尾砂胶结充填体强度差异性分析

李 武，利 坚，陈 冲

（云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655000）

矿山井下充填过程中，充填料浆经充填管输送至采场中，完成滤水、水化反应等过程后，最终形成具有一定支撑强度的充填体，以改善采场应力，最大限度回收深部矿产资源。

李文臣等[1]开展充填试验模拟，系统分析了充填体强度在纵向、横向和竖向3个方向上的分布规律；成祖国、魏晓明等[2，3]从浓度、沉降、分布等方面分析了矿山现场嗣后充填过程与实验室充填试件体制备过程的差异，并对两者间的强度进行了对比研究；邱华富等[4]通过相似模型浆体充填试验，分析采空区充填浆体流动沉积规律及充填浆体颗粒质量分数分布规律。

上述文献对两类充填体进行了强度对比，但得出的结果不尽相同。本文以云南某铅锌矿山为工程背景，揭示该矿山采场充填体强度空间变化规律及其形成机制，对地表实验室制备的充填体与井下原位取芯充填体进行强度对比，掌握井下采场充填质量。

1 充填体试件力学参数对比

根据矿山现用膏体物料（水泥+尾砂+水粹渣）配合比设计充填配比试验。试块浇筑、养护并脱模后置于恒温恒湿标准养护室养护，养护温度23.9℃，湿度97.7%，养护龄期28d。

井下原位充填体设计取芯长度56m，取芯钻孔倾角为0°，方位角为26°，机头高度1.5m，取芯情况见图1。将长度超过10cm的原位充填体芯加工成标准试件，测量每个试件的直径和长度。

对两类充填体进行物理力学参数测试，见表1。

图1 井下充填体取芯

表1 试件力学参数测试结果

由表1可知，原位取芯胶结充填体的抗压强度、容重、弹性模量和峰值应力分别高出实验室试件约2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%。原位取芯试件的容重更大，即表明单位体积内孔隙及孔隙水减少，宏观上呈现抗压强度的增大。

2 充填体试件内部微观结构特征分析

全尾砂充填试块做单轴抗压强度测试之后，当天取中间部分试样低温烘干24h，然后喷金后做扫描电镜分析，试验采用美国FEI Quanta 600扫描电子显微镜，X射线能谱仪(EDAXGENESIS)检测物质成分。

养护环境（温度和湿度）、养护龄期、料浆质量浓度和灰砂比影响充填体的性能主要因为影响充填体中水泥的水化，即不断影响水化反应不断生成的六片状AFm相及C-A-H晶体，内部结构发育情况见图2。

图2 两类充填试块内部结构对比（灰砂比1∶6、质量浓度76%）

由图2可知，相同灰砂比和质量浓度下，原位取芯充填试块水化产物多于实验室充填试块，且内部结构更加紧凑，宏观表现为强度的加大。

3 实验室试件与原位取芯试件强度差异分析

首先，与井下充填物料相比，实验室物料粒级分布相对更加均匀。其次，部分水经滤水管排出，使得井下胶结充填体容重比地表实验室大。同时，温度也是影响水泥水化反应的重要因素[6]。该矿山全年平均温度16℃，而井下充填空区温度达到32℃，相对来说对水泥水化反应的影响更大。

由于实验室筑模和井下滤水管排水过程中都会造成部分水泥和细颗粒流失，且在表中浓度的变化过程中，两类试件的强度值变化幅度均不是太大，故认为充填浓度并不是造成两类充填体强度值显著差异的主要原因。表1中两种配比的原位力学参数强度均高于地表实验室试件，说明充填料浆受到上覆料浆的自重应力及两帮围岩或膏体的空间限制，固结过程中内部原生孔隙被压密，孔隙水排出[5]，增加了同等体积的密实度和容重，进而体现在弹性模量、抗压强度等力学参数上。综上所述，井下充填体容重高于地表实验室试件，是造成井下取芯强度高于实验室试件强度的主要原因。

4 采场空间位置对充填体强度的影响

地表试验中，充填体试件强度随着充填浓度和灰砂比的提高而增加，满足常见充填体强度规律。但原位取芯充填体强度测试中，灰砂比1∶6的试件强度随浓度的增加而出现略微降低的趋势，说明在实际空区充填过程中，充填体强度并不完全满足常见强度增长规律。实际情况中，空区充填过程中充填体强度在空间内的分布呈现不均匀性，是由骨料颗粒分布、水泥含量和分布、物料胶结形式和状态，以及胶浆固结时的实际浓度分布等多种因素耦合所致。原位取芯充填体试件受力破坏方式与常见制件破坏方式完全不同，物料在胶结时表现有不均匀性，破坏面处尾砂颗粒居多，大小颗粒胶结出孔隙多、大，水泥析出较多。

充填过程中，在充填管道端口下放的浆体冲刷逐渐形成1个椎形构筑物，且靠近充填端口粗颗粒较多，细颗粒随浆体的移动向远端移动沉积。新注入浆体沿着已沉积浆体坡面流动沉积，沉积水在采空区远端聚集并排出。料浆的流动沉积过程会发生料浆中固体颗粒的沉降，表现为粗颗粒物料比细颗粒物料先沉积。随着流动距离的增加，尾砂细颗粒比例逐渐升高，这就导致充填体在同一水平面上的强度降低，又根据各自影响程度的不同，最终叠加出不同的强度分布规律。空区完成充填后，充填体坡形已基本形成，充填体在不同位置的高度有差别，这将导致不同的竖向压力和料浆浓度，并最终导致充填强度在竖向上的差异，一般来说呈现充填体强度自下而上逐渐降低的分布规律。

5 结论

通过对原位取芯充填体试件及实验室试件的力学测试，发现原位取芯胶结充填体在抗压强度、容重、弹性模量和峰值应力方面分别高出实验室试件约2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%。基于电镜扫描对两类试件内部结构发育情况检测，发现在相同灰砂比和质量浓度下，原位取芯充填试块水化产物多于实验室充填试块，且内部结构更加紧凑、稳定，表现为支撑强度的加大。影响原位充填体试件及实验室试件强度的主要原因为受力环境，表现为原位充填体容重的增加。并加上物料颗粒均匀性、实际充填浓度以及温度等众多因素耦合作用，使得井下充填体强度更大。空区充填位置不同，其强度范围不一样。当充填位置位于采空区中心时，其强度较大，且分布的均匀性更好。充填体在不同位置的高度差别，形成不同的竖向压力和料浆浓度，并最终导致充填强度在横向及竖向上的差异。