杨家沟铝土矿充填材料配比优化研究

许良发，姚 维，黄腾龙，邓高岭，林顺才，杨 鑫

( 1. 国家电投集团铝电投资有限公司，北京 100032；2. 长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3. 国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012 )

铝具有重量轻、无毒、性能好、耐腐蚀、易回收等优点，广泛用于航空、轻工业等领域，拥有“万能金属”之誉。据2017年国际铝业数据显示，我国原铝生产量高达9.78 万t/d，占全世界的57.87%，已成为世界第一大铝生产国和消费国[1]。目前我国主要依靠房柱法、全面法对铝土矿进行开采，受成矿条件( 围岩软弱、倾角平缓、厚度变化大 )的制约，需要留设大量矿柱来保证回采安全，矿石损失率一般在40%～50%[2-3]，造成大量资源的浪费。胶结充填采矿因充填体能有效改善采场应力分布，减少围岩冒落，同时能获得可观的矿石贫损率和有效降低地表固废堆存给矿山企业带来的环境压力等优点而逐渐成为矿山开采的首选方法[4]。

杨家沟铝土矿二系统顶底板围岩为黏土岩、硬质耐火黏土矿、铁质黏土岩，属软弱半坚硬岩层，矿体倾角平均10°，埋深100～260 m，厚度平均2.63 m，且地表分布着苏家吉、郭家吉和郝家沟3个村庄，总压矿量达49.23 万t。为了充分回收矿产资源、保障回采安全和控制地表沉降，拟采用条带进路充填法回收矿石，设计充填能力为80～100 m3/h。由于矿山采用脉内开拓，存在可作为充填骨料的废石量不足的问题。斜沟煤矿位于杨家沟铝土矿西北方向，直线距离小于20 km，设计生产能力1 500 万t/a，产生的煤矸石远大于杨家沟铝土矿所需量( 15 万t/a )，因此，可利用煤矸石作为该矿的充填粗骨料。

煤矸石胶结充填技术是将煤矸石、粉煤灰、烟道渣、石膏等固体废弃物在地面充填站加工成无需脱水或泌水量极低的膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送至井下，煤矸石胶结充填体具有密实度高、充填体强度高等优势，能够有效保障回采的安全性和地表的稳定性[5]。十几年来，国内学者针对煤矸石胶结充填开展了大量研究，除充填开采技术和充填工艺的开发与应用外，重点研究了煤矸石充填材料力学特性、充填体与采场围岩的力学作用机理以及充填料浆输送性能等[6-9]。但针对煤矸石颗粒尺寸对充填料浆输送性能和强度发展尚待进一步的研究[10]，粗骨料尺寸对充填成本和整个充填工艺均至关重要，合理的骨料尺寸能在保证充填体强度的前提下，减少充填成本，降低胶凝材料的用量。笔者通过单轴抗压强度、坍落度2个主要指标，研究了不同颗粒尺寸的煤矸石与粉煤灰、脱硫灰渣、水泥之间不同的组合对充填体力学性能和流动性能的影响，寻找满足杨家沟铝土矿充填要求的最优配比。

1 室内充填试验

1.1 试验材料

1.1.1 煤矸石

试验所用煤矸石取自斜沟煤矿矸石山，原始粒径不大于150 mm，密度为2.07 g/cm3。根据充填工艺及试验要求，先将煤矸石利用相应标准筛( 8，15，20 mm )进行预筛分，筛上煤矸石再利用MPE-100×250型密封破碎机进行破碎至相应粒径，充填材料主要化学成分见表1，煤矸石粒径分布见表2～4。由表1可知，煤矸石中硅、铝含量较高，CaO含量仅有1.100%，活性较低，表明其组分稳定，适宜作为充填骨料。

表1 充填材料主要化学成分Table 1 Main chemical composition of filling material %

表2 0～8 mm 煤矸石粒径分布Table 2 Particle size distribution of 0～8 mm coal gangue

表3 0～15 mm 煤矸石粒径分布Table 3 Particle size distribution of 0～15 mm coal gangue

表4 0～20 mm 煤矸石粒径分布Table 4 Particle size distribution of 0～20 mm coal gangue

1.1.2 胶凝材料

试验所用胶凝材料为P. O42.5水泥和粉煤灰，分别取自岢岚晋湘水泥厂和华兴铝厂，粒径分布如图1所示，化学成分见表1。粉煤灰品质为Ⅱ级，密度为1.95 g/cm3，其主要化学成分为SiO2和Al2O3，CaO占比为1.930%，属于活性较差的低钙粉煤灰[11]。

图1 胶凝材料粒径分布Fig. 1 Particle size distribution of cementitious material

1.1.3 脱硫灰渣

脱硫灰渣取自华兴铝厂，呈深灰色不规则颗粒状，密度为2.12g /cm3，其主要化学成分和粒径分布 见表1和表5。

表5 脱硫灰渣粒径分布Table 5 Particle size distribution of desulfurization ash

混凝土领域对骨料的划分标准为：粒径大于4.750 mm的为粗骨料，粒径0.074～4.750 mm的为细骨料，粒径小于0.074 mm的为粉料，合理的骨料搭配不仅能够减少充填料浆离析引发的堵管事故，还能提高充填体的强度[12-13]。

1.2 试验方法

1.2.1 力学性能

试块制备和强度测试参照《水泥胶砂强度检测方法》( GB/T 17671—1999 )、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》( JGJ/T70—2009 )进行。称量好的试验材料利用强力搅拌机搅拌2 min，使用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的充填料浆模具制作试件，试件初凝后进行刮模，在室内自然养护1 d后脱模放入标准恒温恒湿养护箱中，养护温度为20℃、湿度为95%，养护3，7，14，28 d后利用NYL-300D型压力试验机进行抗压强度测试[14]，如图2( a )所示。

1.2.2 流动性能

料浆的流动性能利用坍落度试验进行表征，依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》( GB/T 50080-2016 )进行，如图2( b )所示。

图2 试验方法Fig. 2 Test method

1.3 试验方案

根据前期大量探索性试验结果，为减少水泥用量，最大化利用其他固废材料，满足工程经济性、材料适用性和充填体强度可靠性的要求，寻求不同煤矸石颗粒尺寸下充填料浆的流动性能和力学性能之间的关系，试验方案设置见表6。

表6 试验方案Table 6 Test plan

2 试验结果分析与讨论

2.1 充填料浆流动性分析

2.1.1 粉煤灰掺量对充填料浆流动性的影响

为了降低充填成本，利用粉煤灰代替部分水泥是一种较好的手段。图3为灰矸比为1∶4，以0～8 mm煤矸石作为粗骨料，在不同粉煤灰掺量下充填料浆坍落度随料浆质量浓度的变化情况。由图3可知，料浆坍落度随着质量浓度的增加而减小，大致以质量浓度84%为界限，超过此浓度后，料浆坍落度极速下降。粉煤灰对煤矸石充填料浆流动性有一定影响，当浓度低于84%时，坍落度随着粉煤灰掺量的增加而增大，增加幅度为0.8%～3.0%，流动性的增加主要得益于粉煤灰的球状外形，在料浆流动过程中发挥了“滚珠”效应[8]。

图3 粉煤灰对充填料浆流动性的影响Fig. 3 Influence of fly ash on the fluidity of filler paste

2.1.2 煤矸石尺寸和脱硫灰渣掺量对充填料浆流动性的影响

在配制充填料浆过程中发现，当煤矸石最大尺寸增加至15，20 mm时，与0～8 mm煤矸石充填料浆相比( 试验配比一致 )，在仅有粉煤灰和水泥作为细骨料时，表现出粗骨料极易沉淀，这势必在输送过程中出现堵管、管道加速磨损等问题，同时在采场易出现粗细骨料分层，对充填体强度增加极为不利，因此通过增加脱硫灰渣来提高充填料浆的输送质量。

图4为水泥∶粉煤灰为1∶1、灰矸比为1∶6时，掺入不同比例灰渣后的坍落度试验结果。由图4可知，在煤矸石尺寸相同时，基本以质量浓度82%为界限，浓度小于82%的料浆的坍落度随着灰渣掺量的增加而增大，大于此浓度的料浆坍落度值正好相反，这可能是因为灰渣掺入后填充在粗骨料的缝隙之间，在浓度较高时，灰渣掺量增加使得拌合水在其表面没有形成足够厚的水膜，而水膜厚度与流动性呈正相关[15]，同时由于灰渣为表面粗糙、不规则颗粒，薄的水膜未能更好地抵消其与煤矸石之间的摩擦力，当浓度降低时，水膜厚度增加，润滑作用加强，同时灰渣掺量的增加导致填充作用的加强，减少了粗骨料之间的接触机会，从而表现为流动性增加。

图4 煤矸石尺寸和脱硫灰渣掺量对充填料浆流动性的影响Fig. 4 Influence of coal gangue size and desulfurization ash content on the fluidity of filler paste

当煤矸石∶灰渣为4∶1时，0～15，0～20 mm煤矸石充填料浆的坍落度值相近；当煤矸石∶灰渣为5∶1时，表现出料浆坍落度随煤矸石尺寸的增大而减小，这可以理解为煤矸石尺寸的增加导致粗骨料之间的空隙增大，需要更多的细骨料来填充空隙才能保证料浆在流动过程中粗骨料之间不会频繁接触，从而降低摩擦力来提高料浆的流动性。

充填料浆泵压输送与混凝土不同，前者属于长距离、长时间输送，填充的面积一般较大，因此在考虑充填料浆输送性的同时还要注意流平性，流平性较好的充填料浆可以提高采场充满率，为下一步开采提供安全保障[16]。根据GB50164-92对混凝土坍落度的分级，通过泵压输送的大流动性混凝土，其坍落度值应不小于16 cm，考虑矿山充填相较于混凝土输送的差异性，同时结合其他矿山采用碎石充填方面的工程经验( 表7 )，推荐杨家沟铝土矿泵压输送的充填料浆坍落度值为24～27 cm。因此，在后续的强度配比试验中，0～8 mm煤矸石作为骨料时，料浆质量浓度固定为82%；0～15，0～20 mm煤矸石作为骨料时，料浆质量浓度固定为80%。

表7 其他矿山坍落度值[14,17-18]Table 7 Slumps value of other mines[14,17-18]

2.2 充填体力学强度分析

2.2.1 粉煤灰掺量对充填体强度的影响

图5( a )为灰矸比为1∶4，0～8 mm煤矸石作为骨料的充填体强度的试验结果；图5( b )为灰矸比为1∶4，煤矸石∶灰渣为4∶1，0～15和0～20 mm煤矸石作为骨料的充填体强度的试验结果。

图5 粉煤灰掺量对充填体强度的影响Fig. 5 Influence of fly ash content on the strength of backfill

从图5可以发现，不同尺寸煤矸石作为粗骨料的充填体强度均随粉煤灰替换水泥掺量的增大而减小，掺量从33.33%增大至80%时，0～8 mm煤矸石充填体各龄期对应的充填体强度下降了74%～82%；掺量从33.33%增大至66.66%时，0～15和0～20 mm煤矸石充填体各龄期对应的充填体强度分别下降了51%～66%和61%～70%。这是因为粉煤灰水化速率慢，活性较低，大掺量情况下( ＞30% )在早期基本只起填充作用，JIANG H[19]在其研究中也发现类似情况，即粉煤灰掺量小于30%时对充填体强度有一定增强，超过此掺量后表现为对强度的弱化。但煤矸石充填体不同于全尾砂充填体，得益于粗骨料的骨架作用，在粉煤灰大掺量情况下依旧具有较高的强度，能够满足安全回采的需要。

2.2.2 煤矸石尺寸及灰渣掺量对充填体强度的影响

图6为固定灰矸比1∶4，水泥∶粉煤灰为1∶1，煤矸石∶灰渣为4∶1时，不同龄期的充填体强度随煤矸石尺寸的变化情况。

图6 煤矸石尺寸对充填体强度的影响Fig. 6 Influence of coal gangue size on the strength of backfill

由图6可知，增大煤矸石尺寸对充填体强度有一定的提升，但早期强度与28 d的强度相比增长不明显，这可能是由于充填体早期强度产生于胶结料的胶结程度，试件内骨料的含量等因素对其影响不大，而充填体后期因为胶凝材料水化程度较高，大颗粒骨料的硬度优势得到体现，从而表现出强度有所升高；同时随着骨料粒径的增加，单位充填体内需要胶结的面积减少，水化产物与骨料之间交互程度更大，胶结性更强[20]。0～15和0～20 mm煤矸石充填体在各龄期强度相差不大，强度增长率为0.98%～3.16%，但0～20 mm煤矸石作为充填骨料能够降低破碎成本，表现出更优的经济性。

图7为灰矸比为1∶4，0～20 mm煤矸石作为充填骨料时灰渣掺量对充填体强度的影响情况。由图7可知，灰渣代替煤矸石掺量从16.67%增加至20%后对任意配比的充填体强度均有一定的增强作用，强度增长比例为3.29%～16.41%；此外，20%灰渣掺量的充填料浆比16.67%的料浆悬浮性更好，更适宜于长距离泵送。

图7 脱硫灰渣掺量对充填体强度的影响Fig. 7 Influence of desulfurization ash content on the strength of backfill

2.3 充填配比推荐

充填体强度通常按照理论计算法、经验法和矿山类比法进行选择，本文利用矿山类比法进行充填体强度确定，进而选取合理的充填配比。前期考察发现，利用条带进路充填开采的矿山多为煤矿，其充填体强度大多为3～5 MPa，金属矿山充填体强度一般小于3 MPa，其中挑水河磷矿的开采条件与杨家沟铝土矿类似，开采条件类比见表8。

表8 类似矿山开采条件类比Table 8 Analogy of mining conditions in similar mines

考虑到矿山差异性，取1.2的安全系数，因此推荐1步骤充填体强度不小于3 MPa，根据试验结果及分析，推荐采用0～20 mm煤矸石作为充填骨料，1步骤采用配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶

1∶6.4∶1.6，料浆质量浓度为80%的配比进行充填，该配比28 d强度为3.28 MPa，坍落度为26.2 cm；2步骤充填体由于受1步骤充填体、围岩和挡墙的约束，无暴露面情况，因此可采用低配比进行充填，28 d强度大于0.5 MPa即可，推荐配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶2∶14.4∶3.6，料浆质量浓度为80%，该配比28 d 强度为0.76 MPa，坍落度为25.7 cm。

3 结 论

( 1 ) 粉煤灰掺量的增加对煤矸石充填料浆的流动性具有一定的改善作用，这主要得益于其球形外表在料浆流动过程中发挥了“滚珠”效应；但是由于粉煤灰活性较低，在大掺量情况下由于填充骨料的空隙作用，表现出充填体强度随其增加而降低，掺量从33.33%增大至66.66%时，0～15，0～20 mm煤矸石充填体各龄期对应的充填体强度分别下降了51%～66%和61%～70%。

( 2 ) 在单一增大煤矸石尺寸的过程中发现，由于缺乏细骨料导致料浆极易离析，不利于长距离输送和强度增长，因此加入脱硫灰渣进行调节。固定灰矸比为1∶6，水泥∶粉煤灰为1∶1，当煤矸石∶灰渣为4∶1时，0～15和0～20 mm煤矸石充填料浆的坍落度值相近；当煤矸石∶灰渣为5∶1时，表现出料浆坍落度随着煤矸石尺寸的增大而减小，这可能是因为灰渣量较小时没能充分包裹煤矸石表面，料浆在流动过程中粗骨料之间接触机率增加，导致摩擦力增加而降低了料浆的流动性。

( 3 ) 当其他充填材料用量保持一致时，煤矸石尺寸和灰渣掺量的增加均能提高充填体的强度，0～15和0～20 mm煤矸石充填体在各龄期强度相差不大，强度增长率为0.98%～3.16%，但0～20 mm煤矸石作为充填骨料能降低破碎成本，表现出更优的经济性。与灰渣掺量为16.67%相比，20%灰渣掺量的充填料浆骨料的悬浮性更好，更适宜于长距离泵送。

( 4 ) 通过与挑水河磷矿开采条件类比，结合室内试验结果，推荐杨家沟铝土矿充填配比为：1步骤为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶1∶6.4∶1.6，料浆质量浓度为80%，该配比28 d强度为3.28 MPa，坍落度为26.2 cm；2步骤配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶2∶14.4∶3.6，料浆质量浓度为80%，该配比28 d强度为0.76 MPa，坍落度为25.7 cm。

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