缺乏研究，充填料的制备几乎是按照建筑类混凝土的要求。这种粗骨料胶结充填应用到矿山有很大的困难，因为充填输送工艺复杂，对物料组配要求很精确。到了20世纪70～80年代，一代代矿山人对充填物料不断地改进，出现了细沙胶结充填技术。细沙胶结充填的胶结剂主要还是水泥，其它物料有尾砂、天然砂和棒磨砂等。由于细沙胶结充填在物料组配上的改进，使其保证良好输送特性的同时也具有满足要求的胶结强度。目前，细沙胶结充填技术已经应用成熟，已在小铁山铅锌矿、凡口铅锌矿、铜绿山铜矿等矿山应用成功。

2 抗压强度影响因素分析

经过大量的科研成果和生产实践，对矿山充填技术特别是胶结充填技术的研究已经日渐深入，胶结充填作为众多充填采矿法的一种，影响其充填体抗压强度的因素有基本的共同点：胶凝材料、惰性材料、物料配比、料浆浓度、养护条件[2]。

2.1 胶凝材料

所谓胶结料是指在物理化学的作用下，能够从浆体变成坚固的石状体并能够胶结其他物料制成具有一定机械强度的复合固体物质。水泥作为最常采用的胶凝材料，但是为了有效降低成本，也可以采用炉渣以及粉煤灰等代替水泥。影响充填体强度的最主要因素莫过于水泥型号和用量，目前普通硅酸盐水泥使用最为广泛。当其他条件相同时，随着水泥用量的增加和水泥标号的增加，充填体的强度也会增加。下面主要介绍下硅酸盐水泥[2]。

表1 各种硅酸盐水泥的矿物组成（%）

水泥加水拌合后会发生化学反映而生成多种水化物，即水泥具有“水化”特性。水泥的水化合凝结硬化过程从水泥颗粒表面开始的，由于开始水化过程较快，因此，水泥强度增长较快；但水化物随着水化作用的进行会在水泥颗粒周围慢慢增多，水和水泥颗粒未水化部分接触得不够好，水化速度变慢，因而水泥强度增长也呈现减慢趋势。

在矿山尾砂胶结充填采矿中，由于水泥的价格昂贵，使胶结充填法的采矿成本较高。近年来，国内外的研究者们根据胶凝作用的机理，对水泥替代品进行了广泛的研究。出于对环保的考虑，对粉煤灰和炉渣等废料进行了集中研究。

炉渣是指金属冶炼生产过程中，从高炉排出的废渣。使用炉渣作为胶凝剂有以下几个特点：

①炉渣作为胶结剂使用时，里面SiO2的含量应不低于15%。

②炉渣里面只有玻璃质状态的SiO2才能发挥作用。

③为使其具有反应活性，刚产出的炉渣要研磨到一定细度（比表面积约为3000cm2/g）时，才具有反应活性。

④如果是火山灰质材料的活性SiO2，需必须有CaO的存在才能与水反应生成稳定的带胶结性的水化硅酸钙的复盐。而且对于各种不同的炉渣加入的CaO的含量均有一最优值。如炼铜水淬炉渣和炼铅水淬炉渣CaO最优含量分别为2.4%和20.0%。

2.2 惰性材料 矿山使用最为普遍的是尾砂，此外还有河砂，风砂等常用建筑用料。如果矿山尾砂资源丰富而且没有二次利用价值，可选用尾砂作为惰性材料。下面列举某矿山全尾砂的化学性质如表2。

表2 某矿山全尾砂化学成分组成

尾砂在作为充填的材料时要经过分级脱泥处理，因为只有这样才能使充填过程中有良好的渗透性能。经过分级脱泥使尾砂中细粒级（如-20纳米）的含量能在允许的含量以内。经过脱泥的尾砂成为分级尾砂[3]。由于采用尾砂作为惰性材料过于单一，因此，在实际中经常加入废石来保证充填体具有良好的力学特性。废石能有效提高胶结充填体的强度，废石尾砂胶结充填体的抗压强度在水泥含量不变的条件下会随着废石含量的增加而增大。在充填体强度要求一定的情况下，废石尾砂胶结充填能有效减少水泥用量，节约充填成本[2]。

2.3 料浆浓度

料浆浓度是指胶凝材料、惰性材料在充填体中所占的比重。根据料浆浓度的不同，胶结充填可分为三类如表3。

表3

在充填体水泥含量不变情况下，抗压强度随砂浆浓度的增大而增加，通过试验证实，二者呈指数函数关系。这是由于以下几个方面的因素造成的：

①浓度的大小直接影响到水泥的离席。浆体的浓度增加以后，水泥的离析越小，降低了水泥的流失，充填体抗压强度增大。

②浓度的大小影响着充填体的密度，浓度降低时，水在溢流到上表面的过程中因为流体摩擦力的作用使充填体产生很多空隙，因而充填体强度变小。

③浓度的大小影响着充填体内部均匀度，砂浆浓度增加，则在水化反应时间内浆体颗粒沉降变慢，水化反应更加充分，颗粒分布更加均匀，这会增加了充填体强度。

④浓度的大小改变着充填料中的含泥量，一定量的含泥量会在充填体中起到填充颗粒间缝隙作用，这提高了充填体密度。

2.4 物料配比

胶凝材料、惰性材料以及水和添加剂在填充体中占有的比重即为物料的配比。通常而言，充填体的强度会随着胶凝材料占得比例的增大而增大，但是也会提高成本。所谓合理的物料配比是指不仅满足工业生产的要求，还具有良好的经济利益。

2.4.1 水灰比

根据经验公式：R28=ARC（C/W-B）

式中：R—胶结体在标准条件下养护28d的抗压强度，kg/cm2；Rc—水泥标号；A—试验系数，常取 0.4～4.5；B—试验系数，一般取为0.5；C/W—灰水比。

从式中可看出，胶结体强度会随着水泥标号的增加而增加。实践证明，高标号水泥的经济效益更好[2]。

单位体积混凝土中水和水泥的重量比即水灰比。水灰比在灰砂比以及料浆浓度等条件相同时，对胶结体的强度会产生很大的影响。实践证明，水泥含量虽然对强度影响不大，但是对充填体的强度具有很大的影响，充填体强度与水泥含量多少成正比。此外，水灰比还会影响充填体的流动性，因此，为了满足实际填充过程中砂泵的输送要求，水灰比不能太低。浆体的流动性与水的用量直接相关，在实际充填过程中，一般用输送充填料的料浆浓度表示充填体的含水量[5]。

2.4.2 骨料级配

骨料作为充填体的基本组成部分，骨料级配能够对充填体的强度产生很大的影响。一个合理的充填体级配不仅能够保证均匀度，更能增加密实度和强度。一般而言，在充填材料中，粗骨料占60-70%，细骨料占30-40%。由于细骨料能够提高砂浆的输送性能以及填充粗骨料的空隙，因此，能够防止离析现象且能够增加胶结强度[2]。此外，早强剂、缓凝剂以及速凝剂等的使用也会促使填充体具有不同的特性。

2.5 养护条件

充填料浆充入采场之后，要经过一段时间的养护才能产生一定的强度，养护条件直接关系到充填体强度的形成和增长，主要表现在以下几点：①养护时间增加，充填体的强度随之增加；②水泥用量较小时，充填体养护的最佳温度在40℃，此时充填体强度增长最快，10℃～30℃间时对强度影响不大；③环境湿度也会影响水泥的硬化，湿度过大会降低充填体强度。

3 结语

随着在科学技术的发展，矿山充填采矿法的应用会越来越广泛，在充填料制备、浆体输送设备、充填料和添加剂的开发方面会有更大的研究空间。特别是对胶凝材料的开发，研究出能够取代水泥作用，并且廉价的新型胶凝材料是以后需重点研究达的方面。

[1]解世俊.金属矿床地下开采[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术[M].北京：冶金出版社，2002.

[3]罗建祥.影响胶结充填体强度的因素分析[J].甘肃冶金，2005，27（2）：24-25.

[4]张海波，宋卫东.评述国内外充填采矿技术发展现状[J].矿业快报，2009，18（12）：59-62.

[5]刘明.内蒙查干银矿3#矿体上向进路尾砂胶结充填采矿方法试验研究[D].长沙：中南大学，2002.