粗磷尾矿胶结充填级配及抗压强度分析

陈博文，梅甫定，杨 柳，包 科，闫先航（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北　武汉430074）

粗磷尾矿胶结充填级配及抗压强度分析

陈博文，梅甫定，杨 柳，包 科，闫先航
（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074）

利用粗骨料进行高浓度胶结充填是矿业工程中的研究难点。为高效利用粗磷尾矿以消除其环境污染、土地占用以及采空区诱发的地质灾害等问题，以粗磷尾矿和粉煤灰为主要充填材料，首先通过SEM、ICP-MS&ICPOES、XRD、激光粒度分析以及其他标准测试手段对主要充填材料的物理特性、化学成分和矿物成分进行分析；然后利用最大密实度级配曲线理论对粗磷尾矿自然级配和不同破碎粒度磷尾矿级配进行研究；最后采用正交试验设计法和多元非线性回归法对充填体无侧限抗压强度的变化规律进行研究，并对胶结充填材料经济、环境和社会效益进行分析。结果表明:粗磷尾矿和粉煤灰物理性能较差，但粗磷尾矿化学特性稳定，粉煤灰具有较强火山灰特性；-5 mm粒度破碎磷尾矿具有较优密实度；充填体无侧限抗压强度后期强度增长较快，同时随胶砂比、质量浓度和水泥/粉煤灰的增大而增大，其中胶砂比的影响程度最大，且无侧限抗压强度与因子之间存在显著非线性关系；利用粗磷尾矿和粉煤灰进行胶结充填具有显著的经济、环境和社会效益。

粗磷尾矿；胶结充填级配；抗压强度；正交试验；多元非线性回归

磷元素是动植物生长不可或缺的重要元素之一，而磷肥是世界上最重要的含磷产品之一，其主要依赖于磷矿石开采和加工。由于现代农业对磷肥需求的快速增长，加大了磷矿资源的开采和加工力度，不仅产生大量的磷尾矿及其他工业废弃物，还形成了大面积的采空区，导致地表山体塌陷和滑坡等地质灾害的发生，同时随着磷矿资源这种不可再生资源的大规模开发，磷矿开采正逐步转向深部开采以应对浅部矿产资源枯竭的挑战，由此而带来的开采技术难题亟待解决。

胶结充填采矿法是将胶结充填体置于矿山采空区以控制采场地压或区域地压并进行回采作业的一种采矿方法，该法逐渐成为世界采矿工业发展的趋势。采用胶结充填采矿法具有以下四方面优势:①能有效地控制采场矿压，防止矿区地表变形破坏，从而保护地表河流、建（构）筑物和公路等；②能改善采空区围岩的二次应力分布，保证围岩稳定性，防止采空区围岩变形和冒落，提高了矿山安全开采保障程度；③可以回收矿柱，提高矿石回收率，从而实现资源有序、高效的开发利用；④可充分利用尾矿等工业固体废弃物，减少环境污染并实现无废开采，具有较大的环境及社会效益。

胶结充填材料在胶结充填采矿技术中起到关键作用，目前磷矿胶结充填中广泛应用的材料主要为水泥、粉煤灰、磷渣、磷石膏、高炉渣等，但以重介质选矿产生的尾矿作为充填材料尚不多见。近年来，随着胶结充填技术的快速发展，粗骨料高浓度胶结充填技术取得了重大进展。如杨宝贵等［1］以破碎煤矸石和粉煤灰为骨料，并添加适量水泥、外加剂和水制备成质量浓度为74%～82%的高浓度充填料浆；郭利杰等［2］以废石和尾砂为骨料，并添加少量水泥和水制备成质量浓度为72%的高浓度充填料浆；贺桂成等［3］利用废石、水泥、黄土、水泥和水制备胶结充填料浆，实现了泵压管道输送胶结充填；邓代强等［4］采用分级尾砂、戈壁集料、水泥和水制备了质量浓度为78%和80%的高浓度充填料浆，满足了管道输送充填的需要。虽然粗骨料高浓度胶结充填所用材料种类多样，但针对粗骨料级配对充填料浆和充填体性能的影响研究却较少［5］。为了高效利用粗骨料进行泵送充填，Verkerk等［6］和Lerche等［7］利用混凝土级配理论对充填骨料可泵送粒度进行了研究，并得出了充填骨料可泵送的粒度分布曲线，但其实际应用效果不理想，导致泵送充填过程中频繁发生堵管事故；姚维信［8］、程纬华［9］和张磊等［10］在总结前人研究的基础上，以金川矿山为例，通过最大密实度级配理论对矿区废石集料和戈壁砂级配进行了系统研究，并成功实现了粗骨料高浓度管输胶结充填技术在金川矿山中的应用。

本文以湖北三宁矿业挑水河磷矿为例，对粗磷尾矿级配及胶结充填体抗压强度规律进行了研究，拟达到以下目的:①高效利用粗磷尾矿进行胶结充填，消除环境污染、土地占用以及采空区导致的地质灾害等问题，并提高磷矿资源开发利用效率；②确定粗磷尾矿及其他充填材料的物理特性、化学成分和矿物成分；③对粗磷尾矿级配进行研究并确定合理粒度；④通过正交试验和多元非线性回归研究胶结充填体无侧限抗压强度的变化规律。为了达到上述研究目的，首先通过SEM、ICP-MS&ICP-OES、XRD、激光粒度分析以及其他标准试验法进行粗磷尾矿和粉煤灰物理特性、化学成分和矿物成分分析；然后采用最大密实度曲线理论对粗磷尾矿自然级配及不同粒度破碎磷尾矿级配进行研究，并根据级配指数确定合理的粒度；最后利用正交试验设计法对粗磷尾矿高浓度胶结充填体进行无侧限抗压强度试验，并通过极差法和多元非线性回归法对试验结果进行分析，以得出充填体无侧限抗压强度的变化规律。

1　材料与方法

1.1充填材料的种类与测试方法

充填材料:粗磷尾矿取自湖北三宁矿业挑水河磷矿，为重介质选矿产生的尾矿；粉煤灰取自湖北三宁化工股份有限公司；水泥为市售袋装华新P.O.42.5。

粗磷尾矿、粉煤灰和水泥（经HNO3、Br2、HE、HCl酸解后）的化学成分通过电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES，Perkin-Elmer Optima 5300 DV）和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Perkin-Elmer Elan DRC-e）测定；粗磷尾矿和粉煤灰的矿物成分通过X射线衍射（XRD，Bruker AXS D8-Eocus）测定，测定结果由TOPAS软件进行半定量分析；粗磷尾矿物理特性参照ASTM C33、ASTM C88、ASTM C127、ASTM C128、ASTM C136以及GB/T 14685—2011标准进行测定，其微观形貌通过扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU8010）测定；粉煤灰物理特性参照ASTM C311、GB/T 1596—2005标准进行测定，其微观形貌通过扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU8010）测定；粒径分布通过激光粒度分析仪（Malvern Mastersizer 2000）测定。

1.2粗磷尾矿级配优化

为优化粗磷尾矿级配，采用鄂式破碎机（PE-I 100×125）对粗磷尾矿进行破碎，破碎粒度分别取为-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm，并通过ASTM标准筛进行筛分。

1.3试块制备及无侧限抗压强度测定

胶结充填体试块制备时，根据正交试验设计的方案称取原材料并混合均匀，常温下加自来水搅拌至均匀料浆；将搅拌均匀的充填料浆浇筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准试模并振捣密实，然后置于养护箱中养护（湿度为95%，温度为23± 2℃），72 h脱模后继续置于养护箱中养护，养护龄期分别为3 d、7 d和28 d；试块养护至预设龄期以后，采用Instron 1342型电液伺服材料试验机按照1 mm/min的加载速率对试块的无侧限抗压强度进行测定。

2　结果与讨论

2.1粗磷尾矿和粉煤灰的物理特性

2.1.1粗磷尾矿

粗磷尾矿的主要物理特性见表1、图1和图2。

表1　粗磷尾矿和粉煤灰的主要物理特性Table 1 Main physical properties of phosphate tailings and fly ash

图1　粗磷尾矿的微观形貌Eig.1 SEM images of coarse phosphate tailings

由表1可见:粗磷尾矿的比重和堆积密度（松散堆积密度和紧密堆积密度）均在标准范围内；磷尾矿坚固性值（14.9%）大于ASTM C88标准规定的12%，表明该粗磷尾矿抗风化能力较差，对胶结充填体的稳定性可能会产生不利影响；粗磷尾矿吸水率（2.5%）大于GB/T 14685—2011标准规定的2%，表明该粗磷尾矿颗粒内部孔隙较大，对胶结充填料浆的工作性，特别是泵送性能具有一定影响；磷尾矿粒径D10、D50、D90分别为4.322 mm、10.586 mm、17.375 mm，表明该粗磷尾矿粒径偏大，若直接作为充填骨料，则充填料浆输送距离将会受到限制，难以实现远距离输送。

由图1可见，粗磷尾矿表面凹凸不平，空隙处由大量胶凝状集合体以及圆状和棱状粒屑填充，其中胶凝状集合体主要成分为泥晶磷灰石，而圆状和棱状粒屑为白云石、石英或玉髓等与泥晶磷灰石胶结形成的砂屑或砾屑。

由图2可见，该粗磷尾矿0.315 mm粒级以下含量不足1%（小于15%），而4.75～19.0 mm粒级范围的含量超过85%，粒径分布呈现粗粒级含量偏多、细粒级含量偏少的特点，因此该粗磷尾矿不宜直接作为泵送充填骨料。

图2　粗磷尾矿的粒径分布图Eig.2 Particle size distribution of coarse phosphate tailings

2.1.2粉煤灰

粉煤灰的主要物理特性见表1、图3和图4。

图3　粉煤灰的微观形貌Eig.3 SEM images of fly ash

由表1可见，粉煤灰的比重和堆积密度偏小，这主要是因为煤粉中大颗粒物的不完全燃烧，导致粉煤灰中碳颗粒及其他大颗粒物含量增多，使得粉煤灰孔隙率增加，进而降低了粉煤灰的比重［11］。

图4　粉煤灰的粒径分布图Eig.4 Particle size distribution of fly ash

由图3可见，粉煤灰表面光滑度与磷尾矿相比有了较大改善，这有利于改善破碎尾矿的级配，提高胶结充填料浆的和易性；但由于该粉煤灰少见球形颗粒，而含有较多的表面粗糙且不规则黏聚颗粒、钝角颗粒以及碎屑，故其需水量大，导致充填体孔隙率增大，影响充填体质量［12］。

由图4可见，粉煤灰粒径分布范围为0.4～160 μm，其中2～100μm粒级范围的含量超过80%，大于45μm粒级的含量约为28.15%，D50为24.79 μm；粉煤灰比表面积为0.909 m2/g，表面积平均粒径和体积平均粒径分别为6.601μm和32.706μm。由此可见，该粉煤灰粒径较大，其活性弱于细粒级粉煤灰，且该粉煤灰掺量胶结充填体相对细粒级粉煤灰 质 量要 差［13］。

2.2粗磷尾矿和粉煤灰的化学成分

充填材料粗磷尾矿、粉煤灰和水泥的化学成分及其在CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相图中的位置见表2和图5。

表2　充填材料的化学成分（mg/g）Table 2 Chemical composition of raw backfill materials

2.2.1粗磷尾矿

由表2和图5可见，粗磷尾矿中Si（3.23%）和Al（0.096 4%）的含量偏低，Ca（19.4%）、Mg （9.18%）和Ee（8.918%）的含量较高，可为胶凝体系提供钙源和铁源，但粗磷尾矿颗粒较粗，对胶凝体系的影响较小；粗磷尾矿中P（1.88%）和S （0.037 2%）的含量均较低，对充填体质量无显著影响；此外，粗磷尾矿中所含有毒重金属As（0.002 79 mg/g）、Cd（2.16×10-5mg/g）、Pb（0.003 8 mg/g）和Hg（0）的含量均偏低，对环境无显著影响。

图5　充填材料CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相图Eig.5 Ternary diagram of raw backfill materials CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3

2.2.2粉煤灰

由表2和图5可见，粉煤灰中Si（28.7%）和Al （7.79%）的含量较高，Ca（0.489%）、Mg（0.217%）和Ee（0.779%）的含量较低，由于粉煤灰中含SiO2、Al2O3和Ee2O3的总量超过70%，故根据ASTM C618标准，该粉煤灰属于E级粉煤灰。已有研究表明，E级粉煤灰含大量无定型SiO2、Al2O3，通常需在碱性环境中将其溶解以发挥胶凝特性［14］，而水泥水化产生的Ca（OH）2为反应提供了碱性环境，并与粉煤灰中的无定型SiO2、Al2O3发生火山灰反应［15］，形成了稳定的结构。此外，由图5可见，粉煤灰在CaO+ MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相图中更趋近于SiO2，故该粉煤灰掺量胶结充填体稳定性更高［16］。另外，该粉煤灰中S（0.071%）和P（0.004 22%）含量较低，不会诱导充填体性能的劣化；粉煤灰中有毒重金属As（0.018 mg/g）、Cd（0.000 218 mg/g）、Pb（0.068 8 mg/g）和Hg（0）含量均偏低，对环境无显著影响。

2.3粗磷尾矿和粉煤灰的矿物成分

粗磷尾矿和粉煤灰的矿物成分定量分析结果见表3和图6。

表3　粗磷尾矿和粉煤灰的矿物成分定量分析结果（%）Table 3 Quantitative analysis of mineral composition of coarse phosphate tailings and fly ash

图6　粗磷尾矿和粉煤灰的矿物成分Eig.6 XRD diffractogram of phosphate tailings and fly ash

2.3.1粗磷尾矿

由图6（a）可知，粗磷尾矿主要晶相为白云石、羟基磷灰石、氧化铁和石英，还有少量方解石和石膏，其中白云石含量最高（69.65%），其次为羟基磷灰石（10.15%）、氧化铁（12.75%）和石英（6.91%）（见表3）。由于粗磷尾矿中Ca和Mg主要以碳酸盐的形式存在于白云石，故对胶凝体系的影响不大。

2.3.2粉煤灰

由图6（b）可知，粉煤灰主要晶相为石英、钠长石和云母，还有少量氧化铁，其中石英相含量最高（61.55%），其次为云母（20.99%）和钠长石（15.99%）（见表3）。此外，由图6（b）可清晰见到“馒头状”衍射峰，表明煤粉灰燃烧温度低，形成了玻璃体、炭粒及其他无定形相物质［17］。

2.4骨料级配分析

2.4.1骨料级配理论

骨料级配对充填体密实度和强度起着重要作用。为了获得最优骨料级配水平，需要有规律地将粗骨料和细骨料按一定比例混合起来，从而达到骨料的密度最大和孔隙最小的目的。为此，Eüller等［18］基于大量试验提出理想级配曲线（也称Eüller曲线）表达式:

式中:Pi为骨料粒径为di的通过百分率（%）；di为骨料粒径（mm）；D为骨料最大粒径（mm）。

由于骨料在实际应用中允许一定程度的波动，因此Talbol等［19］认为理想级配曲线表达式（1）中的幂指数应是一个变量而非常数。于是，Talbol等对该表达式进行了改进，得出最大密度级配曲线表达式:

式中:Pi为骨料粒径为di的通过百分率（%）；di为骨料粒径（mm）；D为骨料最大粒径（mm）；n为级配递减系数。

一般而言，当n∈［0.3，0.6］时，骨料具有较优密实度，而当n=0.5时，即为Eüller曲线［19］。

2.4.2粗磷尾矿级配

为了定量分析粗磷尾矿级配，本文采用ASTM C136标准对粗磷尾矿进行筛分，筛分后通过式（2）进行分析，其结果见图7。

图7　粗磷尾矿粒度特征曲线和Eüller曲线Eig.7 Granularity curve of coarse phosphate tailings and Eüller curve

由图7可见，粗磷尾矿粒度特征曲线偏离Eüller曲线的程度较大，与Eüller曲线相比，粗磷尾矿粒度分布不连续，呈现细粒度和中粒度含量偏少，而粗粒度含量偏多的特征。通过公式（2）拟合得出粗磷尾矿级配指数为0.86，与Eüller曲线理想级配指数0.5和较优密实度的级配指数范围0.3～0.6存在较大差距，无法满足远距离管道输送的要求，因此需通过破碎或其他手段增加细粒级和中粒级含量以改善粗磷尾矿级配。

2.4.3破碎磷尾矿级配

一般而言，通过添加尾砂或人工破碎的方式以改善粗磷尾矿级配比较常见，也有通过添加粉煤灰、细砂等改善级配的方式，但对于地形条件复杂、通行困难的矿山来说，优先考虑利用矿山自有材料。为此，本文分别选择-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm的粒度对粗磷尾矿进行机械破碎，并采用ASTM C136标准筛对破碎后的磷尾矿进行筛分，最后通过式（2）进行级配分析，其结果见图8。

图8　-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm破碎磷尾矿粒度特征曲线Eig.8 Granularity curves of crushed phosphate tailings with particle size of-5 mm，-8 mm，-10 mm and-12 mm

由图8可见，-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm粒级的级配指数分别为0.532、0.643、0.706和0.785，因此-5 mm粒度集料已达到较优密实度的级配指数范围（n=0.4～0.6）；而-8 mm、-10 mm和-12 mm粒度集料粗颗粒含量偏多，无法达到较优密实度。分析认为:虽然-5 mm粒度集料级配指数大于日本建筑学会（AIJ）推荐的范围0.35～0.45和美国混凝土协会（ACI）推荐的0.45，但考虑到本试验充填体无侧限抗压强度设计值低（4.5 MPa）以及粗骨料破碎加工成本高等因素，故认为-5 mm粒级也能满足要求；此外，-5 mm粒度集料0.315 mm粒径以下含量约为19%，符合我国JGJ 55—2011标准规定的0.315 mm粒径以下含量不少于15%的要求。

2.5正交试验设计及结果分析

2.5.1正交试验设计方案

正交试验设计是基于“正交表”的一种试验设计方法，该方法从全析因试验中选取代表性的点，而这些代表性的点均匀地分布于测试范围并能够代表所有情况，因此该方法对多因素试验方案的优选具有很高的效率。

本试验选取胶砂比（A）（料浆中粉煤灰和水泥质量之和与粗磷尾矿质量之比）、质量浓度（B）（料浆中粉煤灰、水泥和粗磷尾矿质量之和与总质量的百分比，%）和水泥/粉煤灰质量比（C）（料浆中水泥与粉煤灰质量之比）为影响因子，其中因子A、B和C的水平数均为3（见表4），因此正交试验设计方案可选为L9（34）（见表5），其中最后一列为空白列用以计算误差。

表4　正交试验表头设计Table 4 Experiment variables design

表5　正交试验设计方案Table 5 Experiment variables design table

2.5.2正交试验结果及分析

根据表5所设计的正交试验方案对制备的胶结充填体试块进行无侧限抗压强度测定，其测定结果见表6。

表6　正交试验结果Table 6 Results of the orthogonal experiment

为进一步分析充填体无侧限抗压强度与胶砂比、质量浓度和水泥/粉煤灰质量比之间的关系，对表6的正交试验结果进行极差分析，其极差分析结果见表7和图9。

表7　无侧限抗压强度极差分析结果Table 7 Range analysis of the slump，slump flow and consistency

图9　无侧限抗压强度与胶砂比、质量浓度和水泥/粉煤灰质量比的关系曲线Eig.9 Variation of the slump，slump flow and consistency with cement-aggregate ratio，cement-fly ash ratio and concentration

由图9可见，充填体无侧限抗压强度随着养护龄期的延长而增强，且7 d至28 d无侧限抗压强度增长率高于3 d至7 d无侧限抗压强度增长率，同时充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度均随胶砂比A、质量浓度B和水泥/粉煤灰质量比C增大而增大，但胶砂比对充填体无侧限抗压强度的影响相对较大。这主要是由于粉煤灰的添加不仅提高了混合料的堆积密度，使得充填体的微观结构更加密实，还促进了胶凝体系的二次水化反应，即水化初期主要由水泥水化产生C-S-H凝胶、Ca（OH）2以及少量钙矾石，然后粉煤灰与水泥产生的游离Ca（OH）2反应形成水化产物，因此粉煤灰参与的二次水化反应使得胶凝体系中的水化产物不断增加，Ca（OH）2不断减少，使充填体后期强度得到增长［20-22］。

由表7可见，因子对充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度的影响程度大小分别为:A＞C＞B、A＞B＞C和A＞C＞B。这主要是由于前面提及的粉煤灰结构的影响，导致其吸水量偏大，减弱了质量浓度对充填体抗压强度的影响。

根据以上结论，采用多元非线性回归法对充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度与因子A、B和C的关系进行分析，其非线性回归方程如下:

上式中:S3、S7和S28分别表示充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度（MPa）；A、B和C分别表示胶砂比、质量浓度和水泥/粉煤灰质量比。

多元非线性回归方程统计学参数见表8。由表8可见，充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度与因子A、B和C的非线性回归方程的均方根误差RMSE和残差平方和SSE均接近于0，决定系数R2接近于1，卡方系数χ2=（0.021 7，0.666 7， 0.000 8）＜（9）=19.02，显著性系数F= （998.22，560.97，57 516）＞F0.05（8，1）=238.90，表明回归方程在显著性水平0.05下，拟合精度及拟合优度较高，具有显著统计学意义。

表8　多元非线性回归方程统计学参数Table 8 Statistical parameters of multivariate nonlinear regression equation

基于以上分析，可确定胶结充填材料最佳配比方案为:A=0.250，B=80%，C=1。根据上述最佳配比方案可确定充填成本，详见表9。

由表9可见，破碎粗磷尾矿-粉煤灰-水泥基胶结充填成本为95.30元/m3，与破碎粗磷尾矿-水泥基胶结充填成本153.10元/m3相比大幅降低（其中，破碎粗磷尾矿-水泥基胶结充填成本为同等粗磷尾矿添加量1 360 kg/m3，不添加粉煤灰，但水泥添加量340 kg/m3与粗磷尾矿-粉煤灰-水泥基胶结充填中水泥和粉煤灰总添加量170+170=340 kg/m3相等）。同时，利用粉煤灰和粗磷尾矿进行胶结充填，与现有空场法开采相比矿石损失及贫化率降低了20%～30%，且矿石回收率提高，矿山服务年限延长，矿山总经济效益显著提高。此外，矿床开采的整体安全性得到保证，而且矿区生态环境得到改善，符合国家和行业对矿山开采的发展规划，具有显著的环境和社会效益［22］。

表9　不同配比方案充填成本比较Table 9 Comparison of backfill costs

3　结 论

本文以粗磷尾矿和粉煤灰为充填材料，通过试验进行了粗磷尾矿胶结充填级配及抗压强度分析，得到如下结论:

（1）粗磷尾矿物理性能较差，特别是粒径较粗，不宜直接作为泵送充填骨料，但其化学性质稳定，对胶凝体系和环境无显著影响；粉煤灰质量较差，粒径较粗，但具有较强的火山灰特性。

（2）粗磷尾矿粒度分布不连续，呈现细粒度和中粒度含量偏少，而粗粒度含量偏多的特征，且级配指数为0.86，与Eüller曲线理想级配指数0.5和较大密实度的级配指数范围0.3～0.6存在较大差距。

（3）选择-5 mm粒级对粗磷尾矿进行机械破碎加工，其0.315 mm粒径以下含量约19%，且级配指数为0.532，具有较大密实度，能够满足泵送要求。

（4）充填体无侧限抗压强度随着养护龄期的延长而增强，且后期无侧限抗压强度增长率（7～28 d）高于早期无侧限抗压强度增长率（3～7 d），同时充填体无侧限抗压强度均随胶砂比A、质量浓度B和水泥/粉煤灰质量比C增大而增大，且因子对无侧限抗压强度的影响程度大小分别为:A＞C＞B、A＞B＞C和A＞C＞B。

（5）充填体3 d、7 d和28 d无侧限抗压强度与因子A、B和C之间存在显著非线性关系。

（6）破碎磷尾矿-粉煤灰-水泥基胶结充填成本为95.30元/m3，与破碎磷尾矿-水泥基胶结充填成本153.10元/m3相比大幅降低，具有显著的经济效益。同时，采用粉煤灰和粗磷尾矿进行胶结充填，实现了安全、环保和绿色开采，具有显著的环境和社会效益。

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Analysis of Gradation and Compressive Strength of the Cemented Paste Backfill with Coarse Phosphate Tailings

CHEN Bowen，MEI Euding，YANG Liu，BAO Ke，YAN Xianhang
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The highly concentrated cemented paste backfill with coarse aggregate is not only one of the main difficulties facing the mining industry，but also a frontier research field.This paper uses coarse phosphate tailings and fly ash as backfill materials to reduce environmental pollution，land occupation and geological disaster caused by coarse phosphate tailings and voids.Eirstly，the paper tests physical，chemical and mineralogical properties of phosphate tailings and fly ash by SEM，ICP-MS&ICP-OES，XRD，Laser Particle Analyzer and other standard testing methods.Secondly，the paper studies the gradation of coarse phosphate tailings and crushed phosphate tailings with different particle size by Eüller and Talbol theories.Einally，the study researches the rule of unconfined compressive strength of cemented backfill by orthogonal experimental design and multiple nonlinear regression，and analyzes the economic，environmental and social benefits of the backfill.The results show that the physical properties of coarse phosphate tailings and fly ash are both poor.However，the coarse phosphate tailings have stable chemical properties，and the fly ash has high pozzolanic properties.The crushed phosphate tailings with-5mm can be used as aggregate for the pipelineconveying paste backfill due to its high compactness.The long-term unconfined compressive strength of the backfill grows fast，and meanwhile，the unconfined compressive strength increases with the increase of cement-aggregate ratio，concentration and cement-fly ash ratio，and cement-aggregate ratio has the greatest impact on the unconfined compressive strength.Eurthermore，the unconfined compressive strength of the backfill has significant nonlinear relationship with cement-aggregate ratio，concentration and cement-fly ashratio.The cemented backfill with coarse phosphate tailings and fly ash has significant economic，environmental and social benefits.

coarse phosphate tailings；gradation of cemented paste backfill；unconfined compressive strength；orthogonal experimental design；multiple nonlinear regression

X936

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.026

1671-1556（2015）05-0145-09

2014-12-15

2015-03-18

湖北省自然科学基金重点项目（2014CEA529）

陈博文（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为矿山安全。E-mail:chenbowen027@foxmail.com

梅甫定（1964—），男，教授，主要从事工业灾害控制、安全检测、安全评价等方面的教学和科研工作。E-mail:mfd1964@sohu. com