良山铁矿全尾砂充填体强度研究

陈 伟

（新余良山矿业有限责任公司，江西 新余 338000）

随着环保理念的推进，如今地下矿床开采方法都是充填采矿法。要求充填体强度能够满足对矿山采空区顶板边帮的应力承载作用，避免采空区塌陷。通常采用各个矿山的尾砂通过配比试验，得到满足矿山需要的充填体。

1 试验

1.1 试件制备

本次试验采用的钢试模尺寸为100×100×100 mm，试模每次浇注前需打油，每块试件灌浆后捣插10次，分三次完成（共计30次），脱模时间需大于24 h，视凝固时间确定，脱模后即放入养护水箱（温度（20±3）℃，湿度＞90%），并用油漆编组，养护期注意每天给养护箱加水，保持湿度。试压时每组4块全部做抗压强度测试。

1.2 试验系统简介

本次试验采用TYA-300A型微机控制恒加载压力试验机。该机从杭州思田科技有限公司引进，为EHDC恒加载压力试验微机控制系统，适用于非金属及复合材料的压缩试验。

2 试验结果

2.1 试验数据

全部试件（包括补做试块）养护28龄期后，即进行试压，试压修正后的结果见表1。

表1 充填胶结试块二次回归正交试验测试数据表

10 6 58% 1：6.67 20%11 13.9 70% 1：6.67 20%12 5.8 70% 1：6.67 20%13 10.7 70% 1：6.67 32%14 7.7 70% 1：6.67 8%15 10.7 70% 1：6.67 20%

2.2 试验结果的统计分析

按照二次回归正交设计的15组试验，对数据结果进行统计分析。各平方项按照下式计算后变换：

经分析可知，缩减回归方程不失拟合效果，具有预测意义。回归方程为：

将表中各因素编码公式代入上式，并整理得到最终的抗压强度回归方程为：

式中：z1—为质量浓度（%）；

z2—为灰砂比；

z3—为微粉渗入比（%）。

2.3 充填配比参数的回归预测分析

2.3.1 设计质量浓度时不同灰砂比下微粉渗入比与强度关系

若设计充填浓度选择为80%，其相应的微粉渗入比与强度关系可通过回归方程得到：

分别设灰砂比为1:4，1:6，1:10和1:15绘制微粉渗入比和抗压强度的关系曲线，如图1所示。

相应的，选择充填质量浓度80%、70%、60%，可得到图1不同浓度下试件强度与微粉渗入比的关系。

图1 不同浓度下试件强度与微粉渗入比的关系

由图1可知，当微粉掺入比越大时，充填体的抗压强度越大，在实验参数取值范围内，当料浆浓度较低的时候，充填体的抗压强度随微粉掺入比的增大，强度提高更快。

2.3.2 设计微粉渗入比时不同充填浓度下灰砂比与强度关系

若设计微粉渗入比为10%，其相应的灰砂比与强度关系可通过回归方程得到：

分别设质量浓度为65%,70%,75%和80%时，绘制灰砂比与强度关系图，如下图2不同微粉比下试件强度与灰砂比的关系所示。

图2 不同微粉比下试件强度与灰砂比的关系

从以上关系可以看出，当灰砂比小于0.15左右时，强度增长呈近似线性关系，增长较快；当大于0.15左右后，增长速率变缓，且呈非线性关系；当灰砂比大于某一值后，强度还会出现负增长，并且料浆浓度越小，强度负增长的现象越明显，其中的机理尚不清楚，可能与微粉与水泥的交互作用有关。根据这个实验结果，混合使用微粉和水泥的时候，灰砂比应该选用不大于0.15（即小于1:7）。

2.3.3 设计灰砂比时不同微粉掺入比下的充填浓度与强度关系

若设计灰砂比为0.05，其相应的充填浓度与强度关系可通过回归方程得到：

分别设微粉掺入比为15%，20%，25%和30%时，绘制充填浓度与强度关系图，如图3不同灰砂比下试件强度与充填浓度的关系所示。

从图3分析，当充填浓度大于70%左右后，强度增长加快，所以在不考虑输送等其它条件情况下，应尽量选择大于70%的充填浓度。

图3 不同灰砂比下试件强度与充填浓度的关系

3 全尾砂正交配比试验分析结论

（1）通过二次回归正交试验，建立了充填体强度与质量浓度、灰砂比和微粉掺入比关系的回归方程式(2.3)；回归拟合效果好，具有预测意义；

（2）实验表明良矿全尾砂胶结充填性能良好，在全部15组正交配比和1组对比实验中，试块的平均抗压强度最小也有2.2Mpa（第8组配比：料浆浓度60%，灰砂比1:20，微粉掺入比10%）；试块的平均抗压强度最大可达22.5Mpa（第1组配比：料浆浓度80%，灰砂比1:4，微粉掺入比30%）；

（3）根据强度试验结果，在实验参数取值范围内，充填体的抗压强度与微粉掺入比基本呈正比线性关系；当料浆浓度较低的时候，充填体的抗压强度随微粉掺入比的增大，强度提高更快；第15组配比（料浆浓度70%，灰砂比1:6.67，微粉掺入比20%）试块平均抗压强度为10.7Mpa，比对比组（第16组）的平均抗压强度2.8Mpa增长了282%，但合理的微粉掺入比需考虑经济性要求后再确定；

（4）在实验参数取值范围内，当灰砂比小于0.15左右时，强度增长呈近似线性关系，增长较快；当大于0.15左右后，增长速率变缓，且呈非线性关系；当灰砂比大于某一值后，强度还会出现负增长，并且料浆浓度越小，强度负增长的现象越明显，其中的机理尚不清楚，可能与微粉与水泥的交互作用有关。根据这个实验结果，混合使用微粉和水泥的时候，灰砂比应该选用不大于0.15（即小于 1:7）。

（5）质量浓度对充填体的抗压强度影响最明显，在实验参数取值范围内，充填体强度随着质量浓度的增加而快速增加，综合考虑良矿情况建议充填料浆的浓度取68%~72%。