通用水泥全尾砂充填体强度的试验研究*

张竞，李骏

(福州理工学院 应用科学与工程学院，福建 福州 350506)

0 引言

随着矿产产业的发展，选矿厂产生的尾砂数量逐年递增，为解决尾砂堆积造成的环境污染和维护费用等问题，将尾砂用作充填体骨料回填至地下采空区，是一种行之有效的地压控制手段[1−2]。充填体强度对于采场稳定性具有直接的影响，是充填采矿法设计的重要参数。为提高矿石的回采率，在增加磨矿机械化程度的同时，磨矿的粒度也越来越细，这种级配相对单一的尾砂用作充填骨料对充填体的强度造成了负面影响[3]。充填体强度和充填采场的实际工况是否匹配，是充填采矿法需要研究的重点内容。充填体强度过高，虽保证了采场稳定性，但增加了经济成本。充填体强度不足，不能满足安全生产的需求，且会造成矿石的损失与贫化[4]。我国矿业工程规模巨大，各矿区工况各异，部分矿山的采充循环较快，需要在较短时间内形成自立，并具有一定的抗压强度的充填体；部分矿山由于各种条件的限制，采充循环间隔长，对于早强型的充填体没有过多的要求。目前，国内外学者针对尾砂胶结充填做了大量的研究。

李一帆等[5]研究了添加石膏、氯化钙等早强剂的充填体强度变化规律。黄璐[6]在尾砂胶结充填体试块中添加采矿爆破所产生的块石材料，研究了试块的力学性质的变化情况。吴炜等[7]在充填体试块中加入了硅粉、MF525等外加剂，研究了外加剂对充填体强度的影响，最终得到了最佳配比。王楚涵等[8]研究了细颗粒尾砂含量对于充填体强度的影响。罗芳等[9]进行了基于磷石膏和重选尾砂的多骨料配比试验,探究了不同养护龄期下充填体的强度演化规律。侯运炳等[10]在充填体中掺入了石灰、硫铝水泥、石膏等材料，研究了该种新型胶凝材料充填体的凝结硬化规律。

以上研究均是在普通硅酸盐水泥-全尾砂的充填材料基础上掺入添加料或者使用其他的胶凝材料代替普通硅酸盐水泥。本文采用某矿尾砂作为充填骨料，采用普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥4种通用水泥作为胶凝材料，测定不同质量浓度、灰砂比、龄期下的充填试块强度。研究通用水泥作为胶凝材料充填体试块强度的增长规律，为矿山充填施工提供一定的参考。

1 试验材料

1.1 尾砂

本次试验采用的是福建某矿尾砂，通过CILAS1064型激光粒度仪测定其粒度成分，结果见表1。

表1 试验所用全尾砂颗粒级配

由表1可知，本次试验所用尾砂平均粒经约为77 μm，尾砂的粒径变化差值约为5 μm，而粒径在75 μm以下的尾砂累计为62.19%，属于级配不良。

1.2 水泥

本次试验采用福建某厂生产的P·O32.5普通硅酸盐水泥、P·S·A32.5矿渣硅酸盐水泥、P·P32.5火山灰硅酸盐水泥以及P·F32.5粉煤灰硅酸盐水泥。

2 试验结果与分析

2.1 水泥种类和龄期对充填体强度的影响

质量浓度分别为62%，68%，灰砂比分别为1∶4，1∶6，1∶8，4种充填试块7d、28d抗压强度的变化曲线见图1～图4。

由图1、图2可知，随着灰砂比的增大，试块的强度增加。62%质量浓度下，4种水泥试块的7d抗压强度以普通充填试块最高，矿渣充填试块和粉煤灰充填试块的强度次之，3种灰砂比的平均强度约为普通充填试块强度的89.45%和83.36%，火山灰充填试块的强度最低，平均强度只有普通充填试块强度的57.29%。在68%的质量浓度下，普通充填试块的7d抗压强度仍为最高，矿渣充填试块、粉煤灰充填试块和火山灰充填试块的强度约为其99.73%、87.23%以及62.78%。

由此可见，普通充填试块的强度具有快硬、早强的特点，矿渣充填试块和粉煤灰充填试块的强度和普通充填试块约有10%～20%的差距，火山灰充填试块的强度最低，只有普通充填试块的60%左右。

图1 质量浓度62%龄期7d抗压强度

图2 质量浓度68%龄期7d抗压强度

图3 质量浓度62%龄期28d抗压强度

图4 质量浓度68%龄期28d抗压强度

由图3、图 4可知，随着养护龄期增长到28d，各组充填试块强度有了不同程度的增长。当灰砂比为1∶4时，62%和68%质量浓度的普通充填试块强度为2.34 MPa、3.04 MPa。矿渣充填试块的强度为2.01 MPa、2.45 MPa，分别为普通充填试块强度的85.9%和80.59%。粉煤灰充填试块的强度为1.26 MPa、2.01 MPa，分别为普通充填试块强度的53.85%和66.12%。火山灰充填试块的强度为0.49 MPa、0.71 MPa，分别为普通充填试块强度的20.94%和23.36%。灰砂比为1∶6时，62%和68%质量浓度普通充填试块的强度为1.53 MPa、1.82 MPa。矿渣充填试块的强度为1.26 MPa、1.66 MPa，分别为普通充填试块强度的82.35%和91.21%。粉煤灰充填试块的强度为0.75 MPa、0.95 MPa，分别为普通充填试块强度的49.02%和52.2%。火山灰充填试块的强度为0.39 MPa、0.52 MPa，分别为普通充填试块强度的25.49%和28.57%。灰砂比为1∶8时，62%和68%质量浓度普通充填试块的强度为1.03 MPa、1.52 MPa。矿渣充填试块的强度为0.8 MPa、1.09 MPa，分别为普通充填试块强度的77.67%和71.72%。粉煤灰充填试块的强度为0.61 MPa、0.76 MPa，分别为普通充填试块强度的59.22%和50%。火山灰充填试块的强度为0.3 MPa、0.36 MPa，分别为普通充填试块强度的29.13%和23.68%。由此可见，4种水泥充填试块以普通盐充填试块的早期、后期抗压强度高，呈现出快硬早强的特点。矿渣充填试块、粉煤灰充填试块强度相对普通充填试块有一定的减弱。火山灰充填试块的强度相比普通充填试块出现了显著的降低。

在62%质量浓度下，3种灰砂比的普通充填试块、矿渣充填试块和粉煤灰充填试块的平均强度分别增长了179.46%、155.18%以及78.66%，而火山灰充填试块的强度增长最低，为20.23%。相应地，在68%质量浓度下，3种灰砂比的普通充填试块、矿渣充填试块和粉煤灰充填试块的平均强度分别增长了196.69%、142.05%以及90.64%，火山灰充填试块的强度增长仍很低，为18.75%。由此可见，普通水泥充填试块不仅早期强度较高，后期强度的增长率相较矿渣充填试块、粉煤灰充填试块以及火山灰充填试块也更高。

2.2 灰砂比对充填体强度的影响

不同充填试块强度与灰砂比的关系曲线见图5～图8。

如图5所示，质量浓度为62%，灰砂比为1∶4的普通充填试块7d抗压强度是灰砂比1∶6、1∶8试块强度的1.37倍和1.48倍；28d抗压强度是1.53倍和2.27倍。质量浓度为68%时，灰砂比从1∶8增加到1∶6和1∶4时，7d抗压强度增长了23.07%，86.54%，28d抗压强度增长了19.38%，100%。针对质量浓度62%矿渣充填试块，如图6所示，灰砂比为1∶4的时候，其7d抗压强度是灰砂比为1∶6，1∶8时的1.38倍和1.92倍；28d抗压强度分别为1.6倍和2.51倍。质量浓度为68%时，灰砂比为1∶4的充填体7d抗压强度是灰砂比为1∶6、1∶8的1.27倍和1.74倍；28d抗压强度分别是1.48倍和2.25倍。对于粉煤灰充填试块（见图7），质量浓度为62%，灰砂比为1∶4时，其7d抗压强度是灰砂比为1∶6，1∶8时的1.52倍和1.68倍；28d抗压强度分别为1.68倍和2.07倍。质量浓度为68%时，灰砂比为1∶4的充填体7d抗压强度是灰砂比为1∶6，1∶8的1.71倍和2.29倍；28d抗压强度分别是2.12倍和2.64倍。对于火山灰充填试块，如图8所示，质量浓度为62%时，灰砂比从1∶4减小到1∶6和1∶8，7d抗压强度减小了17.5%和37.5%。28d抗压强度减小了20.41%和38.78%。质量浓度为68%时，灰砂比从1∶4减小到1∶6和1∶8，7d抗压强度减小了30.51%和44.07%。28d抗压强度减小了26.76%和49.3%。

图5 普通充填试块强度与灰砂比的关系

图6 矿渣充填试块强度与灰砂比的关系

图7 粉煤灰充填试块强度与灰砂比的关系

图8 火山灰充填试块强度与灰砂比的关系

由此可以发现，灰砂比从1∶8增加到1∶6，充填试块强度增加效果不是很明显，灰砂比从1∶6增加到1∶4，试块强度增加明显。相对来说，增加灰砂比，4种通用水泥充填试块的强度增加比例相差不大，没有明显的变化。

2.3 质量浓度对充填体强度的影响

不同充填试块强度与质量浓度的关系曲线见图9～图12。

由图9可知，对于普通充填试块，灰砂比为1∶4，质量浓度从62%增加到68%，试块7d抗压强度从0.71 MPa增加到0.97 MPa，增长了36.62%，28d抗压强度从2.34 MPa增加到3.04 MPa，增长了29.91%。当灰砂比减小到1∶6时，质量浓度从62%增加到68%，试块7d抗压强度从0.52 MPa增加到0.64 MPa，增长了23.08%，28d抗压强度从1.53 MPa增加到1.82 MPa，增长了18.95%。灰砂比为1∶8时，7d抗压强度质量浓度68%试块是质量浓度62%试块的1.08倍，28d抗压强度质量浓度68%试块是质量浓度62%试块的1.48倍。由图10可知，对于灰砂比为1∶4的矿渣充填试块，质量浓度从62%增加到68%，7d抗压强度增长了28.99%，28d抗压强度增长了21.89%。矿渣充填试块灰砂比为1∶6，质量浓度68%的试块的7d抗压强度是质量浓度62%的试块的1.4倍，28d抗压强度是1.32倍。灰砂比为1∶8时，62%增加到68%质量浓度，7d和28d抗压强度分别增加了41.67%，36.25%。由图11可知，针对灰砂比1∶4，1∶6，1∶8粉煤灰充填试块，质量浓度从62%增加到68%，7d抗压强度增长了46.88%、30.95%、7.89%，28d抗压强度增长了59.52%、26.67%、24.59%。图12是火山灰充填试块的强度变化情况，质量浓度为62%，灰砂比为1∶4，1∶6，1∶8的试块7d抗压强度分别为0.4 MPa、0.33 MPa、0.25 MPa，其对应的质量浓度68%的试块7d抗压强度为0.59 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa，分别增长了47.5%、24.24%和32%。同样情况下，28d抗压强度分别增长了44.9%、33.3%和20%。

图9 普通充填试块强度与质量浓度的关系

图10 矿渣充填试块强度与质量浓度的关系

因此，随着质量浓度的增加，4种通用水泥充填试块的强度都相应有了一定程度的增加，且对于不同种类水泥充填试块而言，强度增加的比例相差不大。对于矿渣充填试块、粉煤灰充填试块和火山灰充填试块，在灰砂比为1∶4的情况下增加质量浓度，强度增长幅度有了一个明显的提高，增长幅度从20%～30%提高到了40%。

图11 粉煤灰充填试块强度与质量浓度的关系

图12 火山灰充填试块强度与质量浓度的关系

3 结论

（1）对于全尾砂充填试块而言，在灰砂比一定的情况下，普通水泥充填体强度最高，矿渣水泥充填体和粉煤灰水泥充填体的强度约为普通水泥充填体的80%~90%，火山灰水泥充填试块的强度最低，只有普通硅酸盐水泥充填体强度的50%～60%。龄期对于充填体强度的影响最为明显，在灰砂比为1∶4时，普通水泥充填体和矿渣水泥充填体的强度随着龄期增长幅度最快。

（2）在确定的质量浓度下，增加灰砂比，充填体抗压强度会有明显增加，但是4种通用水泥充填体强度增长的速率相差不大。

（3）增加质量浓度，在灰砂比为1∶4时，矿渣水泥充填体、粉煤灰水泥充填体和火山灰水泥充填体的强度增加比例最大，约为40%。其他灰砂比下，增大质量浓度，这3种充填体强度增加比例为25%～30%。对于普通水泥充填体，增加质量浓度，强度增加的比例最小，约为20%。