全尾砂充填材料配比及输送特性试验研究

王 伟，王怀勇，裴 斌，王 顺，张鹏飞

(1.西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒 026200；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

对于采用充填采矿法回采的矿山，充填体强度过高会增加充填成本，而充填体强度过低又影响着采空区稳定性和回采效率等。影响胶结充填体强度的主要因素有充填料浆浓度、尾砂级配组成、尾砂化学成分、胶凝材料类型、灰砂比、添加剂和养护龄期等[1-2]。

内蒙古某地下矿山为断裂构造控制的中低温热液型脉状多金属矿床，主矿体平均倾角85°，平均厚度17.4 m，采用分段空场嗣后充填采矿法回采，采用全尾砂膏体泵送充填工艺，选矿磨矿采用半自磨工艺[3]。本文针对该矿山所采用的采矿方法和充填工艺，开展全尾砂的物理化学性质测试、粒级组成和化学成分分析，并进行单轴抗压强度试验、剪切试验、坍落度试验和流变特性测试，为矿山充填料浆配比选择和充填体力学分析提供依据。

1 全尾砂物理化学性质测试

1.1 全尾砂基本参数

全尾砂基本参数主要包括全尾砂的密度、松散密度、孔隙率等。参照国家标准《GB/T 50123—2019土工试验方法标准》和《SL237—1999土工试验规程》分别测定了全尾砂的密度及松散密度，并通过公式计算得到全尾砂孔隙率[4]。试验过程中对各基本参数进行多次测试，并取平均值，测试结果如表1所示。

表1 全尾砂基本参数表

1.2 全尾砂粒级组成分析

实验室先采用筛析法测量+30 μm粒级组成，再采用LS-POP(VI)型激光粒度分析仪测量-30 μm粒级组成，两种方法测试数据相结合后得到全尾砂粒级组成，如表2所示。全尾砂粒径特征参数为：d10=1.41 μm，d50=14.39 μm，d60=30.18 μm，d90=103.27 μm，平均粒径为37.06 μm。计算不均匀系数为7.08。

表2 全尾砂粒级组成表

从试验结果可以看出，全尾砂属于细尾砂，充填过程中可能会面临尾砂沉降困难、料浆质量浓度低和充填体强度不高等问题。

1.3 主要化学成分分析

采用元素光谱分析法对尾砂的化学成分进行分析，试验结果表明尾砂中硫含量较低，对充填体强度影响较小，尾砂可作为充填骨料。

2 充填材料配比试验

2.1 单轴抗压强度测试

实验室参考《SL237—1999土工试验规程》中无侧限抗压强度试验方法，测试了不同浓度、灰砂比和养护龄期条件下的试块单轴抗压强度。试验采用矿山使用的P.O42.5级普通硅酸盐水泥作胶凝材料，全尾砂作为骨料。选取充填料浆质量浓度分别为58%、60%、62%，灰砂比分别为1∶10、1∶6、1∶4、1∶3，养护龄期为3 d、7 d、28 d和60 d。

实验室采用长×宽×高为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的标准三联试模制作试块，采用HBY-40A型恒温恒湿标准养护箱，采用WHY-300/10型微机控制压力试验机测定试块单轴抗压强度，结果如表3所示。选取了几个典型试验分析曲线，如图1～图4所示。

表3 充填试块单轴抗压强度测试结果表

图1 养护龄期28 d条件下抗压强度与质量浓度曲线图

图2 养护龄期28 d条件下抗压强度与灰砂比曲线图

图3 灰砂比1∶6条件下抗压强度与质量浓度曲线图

图4 灰砂比1∶6条件下抗压强度与养护龄期曲线图

试验结果表明：(1)在养护龄期7～60 d内，试块的单轴抗压强度随着料浆浓度的增加而增大，随着灰砂比的增大而增大；(2)在养护龄期7～60 d内，试块的单轴抗压强度随着养护龄期的增长而逐渐增大，3～7 d的单轴抗压强度增长较缓慢，而7～28 d的单轴抗压强度增长较快，说明早期强度增长较慢，后期强度增长较快；(3)充填试块养护龄期3 d的单轴抗压强度为养护龄期7 d的34%～61%，养护龄期7 d的单轴抗压强度为养护龄期28 d的27%～66%，而养护龄期28 d的单轴抗压强度为养护龄期60 d的74%～98%，说明充填体在养护龄期28 d时接近终凝强度。

2.2 剪切试验

室内测定岩石剪切强度的试验方法很多，如单面和双面剪切等直接剪切试验和变角板法，冲孔试验以及三轴试验等，本文采用常用的变角板法测试。变角板法是利用压力机械施加垂直荷载，通过一套特制的夹具使试样沿某一剪切面产生剪切破坏，然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，从而绘制法向压应力σ与剪应力τ的关系曲线，再进行线性回归，得到截距和斜率，分别对应内聚力C和内摩擦角Φ[5-6]。

试样为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方体，养护箱内温度保持20 ℃、湿度保持98%，养护龄期为28 d。

主要设备：(1)制样设备，三联试样模具；(2)压力机，同单轴抗压强度测试；(3)变角板剪切夹具，可在30～70°范围内有4～5个角度可供调整，如图5所示。

图5 变角板剪切试验图

将变角板剪切夹具用安装在压力机承压板间，调整夹具的中心与压力机的中心线相重合，然后调整夹具上的夹板螺丝，使刻度达到所要求的角度，将试样安装于变角板内。开动压力机，同时降下压力机横梁，使剪切夹具与压力机承压板接触上，然后调整压力表指针到零点，以每秒0.5～0.8 MPa的加荷速度加荷，直到试样破坏，记录破坏荷载P。升起压力机横梁，取出被剪切破坏的试样。调整变角板夹具的不同角度，取得不同角度下的破坏荷载。选取45°、50°、55°、60°共4个剪切角度，每个角度下作不少于3个试件的剪切试验，取算术平均值。

按照式(1)计算作用在剪切面上的剪应力τ和正应力σ：

(1)

式中τ—剪应力，MPa；

σ—正应力，MPa；

P—试件破坏荷载，N；

A—试件剪切面面积，mm2；

α—试件放置角度(变角板角度)，(°)；

f—滚轴摩擦系数，f=1/(nd)，n为滚轴根数，d为滚轴直径(mm)，本试验中取f=0.05。

采用线性回归后得到内聚力C和内摩擦角Φ，充填体剪切试验计算结果如表4所示。

表4 充填体剪切试验结果表

试验结果表明：尾砂胶结充填体灰砂比在1∶3～1∶6范围内，当浓度为60%时，内聚力为0.12～0.28 MPa，内摩擦角为29.9～34.1°；当浓度为62%时，内聚力为0.14～0.31 MPa，内摩擦角为31.0～35.3°。可以看出，内聚力和内摩擦角随着浓度的增加而增大，随着水泥含量的降低而呈下降趋势。

3 充填料浆输送特性试验

3.1 坍落度试验

坍落度是反映充填料浆流动性好坏常用的指标，比较容易测得。坍落度值主要取决于料浆中固体颗粒粒级分布、料浆浓度、胶凝材料和其它添加料。充填料浆能够在采场顺利流动的情况下，坍落度值应在15～25 cm，扩散度以20～50 cm为宜。管道输送试验和充填生产经验表明，充填料浆坍落度值愈大，料浆流动性能越好，膏体输送的阻力愈小。

实验室选用顶部直径100 mm，底部直径200 mm，高300 mm的坍落度桶，对灰砂比1∶4的充填料浆进行了坍落度和扩散度测试，并选择萘磺酸盐系列减水剂进行了对比试验，减水剂添加量为水泥的0.5%。试验结果如图6、图7所示。

图6 灰砂比1∶4料浆不同浓度坍落度曲线图

图7 灰砂比1∶4料浆不同浓度扩散度曲线图

试验结果表明：(1)胶结料浆坍落度和扩散度随料浆质量浓度的增加而降低，说明流动性随着浓度增加而减弱。当料浆质量浓度小于66%时，坍落度大于18 cm，能满足输送和采场流动性要求。(2)减水剂对料浆坍落度和扩散度影响较大，添加减水剂的料浆坍落度和扩散度明显比不添加减水剂好。当灰砂比1∶4时，添加水泥质量0.5%的减水剂后，胶结料浆流动性明显得到改善，当料浆质量浓度达到76%时仍具有较好的流动性，而不添加减水剂的料浆质量浓度达到70%以上时很难搅拌，全尾砂和水泥混合不均匀，不利于搅拌和输送。(3)添加水泥质量0.5%的减水剂后，在同等坍落度情况下，料浆质量浓度可以提高3%～4%。

3.2 流变特性测试

全尾砂充填料浆的流变特性参数由屈服应力和黏度系数描述，是衡量其输送性能的重要指标[1]。当高浓度(膏体)含有一定重量比例的细粒级(通常-20 μm的粒级含量不少于15%)时，其流变特性为具有一定的初始抗剪切强度τ0及粘性系数，在管道中的流动状态既不同于牛顿流体，亦与低浓度固液混合物两相流具有重大甚至是本质的区别，属于似宾汉体[1，7]，其流变方程可用式(2)表示：

τ=τ0+ηγn

(2)

式中τ—剪切应力，Pa；

τ0—屈服应力，Pa；

η—塑性黏度，Pa·s；

γ—剪切速率，s-1；

n—流变特性指数，宾汉塑性体取n=1。

流动特性主要通过测试在一定剪切速率下的塑性黏度，计算得到对应的剪切应力后，通过剪切速率和剪切应力的变化规律及关系就可推测出流体的属性[4]。实验室选用RS-SST软固体流变测试仪测试了非胶结和胶结料浆分别在质量浓度为58%、60%、62%、64%和66%时的剪切速率和剪切应力，本文选择非胶结和胶结料浆浓度为60%的剪切速率与剪切应力进行回归分析，如图8、图9所示。对料浆浓度与屈服应力及塑性黏度的关系进行分析，结果如图10、图11所示。

图8 非胶结料浆浓度60%宾汉模型回归曲线

图9 胶结料浆浓度60%宾汉模型回归曲线

图10 料浆浓度与屈服应力曲线图

图11 料浆浓度与塑性黏度曲线图

试验结果表明：(1)屈服应力τ0和塑性黏度η随着质量浓度增加提高而增大，浓度越大增加的速率越快。(2)当浓度超过某一界限时，τ0和η均急剧增长，并且该浓度界限与灰砂比、材料性质有关。(3)对于胶结充填料浆而言，流变参数急剧增加的质量浓度界限为64%，而非胶结充填料浆在58%～66%之间流变参数的增加表现得较为平稳。胶结料浆质量浓度在62%～64%时已经表现出膏体特性。

4 结论

(1)试块的单轴抗压强度随着养护龄期的增长而逐渐增大，早期强度增长较慢，后期强度增长较快，充填体在养护龄期28 d时接近终凝强度，建议井下充填体养护周期为28 d。

(2)减水剂虽对充填体强度影响较小，但能够改善料浆的输送性能。在相同抗压强度条件下，可以相应地提高料浆输送浓度、降低胶凝材料添加量，并消耗更多的尾砂。

(3)胶结充填料浆流变参数急剧增加的质量浓度界限为64%，而非胶结充填料浆在58%～66%之间流变参数的增加表现得较为平稳。结合坍落度试验和流变特性测试结果，建议胶结料浆质量浓度控制在62%～64%范围以内，非胶结料浆质量浓度小于66%。

(4)应对大体积充填体的稳定性进行研究，分析和计算充填体保持稳定条件下所需要的充填体强度，进而选择合理的灰砂比。

(5)应根据该矿尾砂的物理化学性质配制新型胶凝材料，以降低灰砂比，从而降低充填成本。