矿山胶结充填体中胶凝材料含量检测方法试验研究

许文远，杨小聪，郭利杰，刘光生

（北京矿冶研究总院，北京100160）

矿山胶结充填体中胶凝材料含量检测方法试验研究

许文远，杨小聪，郭利杰，刘光生

（北京矿冶研究总院，北京100160）

针对矿山充填体质量评价过程中胶凝材料含量的检测问题，基于元素守恒原理，发明了一种操作简单的充填体中物料组分检测方法——元素检测法，并通过试验验证了该方法的可靠性及准确性。该方法的检测精度满足充填生产实际需求，对充填配比试验、矿山充填设计及质量检测具有重要意义。

充填体；水泥含量；充填离析；质量评价

充填料浆离析是我国矿山充填中普遍存在的技术问题，充填料浆离析导致充填胶凝材料流失，充填体强度分布不均匀，使矿石回采过程安全风险大大增加，同时也增加了企业充填成本。充填料浆离析不仅存在于矿山充填生产中，同时也存在于试验室充填试验中，使充填试块强度难以反映原位充填体真实强度，导致充填试验可信度大大降低［1］。因此，研究充填料浆离析对充填体原位强度影响，建立充填试验强度与原位强度的关系，对矿山生产具有重要意义。目前，针对充填料浆离析的研究大都局限于定性描述，而没有定量的评价方法，主要原因是目前还没有一套有效的充填体中胶凝材料检测方法。对于此，本文发明了一种充填体中胶凝材料含量检测方法——元素检测法，并通过试验验证了该方法的准确性。该方法操作简单，准确性高，对充填体强度规律研究及充填质量评价都具有理论及现实意义。

1 元素检测法

元素检测法是根据元素质量守恒而设计的一种间接检测方法，该方法首先分别测定充填材料即尾砂、水泥中Ca、Si元素的含量，并以此作为检测的基础数据，需要测定某一充填体中胶凝材料含量时，只需将充填体研磨并测试其Ca、Si元素含量，然后通过数学计算公式即可计算出充填体中胶凝材料的含量［2］。具体原理如下：

充填体是由尾砂、水泥及水以一定的比例配置料浆浇注而成，尾砂、水泥及水中Ca、Si元素含量各不相同且相差较大，根据质量守恒原理，可以知道充填体中Ca、Si元素含量是以上三种物质各自所含Ca、Si元素含量的线性组合，如图1所示。

设尾砂、水泥、水的质量分别为m1、m2、m3，其Ca元素含量分别为x1%、x2%、x3%，且由于水中Ca元素含量极低，所以可以忽略，则充填体中Ca元素的含量为：

图1 元素质量守恒法原理解析Fig.1 The principle of element mass conservation

设尾砂、水泥、水的质量分别为m1、m2、m3，其Si元素含量分别为y1%、y2%、y3%，则同理可得充填体中Si元素的含量为：

根据此原理，在知道尾砂、水泥及充填体中Ca、Si元素含量和充填体质量的前提下，可以通过数学方法反推出充填体中尾砂、水泥及水的含量，其具体如下：

设尾矿中Ca百分含量为x1%，Si百分含量为y1%；

水泥中Ca百分含量为x2%，Si百分含量为y2%；

充填试块产物中Ca百分含量为x0%，Si百分含量为y0%；

充填试块中尾砂质量为m1，水泥质量为m2，水的质量为m3，总质量为m0，则有如下方程组：

通过解方程组（3）可以计算出充填试块中尾砂、水泥及结晶水的含量。

影响该方法检测精度的关键因素是尾砂、水泥及水中Ca、Si元素含量应具有一定的差别，这在物料基础检测中已经得到了验证，传统矿山的尾矿、水泥基本都满足这一要求。

元素质量守恒法理论上完全可行，但是其实际应用的精度是否能满足我们的要求还不得而知，影响该方法测量水泥含量准确性的一个关键就是物质中元素含量检测的精度，所以为了验证该方法的准确性，为后面的水槽试验奠定基础，我们设计如下试验对元素法进行验证。

验证试验假设充填试块为均质体，不产生离析分层，以不同砂灰比制作充填试块，养护一段时间，烘干研磨后，均匀取样测试充填试块中Ca、Si元素含量，然后通过方程组（3）反算出尾砂、水泥的含量，通过对比计算出的砂灰比和设计砂灰比之间的误差，进而判断元素法的准确性。

2 检测方法可靠性试验验证

2.1 试验方法

元素质量守恒法理论上可行，但其检测精度是否能满足生产要求还需通过试验进行验证。试验制作不同砂灰比及浓度的充填试块，并养护28d。养护龄期到期后，将试块烘干研磨并搅拌均匀，然后取样采用元素检测法检测充填体中尾砂及水泥含量，计算砂灰比并与设计砂灰比进行比对，验证元素检测法的可靠性。试验设计砂灰比为4、6、8、10，浓度为65%、70%，养护龄期为28d［3－5］。

2.2 试验材料

试验采用新城金矿分级尾砂和新城金矿充填用水泥，水用生活水，尾砂密度为2.59g/cm3，水泥密度为3.2g/cm3，尾砂粒级分布曲线见图2。

图2 尾砂粒级分布曲线Fig.2 Tailings particle size distribution

为了确保检测的可靠性，分别对尾砂及水泥Ca、Si元素含量进行了两次检测，并以平均值作为最终结果，检测结果见表1。

表1 充填物料中Ca、Si元素含量Table 1 Ca，Si content in tailings and cement /%

2.3 试验结果及分析

养护龄期结束后，将充填试块取出放入烘箱内烘24h，烘干后测量充填试块的烘干质量并记录。将每组每块进行磨样，磨完后将试样充分搅拌均匀并取样进行Ca、Si元素检测，通过元素检测法计算其尾砂、水泥含量，计算砂灰比，并与设计砂灰比进行比对，验证检测精度［6］。

试验结果见表2及图3、图4。

表2 元素法试验测试结果Table 2 The results of element test method

图3 元素检测法检测值与设计值对照图Fig.3 The compares of the calculated value of element test method with the designed one

从表2及图3、4可以看出，通过元素检测法检测的充填体砂灰比与设计砂灰比误差绝大多数都在15%以内，只有极个别试样误差有点大，这是因为充填试块本身难以达到均匀，且元素检测存在一定误差的原因，但是鉴于我们研究的目标本身就是充填体的不均匀特性，所以由充填试块本身不均匀所引起的这部分误差可以忽略，粗略估计这部分误差平均在5%以上，所以试验最终的误差也就是由元素检测的偏差引起的，其值应该在5%以内，完全可以满足工程上的精度需要。

图4 不同浓度料浆充填体中水泥含量检测误差分析图Fig.4 The error analysis of cement content in backfill body with different slurry densities

3 结论

本文发明了一种充填体中胶凝材料的检测方法——元素检测法，并通过试验对其可靠性进行了检验，得出以下结论：

1）通过试验验证，元素检测法是一种简单、可靠的充填体中水泥含量检测方法，但是其适用于尾砂、水泥中Ca、Si元素含量具有一定差别的充填试样。

2）元素检测法不仅可以检测充填体中胶凝材料含量，同样可以检测尾砂含量，这对研究充填料浆离析特性，评价原位充填质量具有重要意义。

［1］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［2］北京矿冶研究总院.小铁山矿难采矿体机械化上向巷道式尾砂胶结充填法试验研究报告［R］.北京：北京矿冶研究总院，1993.

［3］Revell M B.Paste strength［C］//The nonferrous metals society of China.Proceedings of the 8th international symposium on mining with backfill.Changsha：Mining Research and Development，2004：219－225.

［4］蔡嗣经.矿山充填力学基础［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［5］彭续承.充填理论及应用［M］.长沙：中南工业大学出版社，1998.

［6］汪海萍，谭玉叶，吴姗，等.尾砂级配对充填体强度的影响及优化［J］.有色金属（矿山部分），2014，66（4）：26－30.

［7］肖卫国.深井充填技术的研究［D］.长沙：中南大学，2003.

Experimental study on testing method of cementitious material’s content in cemented backfill body

XU Wenyuan，YANG Xiaocong，GUO Lijie，LIU Guangsheng
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

Against the testing method of cementitious material’s content in the process of quality evaluation of cemented backfill body in stope，based on the element conservation principle，an easy－to－operate testing method of material components in backfill body has been studied which can be called Element Test Method.Then a series of experiments have been carried out to verify the reliability and accuracy of this method.Results indicate that the testing precision of this method meet the requirements of practical production in mines and it is of great significance to ratio tests，backfill design and quality detection of backfill body in stope.

backfill body；cement content；filling segregation；qualityevaluation

TD853.34

Α

1671－4172（2015）02－0001－03

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.001

国家国际科技合作项目（2014DFG72340）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAB02B02）

许文远（1984－），男，工程师，硕士研究生，采矿工程专业，主要研究方向为充填新材料与充填工艺，主要从事高效充填系统的研发与设计工作。