尾砂胶结充填材料配比强度变化特性研究

杨岳阳，何晓武，王 雷

(广西华锡集团股份有限公司铜坑矿，广西 南丹 547205)

近年随着我国经济的快速发展，矿业也不断蓬勃发展，但矿山的开采同时也对周边环境造成影响，其中最为常见的隐患便是矿山开采形成地下空区，造成地表工业及民用场所塌陷的风险，而充填采矿法可有效解决此问题，已在我国矿山中不断推广应用[1]。

充填采矿法中最为重要的技术便是在保证充填系统其他条件可靠的前提下如何最大限度增加充填料强度，一般碍于充填成本的限制，充填料一般秉着就地取材的原则，尾砂作为一种矿山宜取材料，在充填材料中应用越来越广泛，但如何调节尾砂胶结充填材料配比，提高充填材料强度仍是亟待解决的问题[2-3]。

为此，本文以广西某矿山尾砂作为基础充填料，进行全尾砂胶结充填材料强度配比试验，依据试验结果优选出最适宜的充填材料配比，并为该矿山充填系统建设提供基础试验资料。

1 试验材料测试

1.1 物理特性测试

本次所选测试材料为该矿连选试验尾砂，对所选尾砂进行粒度测试分析，所选尾砂中各粒径成分组成见表1，各粒径分布见表2。

表1 尾砂颗粒成分测定

表2 尾砂粒径分布

根据所测尾砂颗粒组成及粒径分布得尾砂粒径分布曲线，如图1所示。根据所测尾砂颗粒成分结果显示小于0.01 mm细颗粒占24.5%，0.1 mm以下颗粒占达80%以上，说明尾砂总体粒径较小，符合结构流充填要求的细尾砂含量整体要求。

图1 粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve

尾砂的各物理参数为基本数据，试验同时按土工试验标准对尾砂各项基本物理参数进行了测试，测试结果见表3。

表3 尾砂颗粒物理参数

1.2 化学成分测试

由于充填系统中充填材料的化学成分会影响充填料物理性质，因此需对尾砂的化学组成进行测试，测试结果见表4所示，从表4可见，其主要化学成分为SiO2和CaO，因此该尾砂可应用于充填料中。

表4 尾砂成分构成

2 尾砂胶结充填材料配比强度测试

2.1 试验原理

试验以该矿山连选试验全尾砂与标号为P.C32.5的硅酸盐水泥为试验材料，设计不同组灰砂比及不同浓度料浆试样，并对不同龄期的各试样进行单轴抗压强度测试，根据试验测试结果分析不同养护龄期、不同灰砂比及料浆浓度下充填体的力学性质变化，并依此结果优选出最适宜的充填材料配比[4]。

2.2 试验测试

根据上述试验方法，设计灰砂比为1∶3、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12共计5组，料浆浓度选择78%、76%、74%、72%，总计20组配比材料。分别对每组试样进行4个龄期(3、7、28、60 d)的强度测试，各组设3个平行样本。该矿尾砂颗粒较细，故采用金属模具浇注，所选尺寸为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm。试样的制作、养护等过程均按操作规程进行。分别对各试样进行单轴抗压强度测试，试验测试结果见表5。

表5 各试样抗压强度

2.3 试验结果分析

一般认为养护龄期、灰砂比、料浆浓度是对充填体力学性质影响最大的因素[5-6]，因此需对三种因素影响综合分析，从而了解各试验充填材料的变化规律，并以此为根据选择最优的充填材料配比。根据上述试验测试结果，以灰砂比1∶3和灰砂比1∶6各龄期和各浓度条件下试样强度做分析，并绘制不同浓度条件下各龄期试样强度折线图，灰砂比1∶3各试样测试结果折线图见图2，灰砂比1∶6各试样测试结果见图3。从图2和图3可看出，灰砂比1∶3和1∶6在料浆浓度一定的条件下其强度均随着龄期的增加而增加，其强度增加速度趋势呈现出先急后缓的趋势，在龄期10 d内其强度增加速度最快。灰砂比为1∶3时料浆浓度从大到小各试样能达到的最大强度分别为5.074、4.284、3.244、4.044 MPa，灰砂比为1∶6时料浆浓度从大到小各试样能达到的最大强度分别为1.954、1.674、1.652、1.351 MPa。同一浓度条件下，灰砂比越大其最终能达到的强度越大，但其充填材料成本也将越高。

图2 灰砂比1∶3各试样测试结果Fig.2 Test results of lime sand ratio 1∶3

在同一灰砂比条件下料浆浓度越高其强度越大，而浓度过高其流动性较差，充填管路阻力也更大，能耗也越大，因此合适的料浆浓度选择也是充填系统建设的重要考量。从图3及试验测试结果中可看出，料浆浓度为76%和74%其抗压强度随龄期的变化趋势线较为接近，即其两种料浆浓度条件下的充填体所能达到的强度大体相当，因此从经济及技术角度考虑选用料浆浓度74%较为适宜。

图3 灰砂比1∶6各试样测试结果Fig.3 Test results of lime sand ratio 1∶6

根据表5数据，料浆浓度为74%时，灰砂比为1∶3时其60 d龄期达到的最大强度为3.244 MPa；灰砂比为1∶4时其60 d龄期达到的最大强度为2.924 MPa；灰砂比为1∶6时其60 d龄期达到的最大强度为1.652 MPa；灰砂比为1∶8和1∶12时其最终所能达到的强度较小，分别为0.694 MPa和0.494 MPa。从各灰砂比所能达到的强度数据可知，在料浆浓度为74%，灰砂比为1∶4时其60 d龄期的抗压强度已经达到2.924 MPa，满足矿山充填强度要求。因此根据试验测试及经济、技术等综合方面考量，可将灰砂比为1∶4、料浆浓度为74%的充填材料配比作为最佳选择。

3 结论

1)根据对该矿山尾砂物理及化学特性测试，可知该矿尾砂能够作为充填材料应用，为充填系统建设提供基础材料条件。

2)以不同灰砂比、不同料浆浓度为可变条件，配置不同灰砂比、不同浓度的试样，并对各龄期试样的抗压强度进行测试，测试结果显示，随着龄期增加充填体试样强度逐渐变大，水泥添加量与充填体试样强度也成正比，同时，料浆浓度的提高对充填体试块的强度增大也是有益的。

3)料浆浓度为74%，灰砂比为1∶4时其60 d龄期抗压强度达到2.924 MPa，满足该矿山充填体强度要求，为最佳条件。

4)尾砂胶结充填材料配比选择除要考虑其能达到的强度要求外，也应考虑充填料浆的流动性要求，本次试验测试仅以充填材料强度为主要指标，后期应考虑对充填料浆进行流变试验测试，以此保障后期充填系统稳定运行。