某矿山胶结充填体质量影响因素研究∗

谭 伟，黄明清，，吴爱祥

(1.北京金诚信矿山技术研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083)

某矿山胶结充填体质量影响因素研究∗

谭 伟1，黄明清1，2，吴爱祥2

(1.北京金诚信矿山技术研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083)

针对某矿山全尾砂胶结充填过程中充填体开裂、崩解的问题，采用化学分析法对尾砂进行测定，并开展不同灰砂比和浓度条件下的充填体单轴抗压强度试验。结果表明，尾砂中S含量高达8.82%，CaSO4的含量达到4.07%，同一浓度同一灰砂比充填体60 d强度与28 d最高强度相比均下降约50%。矿山全尾砂胶结充填体质量主要受尾砂中S及其氧化物的影响较大，需降低尾砂中的S及其氧化物，以保证充填体后期强度满足生产要求。

全尾砂胶结充填；单轴抗压强度；化学成分；充填体强度

0 引 言

随着开采年限及开采深度的增加,国内外金属矿山地压问题越来越严重,充填是处理采空区、控制地压的最有效手段之一,其中全尾砂胶结充填目前在国内外矿山已得到广泛应用,它既可以有效控制地压,又减少了尾砂排放对环境带来的污染[1-3]。然而,在实际应用中,全尾砂胶结充填仍存在着一定的问题,尤其对于充填采矿法,充填体的强度要求较高,其中尾砂中某些化学成分的含量过高对充填体胶结效果有着重要影响,由此对很多矿山的充填产生了一定制约。

安徽某硫铁矿山2014年新建立了全尾砂胶结充填系统,在经过一定时期的充填后,发现充填体的质量无法达到设计要求,为此,本文针对此矿山充填中出现的问题进行研究,首先对尾砂中的化学成分进行分析,其次开展不同灰砂比条件下的充填体强度试验,最后讨论尾砂中的化学成分对充填体强度的影响行为,从而为矿山选择合理的充填材料配比提供技术指导。

1 基本概况

安徽某硫铁矿山是一个硫铁矿、铁矿共生的矿床。矿山目前采用分段空场嗣后胶结充填法进行开采,充填工艺采用全尾砂胶结充填工艺。自2014年1月充填系统完全建立以来,进行了为期近3个月的充填试车。试车初期,砂浆浓度波动较大,主要受立式砂仓中砂浆沉降时间以及进砂次数影响较大,随着充填试车次数的增加,砂浆浓度波动越来越小,已可较好的控制在设计要求浓度,逐渐稳定在62%左右,见图1。

图1 砂浆平均浓度

然而,在实际充填过程中,虽然砂浆浓度可达到设计要求,在灰砂比按照设计要求的1∶4,1∶6和1∶8进行操作的前提下,每次充填所取的试样,在空气中养护一段时间后,大部分试样均出现自行崩解的现象。从现场采场的充填效果来看,采场充填完一个月后,充填体表面均出现了较多的开裂现象,并且裂缝大部分均超过了20 mm,随着时间的增加,裂缝数量仍在增加。充填体质量达不到设计要求,势必对矿体的二步骤开采产生影响,影响矿山的安全、生产以及矿产资源的回收。

2 尾砂中化学成分含量测试

由于胶凝材料采用的是P.O 42.5型水泥,并无变质或硬化现象,为了了解导致充填体质量变坏的原因,需要对全尾砂的化学成分进行测定,以便了解其中是否含有对充填体胶结效果产生影响的化学成分。尾砂化学成分测试结果见表1。

表1 尾砂化学成分测定结果

从表1中测定结果可知,尾砂中S的含量高达8.82%,已远超过1%～3%,并且CaSO4的含量也达到4.07%。根据国内外部分采用胶结充填法的矿山的经验以及科研院所的研究成果得知,充填材料中某些化学成分及其含量过高的话,将会对充填体物理性能产生一定的影响和作用[4-5]。

尾砂中对充填体强度影响作用较大的主要化学成分有Fe、FeS2、MgO、S、SiO2、Al2O3、CaO、CaSO4。相比较而言,其中S含量对充填体的后期强度影响尤其明显,主要是因为含S矿物(主要是黄铁矿类硫化矿物)在空气中和水发生作用,硫化矿物就会被氧化并生成SO42-,当其浓度达到1500～10000 g/L时,便可生成难溶的二水石膏和硫铝酸盐晶体,对水泥或其它胶凝材料有破坏作用。其破坏机理主要是由于生成硫铝酸盐晶体和二水石膏后,其体积膨胀在2倍以上使充填体内产生内应力,从而破坏充填体。

国内的试验和生产实践证明,已氧化的高S尾砂试块,不论在空气中养护或水中养护,大多都自行崩解。一般认为,尾砂含S超过1%～3%,可能对后期强度产生有害影响,而尾砂中含有已发生氧化的S化物时,其有害影响更加显著[6-7]。因此,本矿山中尾砂中存在的S及其氧化物对胶结充填体的胶凝效果具有重要影响,从而影响充填体的质量。

3 充填体强度试验

为了进一步确定S等化学成分对充填体质量的影响效果,对不同灰砂比条件下的充填体试块进行了单轴抗压强度试验。

矿山实际充填采用的充填体灰砂比为1∶4, 1∶6和1∶8三种配比,最底下分层采用1∶4灰砂比进行充填,往上依次采用1∶6和1∶8灰砂比。为了模拟现场充填情况,本次试验充填体所采用的灰砂比与实际灰砂比一致。

根据现场实际充填料浆浓度和设计要求,分别采用料浆浓度为64%和66%制作灰砂比1∶4,1∶6 和1∶8的试块,每组制作6个试块,分别养护3,7, 28 d和60 d后进行单轴抗压强度试验。

充填体强度试验仪器采用WYA-2000型电液式压力试验机,试块规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,试块受压过程如图2所示。

图2 试件受压破坏

4 试验结果分析

试块不同龄期的平均单轴抗压强度见表2。

表2 充填体试块单轴抗压强度

充填体试块单轴抗压强度变化曲线如图3和4所示。从图3和图4可知,料浆浓度64%、灰砂比1 ∶4的试块和料浆浓度66%、灰砂比1∶6的试块均在28 d达到最高强度,其余则是7 d达到最高强度。其中浓度66%的试块,灰砂比1∶4的60 d强度比最高强度低0.785 MPa,下降了49%；1∶6的60 d强度比最高强度低0.592 MPa,下降了39.3%；1∶8 的60 d强度比最高强度低0.514 MPa,下降了52%。浓度64%的试块,灰砂比1∶4的60d强度比最高强度低0.583 MPa,下降了37%；1∶6的60 d强度比最高强度低0.383 MPa,下降了43.4%；1∶8的60 d强度比最高强度低0.326 MPa,下降了41.6%。由此可知,同一料浆浓度,不同灰砂比,充填体试块的强度在28 d养护龄期达到最高值后,均产生大幅的下降,60 d养护龄期的强度降幅约为50%。

图3 64%浓度试块强度变化曲线

图4 66%浓度试块强度变化曲线

从图中试块强度变化曲线可知,料浆浓度越高,充填体的强度越大,灰砂比越大,充填体的强度也越大,并且充填体的60 d强度均高于0.45 MPa。多数充填体试块在养护28 d后强度就已大幅下降,然而当强度降至接近0.45 MPa左右的时候,降低的趋势变的极缓,有趋于平稳的现象。说明尾砂中S及其氧化物在含量一定的情况下,对充填体强度的影响是有限的,只要降低其含量,则可有效提高充填体强度。

5 结 论

通过对尾砂中化学成分的测试以及充填体单轴抗压强度试验得知,尾砂中因S含量高达8.82%以及含有4.07%的CaSO4,严重影响了充填体的胶凝效果,从而导致充填体在达到最高强度后,产生急剧下降,60 d强度与最高强度相比,大约下降了50%。由此可知,安微某硫铁矿山全尾砂胶结充填体质量受尾砂中S及其氧化物的影响较大,需对尾砂中的S及其氧化物进行提取,以降低其含量,从而保证充填体后期强度满足生产要求。

[1]宋卫东,李豪风,雷远坤,等.程潮铁矿全尾砂胶结性能实验研究[J].矿业研究与开发,2012,32(1):8-11.

[2]Yilmaz E,Belem T,Bussière B,etal.Curing time effecton consolidation behaviour of cemented paste backfill containing different cement types and contents[J].Construction and Building Materials,2015,75:99-111.

[3]陈 偶,乔登攀,张国龙,等.现代矿山充填采矿法浅析[J].矿冶,2013,22(3):30-35.

[4]王 宝,张虎元,董兴玲,等.硫化物氧化对充填体长期强度的影响[J].化工矿物与加工,2007(10):29-31.

[5]许毓海.尾砂中硫化物对充填体质量影响研究[J].矿业研究与开发,2009,29(5):4-6.

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

[7]刘同有.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2001.

2015-04-20)

谭 伟(1986-)，男，江西赣州人，硕士，主要从事岩石力学测试与工程稳定性分析方面的研究，Email:tanweitw86＠sina.com。

"十二五"国家科技支撑计划项目(2012BAB08B02).