固结粉胶凝材料开发与胶结充填体强度试验

杨志强，高 谦，陈得信，王永定，何建元

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金川集团股份有限公司镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌 737100)

固结粉胶凝材料开发与胶结充填体强度试验

杨志强1， 2，高 谦1，陈得信2，王永定2，何建元2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金川集团股份有限公司镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌 737100)

针对金川矿山开采面临的采矿经济与环保压力，利用酒钢低活性酸性矿渣，开展新型充填胶凝材料开发，获得称为固结粉的早强型新型充填胶凝材料。为了实现固结粉在金川矿山工业化应用，针对金川矿山废石、棒磨砂、戈壁砂和河沙等骨料，开展了4种充填骨料的固结粉胶结充填体抗压强度试验。结果表明，除了戈壁粗砂骨料胶结充填体3 d抗压强度小于设计抗压强度外，其他3种充填骨料的固结粉胶结充填体抗压强度均满足金川矿山安全采矿要求，说明早强型固结粉胶凝材料应用于金川矿山充填法采矿中能够替代水泥。

固结粉胶凝材料；低活性酸性矿渣；胶结充填体抗压强度试验；固体废弃物利用；矿山充填采矿法；金川镍矿

金川镍矿是世界第三大硫化铜镍矿床，已探明资源储量5.64亿t，镍金属储量550万t。矿床以埋藏深、地应力高、矿体厚大和围岩破碎等不利采矿技术条件著称于采矿界。通过采矿技术攻关研究与工程实践，选择下向分层进路胶结充填采矿法，并以水泥和棒磨砂作为充填材料，材料成本高达165元/m3，这在国内外不多见。随着开采深度增加以及矿石品位下降，采矿成本逐年增加，经济效益逐步下降。同时镍金属国际市场近年来处于低迷状态，由此给金川企业带来巨大的经济压力。另一方面，金川资源采选冶排放大量废石、废渣，并伴随粉煤灰、脱硫灰渣、电石渣等工业副产品排放，不仅占用大量土地，而且还污染环境。

金川企业历来重视环境保护，在21世纪初开展了废弃物充填采矿技术研究[1-2]。倪文等[3]开展了镍渣提铁技术的二次资源回收综合利用研究。王正辉[4]提出利用废弃物的胶结充填技术与工艺。郭慧高等[5]探索废石在金川二矿区充填采矿技术的应用与前景预测，明确了利用井下废石粗骨料能够提高充填体抗压强度和降低充填采矿成本。乔登攀等[6]在金川二矿区开展废石-全尾砂混合粗骨料的高质量分数充填工艺试验，已经实现部分废石在充填采矿中的工业化应用。王佳佳等[7]利用水淬镍渣开展充填胶凝材料研发，其7 d和28 d抗压强度满足金川矿山充填胶凝材料要求，但3 d抗压强度较低，难以在金川矿山中应用。

近年来，利用酒钢公司低活性酸性矿渣开展早强型充填胶凝材料研究取得了进展[8-13]，开发的固结粉早强充填胶凝材料已经实现工业化生产，并在龙首矿进行工业充填试验。为了利用固结粉胶凝材料扩大废石、尾砂等废弃物在金川充填采矿中的应用，还开展高质量分数料浆流变特性研究以及膏体充填系统改造[14-17]。虽然废弃物在金川矿山充填采矿中应用已经取得进展，但由于废石、尾砂等充填骨料所固有的不确定性，给充填采矿带来诸多问题，为此进一步开展不同混合充填集料的胶结充填体抗压强度试验，为固体废弃物在金川矿山中推广应用和充填料浆的优化控制奠定基础。

下向分层胶结充填法采矿是生产人员在充填假顶(充填体)下作业，因此胶结充填体抗压强度和整体稳定性直接关系到采矿安全。根据金川矿山充填采矿技术规范，确定金川矿山胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度不小于1.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa。

酒钢公司矿渣活性、碱性和质量系数分别为0.295、0.935和1.411，属于低活性酸性矿渣，因此给开发早强胶凝材料带来困难。针对酒钢公司低活性酸性矿渣，本研究采用机械和化学复合激发两种方式来开发金川矿山早强新型充填胶凝材料。此外，确定矿渣微粉的细度不大于4.0。针对酒钢低活性酸性矿渣微粉的特性，选择以10水硫酸钠为主的复合外加剂来加速矿渣微粉的水化速度，从而提高充填胶凝材料的早期抗压强度。通过大量室内外试验和优化决策，获得了称为“固结粉”的金川早强型充填胶凝材料，并由金昌熙金节能建材有限公司实现了工业化生产。

1 不同充填骨料胶结充填体强度试验

1.1 试验方案设计与方法

试验采用4种充填骨料、3种胶凝材料和5种质量分数的充填料浆，分别进行不同配比的胶结充填体抗压强度试验，由此获得不同试验条件下的胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度。

a.充填骨料。(a) 金川公司三矿区砂石厂生产-5 mm棒磨砂；(b) -20 mm戈壁粗砂；(c) -12 mm废石与-5 mm棒磨砂按照4∶6配比的混合料；(d) -12 mm废石、-5 mm棒磨砂、-20 mm戈壁粗砂和-5 mm风砂按照55∶22∶16∶7配比的4种骨料混合充填料。

b.胶凝材料。(a) 固结粉与水泥按照7∶3混合的胶凝材料；(b) 固结粉胶凝材料；(c) 矿用水泥。

c.料浆配比与质量分数。根据目前金川矿山工业生产参数，棒磨砂骨料充填料浆灰砂比为1∶4、质量分数为78%，分别进行质量分数77%、78%、79%、80%、81%共5种充填体的抗压强度试验。戈壁粗砂、废石+棒磨砂和废石+棒磨砂+戈壁砂+风砂混合料3种充填骨料的灰砂比均为1∶5，分别进行79%、80%、81%、82%、83%共5种质量分数的胶结充填体抗压强度试验。

胶结充填体抗压强度试验在金川龙首矿充填实验室进行，采用10 cm×10 cm×10 cm三联模具，人工搅拌和制模，一次性倒模，24 h后拆模，制作3种养护龄期(3 d、7 d、28 d)的试块。在自然条件下(室内)养护，采用压力机进行试块的单轴抗压强度测试。

1.2 棒磨砂骨料胶结充填体强度试验

图1 3种胶凝材料的棒磨砂骨料胶结充填体抗压强度与料浆质量分数关系曲线Fig. 1 Relationships between compressive strength of filling body of rod milling sand with three kinds of cementing materials and mass fraction of slurry

图2 5种料浆质量分数棒磨砂胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系Fig. 2 Relationship between average compressive strength of filling body of rod milling sand with five mass fractions of slurry and curing time

图1给出3种胶凝材料棒磨砂骨料胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度与料浆质量分数的关系曲线。图2给出了5种料浆质量分数的胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系曲线。由此得到以下结论：(a)对于质量分数78%的料浆，3种胶凝材料的胶结充填体3 d、7 d、28 d抗压强度均大于1.5 MPa、2.5 MPa、5.0 MPa，满足金川矿山对胶结充填体抗压强度要求。(b)对比3种胶凝材料的胶结充填体3 d抗压强度，以水泥最高，固结粉次之，固结粉与水泥混合胶凝材料最低。固结粉充填体的3 d抗压强度略低于水泥，但随着料浆质量分数增高，固结粉抗压强度逐渐接近于水泥抗压强度，即从质量分数77%时固结粉抗压强度低于水泥抗压强度的0.61 MPa到质量分数81%时抗压强度减小到0.25 MPa。由此可见，提高固结粉料浆质量分数，不仅可以提高固结粉胶结充填体的3 d抗压强度，而且还能够缩小与水泥充填体抗压强度之间的差距。 (c)当料浆质量分数小于78%时，固结粉与矿用水泥的胶结充填体7 d抗压强度基本相等。但当料浆质量分数大于78%时，固结粉胶结充填体7 d抗压强度大于水泥胶结体的抗压强度。(d)当料浆质量分数小于78%时，固结粉和矿用水泥胶结充填体的28 d抗压强度相当。当料浆质量分数大于78%时，固结粉胶结充填体28 d的抗压强度略小于水泥胶结充填体的抗压强度。(e)对于固结粉∶水泥=7∶3的混合胶凝材料，其胶结充填体的3 d、7 d和28 d抗压强度，均低于固结粉和水泥的胶结充填体抗压强度。由此可见，固结粉和水泥2种胶凝材料不能掺合应用。(f)充填料浆在77%～81%的范围内，固结粉胶结充填体的3 d、7 d和28 d平均抗压强度分别达到2.53 MPa、5.04 MPa和8.04 MPa，均大于金川矿山对胶结充填体抗压强度的要求。固结粉胶结充填体3 d和28 d的抗压强度略低于水泥胶结充填体的抗压强度，而7 d的抗压强度与水泥相当。

1.3 戈壁粗砂骨料胶结充填体强度试验

图3给出了3种胶凝材料的戈壁粗砂骨料胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度与充填料浆质量分数的关系曲线。图4给出了戈壁粗砂骨料胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系曲线。由此获得以下结论：(a)3种胶凝材料戈壁粗砂的胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度随充填料浆质量分数的提高而增加。相比较，固结粉胶结充填体抗压强度增长速率大于水泥胶结充填体抗压强度的增长速率。(b)料浆质量分数为81%和灰砂比为1∶5的戈壁粗砂骨料3种胶凝材料胶结充填体3d抗压强度均小于1.5 MPa。但固结粉和水泥两种胶凝材料的胶结充填体7 d和28 d抗压强度均大于2.5 MPa和5.0 MPa。(c)当料浆质量分数小于81%时，固结粉胶结充填体的7 d和28 d抗压强度略小于水泥胶结充填体抗压强度；但当料浆质量分数大于81%，固结粉胶结充填体的抗压强度大于水泥胶结充填体的抗压强度。 (d)料浆质量分数在79%～83%范围内，固结粉胶结充填体的3 d、7 d和28 d平均抗压强度分别为1.14 MPa、2.65 MPa和4.81 MPa。由此可见，3 d和28 d抗压强度低于矿山充填体设计抗压强度，而7 d抗压强度达到矿山设计抗压强度。

图3 3种胶凝材料的戈壁粗砂胶结充填体抗压强度与料浆质量分数关系曲线Fig. 3 Relationship between compressive strength of filling body of Gobi coarse sand with three kinds of cementing materials and mass fraction of slurry

图4 5种料浆质量分数的戈壁粗砂骨料胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系

1.4 废石-棒磨砂混合骨料胶结充填体强度试验

图5给出了3种胶凝材料废石-棒磨砂混合骨料胶结充填体的3 d、7 d和28 d抗压强度与充填料浆质量分数的关系曲线。图6给出了5种料浆质量分数的混合骨料胶结充填体的平均抗压强度与养护龄期的关系曲线。由此获得以下结论：(a)3种胶凝材料的混合骨料胶结充填体的3 d、7 d和28 d抗压强度均大于1.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa。(b)水泥胶结充填体3 d抗压强度高于固结粉和固结粉与水泥混合胶凝材料的胶结充填体抗压强度。(c)当料浆质量分数小于80.5%，固结粉胶结充填体的7 d抗压强度小于水泥胶结充填体抗压强度；但当料浆质量分数大于80.5%时，固结粉胶结充填体7 d抗压强度大于水泥胶结充填体抗压强度。(d)固结粉混合骨料胶结充填体28 d的抗压强度略小于水泥胶结充填体的抗压强度，但2种胶凝材料的胶结充填体的抗压强度之差随着充填料浆质量分数的提高而逐渐缩小。(e)固结粉与水泥混合的胶凝材料的胶结充填体的3 d、7 d和28 d抗压强度为3种胶凝材料中最低。(f)充填料浆质量分数在79%～83%范围内时，固结粉胶结充填体的3 d、7 d和28 d平均抗压强度分别达到1.77 MPa、5.13 MPa和7.28 MPa，满足金川矿山设计的抗压强度。但固结粉胶结充填体3 d和28 d的抗压强度略低于水泥胶结充填体的抗压强度，而7 d的抗压强度略高于水泥胶结充填体的抗压强度。

图5 3种胶凝材料废石棒磨砂混合骨料胶结充填体抗压强度与充填料浆质量分数关系曲线Fig. 5 Relationship between compressive strength of filling body of mixed aggregate with three kinds of cementing materials and mass fraction of slurry

图6 5种料浆质量分数废石棒磨砂混合料胶结充填体平均抗压强度与养护龄期关系曲线

1.5 废石-棒磨砂-戈壁粗砂-风砂混合骨料胶结充填体强度试验

图7给出了3种胶凝材料4种集料的混合骨料胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度与料浆质量分数的关系曲线。图8给出了5种料浆质量分数的混合骨料胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系。由此获得以下结论：(a)质量分数81%时，3种胶凝材料混合骨料充填体3 d、7 d和28 d的抗压强度大于金川矿山设计的抗压强度。(b)水泥胶结充填体3 d的抗压强度大于固结粉胶结充填体3 d的抗压强度；(c)水泥和固结粉2种胶凝材料的胶结充填体7d抗压强度基本相当；(d)料浆质量分数小于81.5%的固结粉胶结充填体28 d抗压强度与水泥基本相当；但料浆质量分数大于81.5%时，28 d的抗压强度大于水泥胶结充填体的抗压强度，并且抗压强度随着充填料浆质量分数的提高而增加。(e)料浆质量分数在79%～83%的范围内，3 d、7 d和28 d固结粉胶结充填体平均抗压强度分别达到2.26 MPa、4.76 MPa和7.31 MPa，均满足设计抗压强度。其中3 d抗压强度略低于水泥，7 d和28 d充填体抗压强度与水泥相当。

2 固结粉胶凝材料胶结充填体强度综合分析

图9和图10分别给出了4种充填骨料的5种料浆质量分数固结粉胶结充填体平均抗压强度的柱状图和平均抗压强度与设计抗压强度之比的柱状图，由此获得以下结论：(a)料浆质量质量分数在77%～79%的范围内，棒磨砂固结粉胶结充填体3 d、7 d和28 d平均抗压强度分别达到2.16 MPa、4.40 MPa和7.54 MPa，分别是设计抗压强度的1.44、1.76和1.51倍，满足金川矿山充填体要求。(b)料浆质量质量分数在79%～83%的范围内，戈壁粗砂固结粉胶结充填体3 d、7 d和28 d平均抗压强度分别达到1.14 MPa、2.65 MPa和4.81 MPa。3 d和28 d的抗压强度小于金川矿山充填体设计的抗压强度，但7 d的抗压强度大于金川矿山充填体设计的抗压强度。(c)料浆质量分数在79%～83%的范围内，废石棒磨砂混合料固结粉胶结充填体3 d、7 d、28 d的平均抗压强度分别为1.77 MPa、5.13 MPa和7.28 MPa，分别是金川矿山设计抗压强度的1.18、1.76和1.46倍，满足金川矿山充填体设计的抗压强度。(d)质量分数在79%～83%范围内，4种混合骨料固结粉胶结充填体的平均抗压强度分别达到2.26 MPa、4.76 MPa和7.31 MPa，分别是设计抗压强度的1.5、2.1和1.46倍，满足金川矿山胶结充填体设计抗压强度。(e)在相同条件下，废石-棒磨砂-戈壁粗砂-风砂混合骨料固结粉胶结充填体的抗压强度最高，废石-棒磨砂混合骨料充填体的抗压强度次之，戈壁粗砂胶结充填体的抗压强度最低。由此可见，由于混合骨料的粒径级配优良，所以在相同条件下胶结充填体的抗压强度最高。

图7 3种胶凝材料4种混合骨料胶结充填体抗压强度与料浆质量分数关系曲线Fig. 7 Relationship between compressive strength of filling body for four kinds of mixed aggregate with three kinds of cementing materials and concentration slurry

图8 5种料浆质量分数4种混合骨料的胶结充填体平均抗压强度与养护龄期的关系曲线Fig. 8 Relationship between average compressive strength of filling body for four kinds of mixed aggregate with five mass fractions of slurry and curing time

图9 5种料浆质量分数固结粉胶结充填体平均抗压强度柱状图Fig. 9 Histogram of average compressive strength of cementing filling body of consolidation powder with five mass fractions of slurry

图10 固结粉胶结充填体平均抗压强度与设计抗压强度比值柱状图Fig. 10 Histogram of ratio of average compressive strength and design compressive strength of cementing filling body of consolidation powder

3 结 论

a.棒磨砂骨料的胶结充填体3 d、7 d、28 d抗压强度均满足金川矿山对胶结充填体抗压强度要求。由此表明，作为人工生产的碎石骨料粒径级配较好，因此胶结充填体的抗压强度较高，但材料成本高。固结粉胶结充填体3 d的抗压强度略低于水泥，但7 d和28 d的抗压强度与水泥相当。

b.料浆质量分数在77%～81%的范围内，固结粉胶结充填体3 d、7 d和28 d的平均抗压强度分别达到2.53 MPa、5.04 MPa和8.04 MPa，均大于金川矿山对胶结充填体的抗压强度要求。

c.料浆质量分数为81%和灰砂比为1∶5的戈壁粗砂胶结充填体3 d的抗压强度均小于1.5 MPa，但7 d和28 d的抗压强度均大于2.5 MPa和5.0 MPa。料浆质量分数在79%～83%的范围内，戈壁粗砂胶结充填体3 d、7 d和28 d的平均抗压强度分别为1.14 MPa、2.65 MPa和4.81 MPa。因此3 d和28 d抗压强度低于矿山设计抗压强度，仅7 d抗压强度达到金川矿山的设计要求。由此可见，戈壁粗砂较粗，粒径级配不良，导致胶结充填体的抗压强度较低。

d.废石与棒磨砂混合骨料胶结充填体3 d、7 d和28 d的抗压强度均大于1.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa的设计抗压强度。水泥和固结粉胶结充填体的抗压强度基本相当。充填料浆在质量分数79%～83%的范围内，固结粉胶结充填体的平均抗压强度分别达到1.77 MPa、5.13 MPa和7.28 MPa，满足金川矿山充填体的设计抗压强度。

e.4种集料混合充填骨料的胶结充填体3 d、7 d和28 d抗压强度均大于金川矿山设计的抗压强度。料浆质量分数在79%～83%的范围内，3 d、7 d和28 d固结粉胶结充填体的平均抗压强度分别达到2.26 MPa、4.76 MPa和7.31 MPa，满足金川矿山胶结充填体设计的抗压强度。

f.对于固结粉∶水泥=7∶3混合胶凝材料，其胶结充填体3 d、7 d和28 d的抗压强度均低于固结粉和水泥的胶结充填体的抗压强度。由此可见，固结粉和水泥2种胶凝材料不能混合应用。

g.根据固结粉胶结充填体的抗压强度试验结果，已将固结粉在龙首矿进行了工业化充填应用试验。根据现场充填体实测结果显示，采用固结粉代替水泥的胶结充填体抗压强度较高，实现了金川矿山安全采矿生产。

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Development of consolidation powder cementing material and strength test of cemented filling body

YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1，CHEN Dexin2，WANG Yongding2，HE Jianyuan2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.NationalKeyLaboratoryofNickelandCobaltResourcesComprehensiveUtilization，JinchuanGroupCo.Ltd.，Jinchang737100，China)

Considering economic and environmental pressure in mining in Jinchuan City，development of a new filling cementing material was carried out using acid slag with low activity at the Jiugang Company，and an early-strength filling cementing material，called consolidation powder，was obtained. In order to use the consolidation power in Jinchuan Mine，compressive strength tests on consolidation powder were carried out for four kinds of filling aggregates，including waste rock，rod milling sand，Gobi Desert sand，and river sand. The results show that the compressive strength of the cemented filling body of Gobi Desert sand for a curing period of three days is lower than the design compressive strength，and the compressive strength of the cemented filling bodies of the three other kinds of filling aggregates meet the strength requirements of a filling body for safe mining in Jinchuan Mine，indicating that the early-strength consolidation powder filling cementing material can replace cement for filling mining in Jinchuan Mine.

consolidation powder cementing material； low-activity acid slag； compressive strength test on cementing filling body； utilization of solid waste； filling mining method； Jinchuan nickel mine

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.010

2016-02-24

国家高技术研究发展计划(863计划)(SS2012AA062405)；镍钴资源综合利用国家重点实验室资助项目(金科矿2015-01)

杨志强(1957—)，男，山西万荣人，研究员，博士，主要从事金属矿充填采矿技术与废弃物综合利用研究与推广。 E-mail: YangZQ@jnmc.com

高谦，教授。E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn

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1000-1980(2017)01-0069-08