膨胀性全尾砂充填材料性能试验研究

2022-04-07马志浩

矿业工程 2022年2期

马志浩

(首钢滦南马城矿业有限责任公司, 河北滦南 063501)

0 引言

近年来，我国持续加大环境保护与治理力度，人们生态文明意识不断增强，在矿区环保政策导向下，充填采矿法已成为地下金属矿山的主要采矿方法[1-2]。该方法将矿山废石、尾砂充填至采空区，减少矿区污染，改变围岩应力状态，降低地表沉降[3-4]。充填体接顶率是控制采空区顶板围岩沉降的关键因素[5-6]。目前，矿山主要采用管道自流输送的方式输送充填料浆，全尾砂充填料浆自流输送浓度较低，在采场中泌水沉缩使得充填体难以接顶；充填料浆在采场中形成自流斜坡，导致采场边缘或端部不能接顶；采场爆破回采时会出现超挖或欠挖现象，使得顶板平整度差，降低充填体接顶率[7-9]。

首钢集团矿业公司马城铁矿是新建特大型充填法地下开采矿山，生产能力为2.2×107t/a，主要采用大直径深孔阶段凿岩阶段空场嗣后充填采矿方法，采场高度60 m，长度43 m，宽度18 m，暴露面积774 m2；充填料浆采用自流输送，采场充填体接顶率受泌水沉缩、自流斜坡和顶板平整度的影响较大，充填接顶是影响该矿山充填开采效率的关键技术之一。该矿采场规模大，多点下料充填钻孔成本高，准备时间长，加压泵送充填料接顶难度大。为满足高强度开采与充填平衡的需要，该矿山采用自膨胀全尾砂充填材料提高充填体的接顶率。膨胀性充填料浆发泡膨胀会改变充填体强度和流动性能，影响管道输送的稳定性和充填体支护强度。因此，为保障充填效率，需要首先研究自膨胀材料的合理配比，分析自膨胀充填料浆的流动性能和充填体强度的变化特征，为大规模采空区充填提供技术依据。

1 全尾砂充填料浆膨胀材料研究

1.1 充填料浆自膨胀原理

浆体自膨胀是通过在充填料浆中添加一定量的化学发泡材料，并且在一定的碱性条件下使其发生化学反应，从而生成一定量的气泡，并且这些气泡能够均匀的悬浮在尾砂之中，从而引起充填体体积发泡[10]。虽然发泡是经过一定的化学反应产生气体，但引起充填体体积膨胀只是一个物理过程，并不会参与和改变水泥的水化反应，因此，自膨胀的方式不会影响到充填体其他指标的改变。

料浆膨胀的动力是气泡内的内压力，其阻力是上层料浆的重力和料浆极限剪应力。发气初期，不断产生气体，内压力不断得到补充，此时料浆可能还处于牛顿液体状态，没有极限剪应力，因此料浆迅速膨胀。随着水泥不断水化，料浆的骨架结构逐渐形成，极限剪应力不断增大，这时，反应仍在继续进行，只要气泡内压力继续大于上层料浆的重力和极限剪应力，发泡就会继续下去。反应接近尾声，料浆迅速稠化，极限剪应力急剧增大，发泡速率降低。当反应结束，气泡内不再继续增加内压力，或者这种内压力不足以克服上层料浆的重力和料浆的极限剪应力时，膨胀过程停止[11-12]。

1.2 膨胀材料配比优化研究

根据马城铁矿全尾砂特性，选择充填料浆膨胀材料主要有两种原材料组成，即为料浆提供碱性环境的生石灰和铝粉。为了获得更好的充填体质量，应将充填体膨胀率(发泡后体积与未发泡体积之差除以未发泡体积)控制在 20%～25%之间。

自膨胀材料包含生石灰和铝粉，两者之间的物料重量比例参数十分重要，若铝粉添加量相对较多，可能产生较多的气体，但化学反应不完全，易造成材料浪费和充填成本的增加；若生石灰添加量相对较多，则起不到发泡效果。

选择的铝粉与生石灰的比例为 1:40、1:60、1:80、1:100、1:120、1:140，在烧杯中开展膨胀试验，用秒表记录膨胀发泡开始时间、发泡量和烧杯底部残留物，试验结果如表1所示。

表1 不同配比膨胀剂发泡记录

由表1可知，不同配方的发泡效果差异明显，随着铝粉与生石灰比例的增大，发泡速率增大，发泡效果逐渐提升。但是，铝粉增加到一定程度会有残留现象，说明存在保证膨胀效果的合理配比。

铝粉与生石灰配比1:40～1:80的范围内，铝粉添加量超过需求量导致残留，发泡速度过快，容易在管道输送过程中发生发泡，导致充填管道堵塞。1:100～1:120的配比下，膨胀剂发泡均比较稳定；而1:140的配比下发泡过程稍慢，影响充填接顶的时间；因此，基于膨胀效果、膨胀速率和铝粉利用率的多因素优选，认为自膨胀材料铝粉与生石灰的合理配比为1:120。

1.3 膨胀材料添加量优化

自膨胀充填体的最重要的一项特性就是其具有体积发泡，但是如果充填体体积发泡过大，会降低充填体的强度。因此，为了获得较好的充填效果应该控制其膨胀率，使其满足充填体接顶要求的同时不影响充填体强度。

马城铁矿全尾砂接顶充填拟充填浓度为 65%，灰砂比 1:4，考虑到充填料浆中需要增加一定量的自膨胀材料，与增加前相比，充填料浆浓度会有所增加，不利于充填料浆的流动，因此充填料浆初始浓度选择为63%。具体试验过程如下：1)在 2 000 mL的量筒内配置料浆浓度为 63%、灰砂比为 1:4 的充填料浆，按1%、3%、5%的比例添加自膨胀材料；2)用橡胶网孔搅拌棒搅拌均匀，静置在实验台上，并开始计时，记录不同时间下的料浆液面位置及固相沉缩面位置，直至水化反应完全；3)充填料浆膨胀停止时，认为充填体体积达到最大膨胀率，计算不同添加量下的充填体膨胀率。

根据试验结果绘制充填体膨胀率与自膨胀材料添加量的关系曲线，如图1所示。

图1 充填体膨胀率与自膨胀材料添加量的关系曲线

由图1可知，充填体膨胀率随着子膨胀材料添加量的增大而增大。当添加量只有1%时，膨胀率仅2%，原因在于浓度为 63%、灰砂比1:4的充填料浆经过24 h水化固结，具有一定的强度，而当添加量仅为 1%时，产生的气泡较少，气泡无法使充填体发泡。

图2为3%和5%添加量条件下表层揭露后充填体膨胀状态，当添加量为5%时，膨胀率达到29.9%，充填体孔隙率过高，降低充填体的完整性，进而影响充填体强度；当添加量为 3%时，膨胀率达到 18.9%，充填体完整性好，膨胀效果对充填体强度影响较小。

(a)3%添加量 (b)5%添加量图2 充填体内部气孔对比

上述研究表明，合理的自膨胀材料添加量可以使充填体膨胀的同时保持较好的完整性；膨胀材料添加量过小会起步奥膨胀效果，膨胀材料添加量过大时会出现充填体内气泡体积过大，导致充填体膨胀率较大，在充填体已经达到可塑状态下继续膨胀就会导致气泡冲破充填体，导致充填体塌陷。

2 全尾砂充填料浆膨胀率变化特征研究

为研究充填料浆浓度及灰砂比对体积膨胀率的影响，在1 000 ml量筒内开展了不同浓度、不同灰砂比条件下充填料浆的膨胀试验研究。考虑到接顶充填对充填体的强度要求，使用马城铁矿全尾砂和P.O 42.5R 水泥，按灰砂比为1:2、1:4和1:6制作浓度为61%、63%和65%全尾砂充填料浆。根据上述研究结果，膨胀材料铝粉和生石灰的配选择1:120，添加量为3%。

2.1 充填料浆浓度对膨胀率的影响

根据充填料浆的膨胀试验结果，绘制充填体体积膨胀率随浓度的变化曲线，如图3所示。由图 3可知，在相同灰砂比条件下，充填体膨胀率随充填浓度的增加略有降低，主要原因是在灰砂比一定的条件下，充填体强度随充填料浆浓度的增加而增大，在自膨胀材料添加量一定的条件下，产生的气体量一定，但由于充填体强度增加，产生的发泡效果减弱。

图3 充填体体积膨胀率随料浆浓度的变化曲线

2.2 充填料浆灰砂比对膨胀率的影响

图4为充填体体积膨胀率随料浆灰砂比的变化曲线，由图4可知，灰砂比 1:2 时，充填体膨胀率较小，在相同浓度下，随着灰砂比的增大，膨胀率先增大后减小，但浓度为63%与 65%时，灰砂比为1:4和1:6的料浆的膨胀率相差不大。

图4 充填体体积膨胀率随料浆灰砂比的变化曲线

3 膨胀性全尾砂充填料浆流动性能研究

为研究自膨胀材料对充填料浆流动性能的影响，开展了扩散度试验，评价膨胀性充填料浆流动性，评定粘聚性和保水性。膨胀性全尾砂充填料浆的制备参数与前节相同，为便于对比分析膨胀性全尾砂充填料浆的流动性能，平行制备不添加膨胀材料的全尾砂充填料浆。扩散度试验采用小型扩散筒在一块标有刻度的玻璃上进行，其扩散筒上下口径分别为3.5、6.0 cm，筒高 6.0 cm。

根据试验结果，分别绘制相同浓度时充填料浆扩散度值随砂灰比变化曲线和相同砂灰比时充填料浆扩散度值随浓度变化曲线，如图5～6所示。

图5 充填料浆扩散度值随砂灰比变化曲线

图6 充填料浆扩散度值随浓度变化曲线

由图5可知，浓度相同时，充填料浆扩散度值会随着砂灰比的增大而增大，但增大幅度较小。主要是由于砂灰比较小时，充填料浆中所含的水泥较多，即细物料较多，不利于充填料浆的流动。由图6可知，当砂灰比相同时，料浆扩散度值随浓度的增大而减小，即浓度越高，充填料浆的流动性能越差。

图5与图6显示，当充填料浆的浓度与砂灰比相同时，添加自膨胀材料的充填料浆的扩散度值比未添加的略小，主要是由于添加了 3%的自膨胀材料后使充填料浆的浓度略微增大，导致扩散度值减小，但减小量很小，说明添加 3%的自膨胀材料对充填料浆的流动性能影响不大。

4 膨胀性全尾砂充填材料强度特征研究

为了掌握自膨胀材料使充填体膨胀后对充填体强度的影响，采用岩石力学试验机开展不同配比参数的充填材料强度试验，。为对比分析膨胀性全尾砂充填材料强度特征，平行制备不添加膨胀材料的全尾砂充填材料。参照砼抗压强度试验方法，采用浇注试块的方法进行，使用三联充填试模制作边长为7.07 cm的立方体试块，置于恒温恒湿养护箱7 d和28 d。抗压试验结束后，首先剔除偏差较大的试验值，然后计算每组试块抗压强度的平均值。

根据充填材料试块抗压强度的测试结果，绘制添加膨胀剂和不添加膨胀剂的试块抗压强度对比柱状图，如图7所示。充填料浆中添加3%的自膨胀材料后，充填体强度均降低，不同灰砂比、不同浓度、不同龄期的强度降低率不同，降低率在20%～60%范围内。采用在充填料浆中添加自膨胀材料的接顶工艺，在提高接顶率的同时，还需要保证一定的强度，根据以上试验结果分析，63%～65%浓度、灰砂比1:4的充填料浆添加3%的自膨胀材料，强度可到 1.3～3 MPa，膨胀率接近20%，满足可满足充填接顶率和充填体强度的要求。