尾砂胶结充填体强度影响因素研究

赵龙，王楠

(山东黄金矿业(莱州)有限公司 三山岛金矿，山东 莱州市 261442)

0 引言

尾砂胶结充填采矿法是目前充填采矿法的趋势，充填体的强度严重影响着地下采场的稳定及安全[1-2]。国内外学者对此进行了广泛的研究，研究内容主要集中于充填体的配制方案、力学特性以及强度方面[3-4]。

王文涛等[5]进行了全尾砂胶结充填料浆最优配比试验研究，结合某萤石矿充填研究了灰砂比、料浆质量分数对充填料浆性能的影响规律，并得到了最优方案∶灰浆比为1∶4、料浆质量分数为75%。曹帅等[6]进行了分层尾砂胶结充填体力学特性变化规律及破坏模式研究。赵康等[7]进行了不同灰砂比尾砂胶结充填材料组合体的力学特性及协同变形研究，结果表明，组合体的整体峰值强度取决于其灰砂比较小试件的峰值强度；不同灰砂比组合体中，灰砂比较大试件的应变量显著低于灰砂比较小试件的应变量，就协同变形而言，两种灰砂比充填体的应变曲线变化趋势比较一致。蔡嗣经等[8]进行了尾砂充填料浆流变性能模型与试验研究，为矿山充填设计提供了理论和试验依据。杨岳阳等[9]进行了尾砂胶结充填材料配比强度变化特性研究，结果表明，随着龄期增加充填体试样强度逐渐变大，且料浆质量分数的提高对充填体试块的强度增大也是有益的。李洪宝等[1]进行了尾砂粒度对充填体早期强度影响的试验研究，结果表明，尾砂粒径对早期强度影响显著，当尾砂颗粒达到一定细度时，与水泥水化胶结的契合度能够有效提高，随着粒径的降低，充填体的早期强度越大。董毅萌等[10]进行了金矿尾砂胶结充填胶凝材料的制备及其性能表征的研究，分析了充填试样的力学性能与料浆流动性能。张金等[11]以山东金鼎矿业胶结充填体为研究对象，进行了胶结充填体单轴抗压强度、扫描电镜以及X射线衍射分析试验研究。李地元等[12]基于正交试验法对磷石膏废石胶结充填体强度进行了研究，发现黄磷渣对磷石膏废石胶结充填体抗压强度起决定性作用，料浆质量分数是影响抗压强度的显著因素，废石质量比例和废石与料浆的排列方式是影响抗压强度的非显著性因素。秦健春等[13]进行了极细全尾砂胶结充填参数优化的试验研究，获得了最优的充填技术参数。

以上研究为尾砂胶结充填采矿法提供了一定的依据，在此基础上，本文选用三山岛金矿尾砂、普通 32.5水泥，根据现场充填条件，采用灰砂比1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四种配比，选择采场实际充填质量分数为 68%、70%、72%。尾砂试样分别采用3，7，14，28 d四个龄期。然后进行单轴压缩试验，分别研究了灰砂比、充填质量分数以及龄期对尾砂胶结充填体强度的影响，并得到了各个因素与强度的拟合公式。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验充填料中的尾砂采用三山岛金矿新立选矿厂生产的全尾砂。尾砂的密度为2.65 g/cm3，密实堆积密度为1.54 g/cm3。其主要化学成分和粒级分布分别见表1和表2。

表1 全尾砂主要化学成分/%

表2 全尾砂粒径组成测试结果

1.2 单轴抗压强度试验

尾砂试样采用三山岛金矿全尾砂和普通水泥制备。根据现场充填条件，选用 1∶4，1∶6，1∶8，1∶10四种灰砂比，和 68%、70%、72%三种质量分数。尾砂试样模具尺寸为 70 mm×70 mm×70 mm 的立方体。尾砂试件浇筑好后放入HSB—40B恒温养护箱中养护，选择3，7，14，28 d四种养护龄期。使用 WHY-200型微机控制全自动压力机对试样分别进行单轴抗压强度测定。

1.3 电镜扫描

为了研究尾砂胶结充填体的胶凝过程，采用Zeiss Ultra 55热场发射扫描电镜进行电镜扫描（SEM）试验。选择灰砂比 1∶4，质量分数为 70%的试样，分别在3，7，28 d进行SEM扫描。

2 试验结果及分析

2.1 尾砂充填体胶凝的微观过程

SEM 扫描结果如图1所示，图1表明水泥尾砂胶结的主要物相由两部分组成：水化物相，它是由水泥和尾砂发生水化反应后生成的新物相；残留物相，是未参与反应或未反应完毕的物相。其他的还有水和空气组成的孔隙网等。其中起主导作用的是水化物相，又称胶结相，其种类、数量、相对大小和空间分布等特点决定了硬化体的强度等其他物性。

图1 试件SEM扫描结果

2.2 尾砂试样强度影响因素分析

2.2.1 灰砂比

干料中水泥含量对强度的影响如图2所示。由图2可知，龄期相同时，不同灰砂比的试件强度均随水泥含量的增长而增长，试件水泥含量较低时，各试件的强度值差距较小，但当水泥含量逐步增大时，试件强度差异也越见明显，当灰砂比为1∶4时，这种差异最为显著。根据数据变化规律对实测值进行拟合，试件无侧限单轴抗压强度，与干料中水泥含量拟合函数方程见表3。

图2 尾砂试块单轴抗压强度随灰砂比的变化

表3 单轴抗压强度与灰砂比关系

2.2.2 料浆质量分数

图3是不同龄期尾砂试块单轴抗压强度随料浆质量分数的变化关系。从图3可以看出，配比相同时，各龄期试件强度均随料浆质量分数的增长而增长。根据数据变化规律，采用一次函数对图3中实测值进行拟合，试件强度与料浆质量分数的拟合函数方程见表4。对通过应用试验分析得到的回归模型进行不同灰砂比及料浆质量分数下的充填体强度预测，并将拟合值与试验值进行对比，分析差值，以掌握不同配比的充填体强度变化趋势。

图3 尾砂试块单轴抗压强度随料浆质量分数的变化

表4 单轴抗压强度与料浆质量分数的关系

2.2.3 龄期

图4是尾砂试块单轴抗压强度随龄期的变化关

系，由图4可知，当配比相同时，充填体试块强度均随着龄期的增长而增长，在3～14 d时间段内试块强度增长较快，龄期接近14 d时试块强度得到很大提高，14～28 d龄期间强度增长稍微缓慢。变化曲线斜率随着养护时间的增长逐渐变小，龄期14 d时强度值能达到龄期28 d强度值的80%左右。根据数据变化规律，对实测值进行回归拟合，试件强度与龄期的回归函数方程见表5。

图4 尾砂试块单轴抗压强度随龄期的变化

表5 单轴抗压强度与龄期的关系

3 结论

本文选用三山岛金矿尾砂、普通水泥，根据现场充填条件，采用灰砂比 1∶4，1∶6，1∶8 和 1∶10 四种配比，选择采场实际充填料浆质量分数为68%、70%、72%的料浆制作尾砂试样，分别采用3，7，14，28 d四个龄期。然后进行单轴压缩试验，分别研究了灰砂比、充填料浆质量分数以及龄期对尾砂胶结充填体强度的影响。并得到了各个因素与强度的拟合公式。

（1）当龄期相同时，各试件强度均随水泥含量的增长而增长。试件水泥含量较低时，各料浆质量分数试件的强度值差距较小，但当水泥含量逐步增大，试件强度差异也越见明显。当灰砂比为 1∶4时这种差异最为显著。

（2）配比相同时，各龄期试件强度均随料浆质量分数的增长而增长，水泥含量会影响试件单轴抗压强度随料浆质量分数增长的变化规律。当灰砂比为1∶6时，强度随料浆质量分数的增长速度最快；当灰砂比低于1∶8时，强度随浓度的增长速度较为缓慢。

（3）配比相同时，充填体试块强度均随着龄期的增长而增长。3～14 d时间段内试块强度增长较快，龄期接近14 d时试块强度得到很大提高，14～28 d龄期内强度增长稍微缓慢。变化曲线斜率随着养护时间的增长逐渐变小，龄期14 d时强度值能达到龄期28 d强度值的80%左右。