某礦山膠結充填體質量影響因素研究?

譚 偉，黃明清，，吳愛祥

(1.北京金誠信礦山技術研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大學土木與環境工程學院, 北京 100083)

某礦山膠結充填體質量影響因素研究?

譚 偉1，黃明清1，2，吳愛祥2

(1.北京金誠信礦山技術研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大學土木與環境工程學院, 北京 100083)

針對某礦山全尾砂膠結充填過程中充填體開裂、崩解的問題，采用化學分析法對尾砂進行測定，并開展不同灰砂比和濃度條件下的充填體單軸抗壓強度試驗。結果表明，尾砂中S含量高達8.82%，CaSO4的含量達到4.07%，同一濃度同一灰砂比充填體60 d強度與28 d最高強度相比均下降約50%。礦山全尾砂膠結充填體質量主要受尾砂中S及其氧化物的影響較大，需降低尾砂中的S及其氧化物，以保證充填體后期強度滿足生產要求。

全尾砂膠結充填；單軸抗壓強度；化學成分；充填體強度

0 引 言

隨著開采年限及開采深度的增加,國內外金屬礦山地壓問題越來越嚴重,充填是處理采空區、控制地壓的最有效手段之一,其中全尾砂膠結充填目前在國內外礦山已得到廣泛應用,它既可以有效控制地壓,又減少了尾砂排放對環境帶來的污染[1-3]。然而,在實際應用中,全尾砂膠結充填仍存在著一定的問題,尤其對于充填采礦法,充填體的強度要求較高,其中尾砂中某些化學成分的含量過高對充填體膠結效果有著重要影響,由此對很多礦山的充填產生了一定制約。

安徽某硫鐵礦山2014年新建立了全尾砂膠結充填系統,在經過一定時期的充填后,發現充填體的質量無法達到設計要求,為此,本文針對此礦山充填中出現的問題進行研究,首先對尾砂中的化學成分進行分析,其次開展不同灰砂比條件下的充填體強度試驗,最后討論尾砂中的化學成分對充填體強度的影響行為,從而為礦山選擇合理的充填材料配比提供技術指導。

1 基本概況

安徽某硫鐵礦山是一個硫鐵礦、鐵礦共生的礦床。礦山目前采用分段空場嗣后膠結充填法進行開采,充填工藝采用全尾砂膠結充填工藝。自2014年1月充填系統完全建立以來,進行了為期近3個月的充填試車。試車初期,砂漿濃度波動較大,主要受立式砂倉中砂漿沉降時間以及進砂次數影響較大,隨著充填試車次數的增加,砂漿濃度波動越來越小,已可較好的控制在設計要求濃度,逐漸穩定在62%左右,見圖1。

圖1 砂漿平均濃度

然而,在實際充填過程中,雖然砂漿濃度可達到設計要求,在灰砂比按照設計要求的1∶4,1∶6和1∶8進行操作的前提下,每次充填所取的試樣,在空氣中養護一段時間后,大部分試樣均出現自行崩解的現象。從現場采場的充填效果來看,采場充填完一個月后,充填體表面均出現了較多的開裂現象,并且裂縫大部分均超過了20 mm,隨著時間的增加,裂縫數量仍在增加。充填體質量達不到設計要求,勢必對礦體的二步驟開采產生影響,影響礦山的安全、生產以及礦產資源的回收。

2 尾砂中化學成分含量測試

由于膠凝材料采用的是P.O 42.5型水泥,并無變質或硬化現象,為了了解導致充填體質量變壞的原因,需要對全尾砂的化學成分進行測定,以便了解其中是否含有對充填體膠結效果產生影響的化學成分。尾砂化學成分測試結果見表1。

表1 尾砂化學成分測定結果

從表1中測定結果可知,尾砂中S的含量高達8.82%,已遠超過1%～3%,并且CaSO4的含量也達到4.07%。根據國內外部分采用膠結充填法的礦山的經驗以及科研院所的研究成果得知,充填材料中某些化學成分及其含量過高的話,將會對充填體物理性能產生一定的影響和作用[4-5]。

尾砂中對充填體強度影響作用較大的主要化學成分有Fe、FeS2、MgO、S、SiO2、Al2O3、CaO、CaSO4。相比較而言,其中S含量對充填體的后期強度影響尤其明顯,主要是因為含S礦物(主要是黃鐵礦類硫化礦物)在空氣中和水發生作用,硫化礦物就會被氧化并生成SO42-,當其濃度達到1500～10000 g/L時,便可生成難溶的二水石膏和硫鋁酸鹽晶體,對水泥或其它膠凝材料有破壞作用。其破壞機理主要是由于生成硫鋁酸鹽晶體和二水石膏后,其體積膨脹在2倍以上使充填體內產生內應力,從而破壞充填體。

國內的試驗和生產實踐證明,已氧化的高S尾砂試塊,不論在空氣中養護或水中養護,大多都自行崩解。一般認為,尾砂含S超過1%～3%,可能對后期強度產生有害影響,而尾砂中含有已發生氧化的S化物時,其有害影響更加顯著[6-7]。因此,本礦山中尾砂中存在的S及其氧化物對膠結充填體的膠凝效果具有重要影響,從而影響充填體的質量。

3 充填體強度試驗

為了進一步確定S等化學成分對充填體質量的影響效果,對不同灰砂比條件下的充填體試塊進行了單軸抗壓強度試驗。

礦山實際充填采用的充填體灰砂比為1∶4, 1∶6和1∶8三種配比,最底下分層采用1∶4灰砂比進行充填,往上依次采用1∶6和1∶8灰砂比。為了模擬現場充填情況,本次試驗充填體所采用的灰砂比與實際灰砂比一致。

根據現場實際充填料漿濃度和設計要求,分別采用料漿濃度為64%和66%制作灰砂比1∶4,1∶6 和1∶8的試塊,每組制作6個試塊,分別養護3,7, 28 d和60 d后進行單軸抗壓強度試驗。

充填體強度試驗儀器采用WYA-2000型電液式壓力試驗機,試塊規格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,試塊受壓過程如圖2所示。

圖2 試件受壓破壞

4 試驗結果分析

試塊不同齡期的平均單軸抗壓強度見表2。

表2 充填體試塊單軸抗壓強度

充填體試塊單軸抗壓強度變化曲線如圖3和4所示。從圖3和圖4可知,料漿濃度64%、灰砂比1 ∶4的試塊和料漿濃度66%、灰砂比1∶6的試塊均在28 d達到最高強度,其余則是7 d達到最高強度。其中濃度66%的試塊,灰砂比1∶4的60 d強度比最高強度低0.785 MPa,下降了49%；1∶6的60 d強度比最高強度低0.592 MPa,下降了39.3%；1∶8 的60 d強度比最高強度低0.514 MPa,下降了52%。濃度64%的試塊,灰砂比1∶4的60d強度比最高強度低0.583 MPa,下降了37%；1∶6的60 d強度比最高強度低0.383 MPa,下降了43.4%；1∶8的60 d強度比最高強度低0.326 MPa,下降了41.6%。由此可知,同一料漿濃度,不同灰砂比,充填體試塊的強度在28 d養護齡期達到最高值后,均產生大幅的下降,60 d養護齡期的強度降幅約為50%。

圖3 64%濃度試塊強度變化曲線

圖4 66%濃度試塊強度變化曲線

從圖中試塊強度變化曲線可知,料漿濃度越高,充填體的強度越大,灰砂比越大,充填體的強度也越大,并且充填體的60 d強度均高于0.45 MPa。多數充填體試塊在養護28 d后強度就已大幅下降,然而當強度降至接近0.45 MPa左右的時候,降低的趨勢變的極緩,有趨于平穩的現象。說明尾砂中S及其氧化物在含量一定的情況下,對充填體強度的影響是有限的,只要降低其含量,則可有效提高充填體強度。

5 結 論

通過對尾砂中化學成分的測試以及充填體單軸抗壓強度試驗得知,尾砂中因S含量高達8.82%以及含有4.07%的CaSO4,嚴重影響了充填體的膠凝效果,從而導致充填體在達到最高強度后,產生急劇下降,60 d強度與最高強度相比,大約下降了50%。由此可知,安微某硫鐵礦山全尾砂膠結充填體質量受尾砂中S及其氧化物的影響較大,需對尾砂中的S及其氧化物進行提取,以降低其含量,從而保證充填體后期強度滿足生產要求。

[1]宋衛東,李豪風,雷遠坤,等.程潮鐵礦全尾砂膠結性能實驗研究[J].礦業研究與開發,2012,32(1):8-11.

[2]Yilmaz E,Belem T,Bussière B,etal.Curing time effecton consolidation behaviour of cemented paste backfill containing different cement types and contents[J].Construction and Building Materials,2015,75:99-111.

[3]陳 偶,喬登攀,張國龍,等.現代礦山充填采礦法淺析[J].礦冶,2013,22(3):30-35.

[4]王 寶,張虎元,董興玲,等.硫化物氧化對充填體長期強度的影響[J].化工礦物與加工,2007(10):29-31.

[5]許毓海.尾砂中硫化物對充填體質量影響研究[J].礦業研究與開發,2009,29(5):4-6.

[6]孫恒虎,黃玉誠,楊寶貴.當代膠結充填技術[M].北京:冶金工業出版社,2002.

[7]劉同有.充填采礦技術與應用[M].北京:冶金工業出版社, 2001.

2015-04-20)

譚 偉(1986-)，男，江西贛州人，碩士，主要從事巖石力學測試與工程穩定性分析方面的研究，Email:tanweitw86＠sina.com。

"十二五"國家科技支撐計劃項目(2012BAB08B02).