基于正交试验的充填体强度演化规律及配比优化研究

张 明

（新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司）

矿业开发为国民经济发展做出了巨大贡献，但矿山开采的同时也产生了大量的地下采空区和尾砂等固体废弃物，导致一系列安全和环保问题［1］。据统计，我国矿山开采产生的地下采空区体积超过12.8亿m³，尾砂量超过150亿t［2］。大量的井下采空区容易造成地表塌陷、水土流失和采场顶板冲击灾害等问题，而大量尾砂以低浓度形式储存在尾矿库中则容易造成溃坝等严重事故。充填采矿法可有效消除地下采空区危害和地表尾矿库危害，同时充填采矿法还具有提高资源回收率、降低采矿贫化率等优点［3］，目前已在世界范围内得到广泛应用。随着浅部资源的枯竭，越来越多的矿山进入深部开采阶段，然而深部开采面临高应力、高地温、高渗透压等挑战，需要采用更高的充填体强度［4］。

为了降低充填成本，通过充填体强度试验来优化充填料浆配比是有效的方法之一。尽管充填体强度方面已有大量的研究成果［5-8］，但每个矿山由于材料和强度需求的差异等原因，相关研究结果很难直接推广。新疆某铜矿采用充填采矿法，每年矿石产量达200万t，产生大量地下采空区。同时，矿山采深已达到1 000 m，对充填体强度要求较高。为此，开展充填配比试验，研究充填浓度、砂灰比、粗骨料含量和养护龄期等关键因素对充填体强度的影响规律，以期优化充填配比，在保证充填强度和回采安全的同时尽量降低水泥添加量和充填成本，为矿山充填实践提供指导。

1 试验方案

1.1 试验材料

全尾砂取自矿山选矿厂，粗骨料取自矿山附近产销点，胶凝材料为32.5硅酸盐水泥。采用激光粒度仪测试全尾砂粒径，筛分法测试粗骨料粒径，结果如图1所示。

采用土工测试相关方法，获得全尾砂和粗骨料的基本物理参数，如表1所示。

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1.2 试验设计

选择粗骨料含量（粗骨料占尾砂和粗骨料总干重的质量百分比）、质量浓度（充填料浆中干料的质量占比）、砂灰比（尾砂和粗骨料总干重与水泥质量的比值）和养护龄期4个因素，研究其对充填体单轴抗压强度的影响规律。其中，粗骨料含量、料浆浓度和砂灰比对充填体强度的影响规律采用正交试验方法进行研究，试验设计如表2所示。由于尾砂中硫含量超过28%，因此，设计添加较多的粗骨料来降低充填体中的硫含量，以避免可能出现的充填体强度劣化现象。

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充填体试块采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三联模具浇筑，24 h后拆模，在温度20±1℃、相对湿度90%以上的环境中进行标准养护。每个龄期浇注3个试块，取试验结果的平均值。

1.3 试验结果分析

试块到达3，7，28和60 d龄期后，分别进行强度测试，结果如表3所示。

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1.3.1 充填体强度演化规律

采用DPS软件对表3中的试验结果进行处理。首先计算充填体强度的K值，K值的变化趋势即为充填体强度的变化趋势［5］。充填浓度、砂灰比和粗骨料含量对充填体3，7，28和60 d强度的K值计算结果如图2～图5所示。

1.3.1.1 浓度对充填体强度的影响

由图2～图5可知，随充填浓度的增加，充填体3，7，28和60 d强度均逐渐增加。一方面是因为提高浓度可以提高充填料浆的抗离析能力，料浆浓度越高，其屈服应力和塑性黏度也越高，对粗骨料沉降的阻滞作用也越强，可有效避免粗细颗粒的自然沉降分级，使得粗细骨料的空间分布更加均匀，因而充填体强度提高。另一方面，充填料浆浓度的提高意味着拌合水量的减少，水泥水化作用消耗一部分拌和水后，剩余的拌和水蒸发量减少，充填体中因水分蒸发而产生的微孔隙、裂隙体积也减少，相当于充填体中固相排列更加紧密，宏观上表现为充填体抗压强度提高［6］。此外，提高浓度可以降低充填料浆的泌水率，减少料浆泌水过程中的水泥流失量，进而保证充填体硬化后的强度。

1.3.1.2 砂灰比对充填体强度的影响

由图2～图5可知，随砂灰比的增加（水泥含量的减少），充填体3，7，28和60 d强度均逐渐降低，即随灰砂比的增加（水泥含量的增加），充填强度也逐渐增加。充填体作为水泥基复合材料，水泥水化反应产生的C-S-H凝胶量是充填体固化后具有强度的关键原因，随着水泥掺量的增加，水化反应所产生的C-S-H凝胶量也逐渐增加，因此，水泥含量的增加能够有效地提高充填体的强度［7］。

1.3.1.3 粗骨料含量对充填体强度的影响

由图2～图5可知，随粗骨料含量的增加，充填体3，7，28和60 d强度均逐渐降低。一般认为，粗骨料对充填体强度有促进作用。但本研究发现，随粗骨料含量的加大，充填体强度不断降低。分析其原因，当水泥掺量及质量浓度一定时，合理的粗骨料含量能够增大骨料堆积密实度，形成更稳固的充填骨架，有利于提高充填体抗压强度。然而，粗骨料太多后，尾砂细颗粒无法有效填满粗骨料之间的空隙，导致充填体密实度不高。因此，存在一个最佳粗骨料含量，使得充填体强度最高。在现有试验范围内，粗骨料含量70%为较优值。

1.3.1.4 养护龄期对充填体强度的影响

将表3中的数据进行整理，绘制得到充填体强度随养护龄期的变化规律，如图6所示。

由图6可知，随着养护龄期的增加，充填体强度也逐渐增加，且满足对数函数。由于数据较多，图中仅展示了2组数据的拟合公式，拟合精度R2均在0.99以上。分析其原因，主要是随着养护期龄的增加，水泥水化反应产生的C-S-H和钙矾石也就越多，同时充填体内部孔隙体积逐渐降低，内部产物黏结密实，从而提高了试块强度［7］。

1.3.2 充填体强度影响因素显著性分析

根据图2～图5中K值可计算得到各因素对强度的极差，某因素的极差越大则表明其对充填体强度的影响越大［5］。以3 d强度为例，浓度的K值范围为0.675～1.125 MPa，则极差为K值上下限之差，即0.45；砂灰比的K值范围为0.375～1.75 MPa，则极差为1.375 MPa；粗骨料含量的K值范围为0.8～1.025 MPa，则极差为0.225 MPa。因此，砂灰比对充填体3 d强度的影响最大。按此方法对充填体7，28和60 d强度的极差进行计算，结果如表4所示。

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由表4可知，在充填体3，7，28和60 d强度结果中，砂灰比的极差始终最大，其次是浓度和粗骨料含量，表明砂灰比对充填体强度的影响最显著，其次是浓度和粗骨料。可据此结论指导矿山充填工作。

2 工程应用

粗骨料含量70%～85%时，充填体强度随粗骨料含量的增加而降低。现在试验范围内，粗骨料70%为最优值，同时可有效避免尾砂中含硫量高而可能出现的充填体强度劣化现象。考虑到目前使用的粗骨料购置成本较高，后续可开展相关试验来研究其他粗骨料（如矿山附近的冶炼炉渣）对充填体强度的影响。

提高充填浓度能有效地促进充填体强度增长。当70%的粗骨料掺量时，浓度75%～79%均具有极好的流动性，塌落度在28 cm以上，能够满足矿山自流输送的需求。因此，充填浓度上限可取为79%。

水泥越多对充填体强度的促进作用也越明显，但加大水泥含量，充填成本也会增加。根据矿山阶段空场嗣后充填采矿［9］的现状，一步骤采区空内的充填体要作为二步骤采矿时的人工矿柱，充填体顶部和底部需再次拉开布置采准工程，而中部充填体仅需满足自立要求即可。因此，仅需在采空区底部和顶部采用高灰砂比来实现较高的充填体强度，在采空区中部采用低灰砂比来实现节约水泥成本的目的，如图7所示。目前，二步骤回采时，一步骤充填体稳定性良好。

随着养护龄期的增加，充填体强度呈对数函数增长。因此，通过生产组织优化，合理安排采场回采计划，尽量延长一步骤充填体的养护时间，可进一步提高其强度，降低水泥掺量和充填成本。

3 结论

（1）随充填浓度、养护龄期和灰砂比的增大，充填体强度呈增长趋势，但通过提高浓度、延长养护龄期来提高充填体强度最为经济。

（2）合理的粗骨料含量能够增大骨料堆积密实度，形成更稳固的充填骨架，有利于提高充填体抗压强度。但是，粗骨料太多后，尾砂细颗粒无法完全填充粗骨料之间的空隙，充填体强度反而随粗骨料含量的增加呈下降趋势。

（3）灰砂比对充填体强度的促进效果最显著，其次是充填浓度和养护龄期。实践中应尽量提高充填浓度和养护龄期，对采空区的不同位置采用不同的灰砂比，以此实现提高充填体强度、节约水泥成本的目的。