粗磷尾礦膠結充填級配及抗壓強度分析

陳博文，梅甫定，楊 柳，包 科，閆先航（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北　武漢430074）

粗磷尾礦膠結充填級配及抗壓強度分析

陳博文，梅甫定，楊 柳，包 科，閆先航
（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢430074）

利用粗骨料進行高濃度膠結充填是礦業工程中的研究難點。為高效利用粗磷尾礦以消除其環境污染、土地占用以及采空區誘發的地質災害等問題，以粗磷尾礦和粉煤灰為主要充填材料，首先通過SEM、ICP-MS&ICPOES、XRD、激光粒度分析以及其他標準測試手段對主要充填材料的物理特性、化學成分和礦物成分進行分析；然后利用最大密實度級配曲線理論對粗磷尾礦自然級配和不同破碎粒度磷尾礦級配進行研究；最后采用正交試驗設計法和多元非線性回歸法對充填體無側限抗壓強度的變化規律進行研究，并對膠結充填材料經濟、環境和社會效益進行分析。結果表明:粗磷尾礦和粉煤灰物理性能較差，但粗磷尾礦化學特性穩定，粉煤灰具有較強火山灰特性；-5 mm粒度破碎磷尾礦具有較優密實度；充填體無側限抗壓強度后期強度增長較快，同時隨膠砂比、質量濃度和水泥/粉煤灰的增大而增大，其中膠砂比的影響程度最大，且無側限抗壓強度與因子之間存在顯著非線性關系；利用粗磷尾礦和粉煤灰進行膠結充填具有顯著的經濟、環境和社會效益。

粗磷尾礦；膠結充填級配；抗壓強度；正交試驗；多元非線性回歸

磷元素是動植物生長不可或缺的重要元素之一，而磷肥是世界上最重要的含磷產品之一，其主要依賴于磷礦石開采和加工。由于現代農業對磷肥需求的快速增長，加大了磷礦資源的開采和加工力度，不僅產生大量的磷尾礦及其他工業廢棄物，還形成了大面積的采空區，導致地表山體塌陷和滑坡等地質災害的發生，同時隨著磷礦資源這種不可再生資源的大規模開發，磷礦開采正逐步轉向深部開采以應對淺部礦產資源枯竭的挑戰，由此而帶來的開采技術難題亟待解決。

膠結充填采礦法是將膠結充填體置于礦山采空區以控制采場地壓或區域地壓并進行回采作業的一種采礦方法，該法逐漸成為世界采礦工業發展的趨勢。采用膠結充填采礦法具有以下四方面優勢:①能有效地控制采場礦壓，防止礦區地表變形破壞，從而保護地表河流、建（構）筑物和公路等；②能改善采空區圍巖的二次應力分布，保證圍巖穩定性，防止采空區圍巖變形和冒落，提高了礦山安全開采保障程度；③可以回收礦柱，提高礦石回收率，從而實現資源有序、高效的開發利用；④可充分利用尾礦等工業固體廢棄物，減少環境污染并實現無廢開采，具有較大的環境及社會效益。

膠結充填材料在膠結充填采礦技術中起到關鍵作用，目前磷礦膠結充填中廣泛應用的材料主要為水泥、粉煤灰、磷渣、磷石膏、高爐渣等，但以重介質選礦產生的尾礦作為充填材料尚不多見。近年來，隨著膠結充填技術的快速發展，粗骨料高濃度膠結充填技術取得了重大進展。如楊寶貴等［1］以破碎煤矸石和粉煤灰為骨料，并添加適量水泥、外加劑和水制備成質量濃度為74%～82%的高濃度充填料漿；郭利杰等［2］以廢石和尾砂為骨料，并添加少量水泥和水制備成質量濃度為72%的高濃度充填料漿；賀桂成等［3］利用廢石、水泥、黃土、水泥和水制備膠結充填料漿，實現了泵壓管道輸送膠結充填；鄧代強等［4］采用分級尾砂、戈壁集料、水泥和水制備了質量濃度為78%和80%的高濃度充填料漿，滿足了管道輸送充填的需要。雖然粗骨料高濃度膠結充填所用材料種類多樣，但針對粗骨料級配對充填料漿和充填體性能的影響研究卻較少［5］。為了高效利用粗骨料進行泵送充填，Verkerk等［6］和Lerche等［7］利用混凝土級配理論對充填骨料可泵送粒度進行了研究，并得出了充填骨料可泵送的粒度分布曲線，但其實際應用效果不理想，導致泵送充填過程中頻繁發生堵管事故；姚維信［8］、程緯華［9］和張磊等［10］在總結前人研究的基礎上，以金川礦山為例，通過最大密實度級配理論對礦區廢石集料和戈壁砂級配進行了系統研究，并成功實現了粗骨料高濃度管輸膠結充填技術在金川礦山中的應用。

本文以湖北三寧礦業挑水河磷礦為例，對粗磷尾礦級配及膠結充填體抗壓強度規律進行了研究，擬達到以下目的:①高效利用粗磷尾礦進行膠結充填，消除環境污染、土地占用以及采空區導致的地質災害等問題，并提高磷礦資源開發利用效率；②確定粗磷尾礦及其他充填材料的物理特性、化學成分和礦物成分；③對粗磷尾礦級配進行研究并確定合理粒度；④通過正交試驗和多元非線性回歸研究膠結充填體無側限抗壓強度的變化規律。為了達到上述研究目的，首先通過SEM、ICP-MS&ICP-OES、XRD、激光粒度分析以及其他標準試驗法進行粗磷尾礦和粉煤灰物理特性、化學成分和礦物成分分析；然后采用最大密實度曲線理論對粗磷尾礦自然級配及不同粒度破碎磷尾礦級配進行研究，并根據級配指數確定合理的粒度；最后利用正交試驗設計法對粗磷尾礦高濃度膠結充填體進行無側限抗壓強度試驗，并通過極差法和多元非線性回歸法對試驗結果進行分析，以得出充填體無側限抗壓強度的變化規律。

1　材料與方法

1.1充填材料的種類與測試方法

充填材料:粗磷尾礦取自湖北三寧礦業挑水河磷礦，為重介質選礦產生的尾礦；粉煤灰取自湖北三寧化工股份有限公司；水泥為市售袋裝華新P.O.42.5。

粗磷尾礦、粉煤灰和水泥（經HNO3、Br2、HE、HCl酸解后）的化學成分通過電感耦合等離子原子發射光譜儀（ICP-OES，Perkin-Elmer Optima 5300 DV）和電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Perkin-Elmer Elan DRC-e）測定；粗磷尾礦和粉煤灰的礦物成分通過X射線衍射（XRD，Bruker AXS D8-Eocus）測定，測定結果由TOPAS軟件進行半定量分析；粗磷尾礦物理特性參照ASTM C33、ASTM C88、ASTM C127、ASTM C128、ASTM C136以及GB/T 14685—2011標準進行測定，其微觀形貌通過掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi SU8010）測定；粉煤灰物理特性參照ASTM C311、GB/T 1596—2005標準進行測定，其微觀形貌通過掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi SU8010）測定；粒徑分布通過激光粒度分析儀（Malvern Mastersizer 2000）測定。

1.2粗磷尾礦級配優化

為優化粗磷尾礦級配，采用鄂式破碎機（PE-I 100×125）對粗磷尾礦進行破碎，破碎粒度分別取為-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm，并通過ASTM標準篩進行篩分。

1.3試塊制備及無側限抗壓強度測定

膠結充填體試塊制備時，根據正交試驗設計的方案稱取原材料并混合均勻，常溫下加自來水攪拌至均勻料漿；將攪拌均勻的充填料漿澆筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準試模并振搗密實，然后置于養護箱中養護（濕度為95%，溫度為23± 2℃），72 h脫模后繼續置于養護箱中養護，養護齡期分別為3 d、7 d和28 d；試塊養護至預設齡期以后，采用Instron 1342型電液伺服材料試驗機按照1 mm/min的加載速率對試塊的無側限抗壓強度進行測定。

2　結果與討論

2.1粗磷尾礦和粉煤灰的物理特性

2.1.1粗磷尾礦

粗磷尾礦的主要物理特性見表1、圖1和圖2。

表1　粗磷尾礦和粉煤灰的主要物理特性Table 1 Main physical properties of phosphate tailings and fly ash

圖1　粗磷尾礦的微觀形貌Eig.1 SEM images of coarse phosphate tailings

由表1可見:粗磷尾礦的比重和堆積密度（松散堆積密度和緊密堆積密度）均在標準范圍內；磷尾礦堅固性值（14.9%）大于ASTM C88標準規定的12%，表明該粗磷尾礦抗風化能力較差，對膠結充填體的穩定性可能會產生不利影響；粗磷尾礦吸水率（2.5%）大于GB/T 14685—2011標準規定的2%，表明該粗磷尾礦顆粒內部孔隙較大，對膠結充填料漿的工作性，特別是泵送性能具有一定影響；磷尾礦粒徑D10、D50、D90分別為4.322 mm、10.586 mm、17.375 mm，表明該粗磷尾礦粒徑偏大，若直接作為充填骨料，則充填料漿輸送距離將會受到限制，難以實現遠距離輸送。

由圖1可見，粗磷尾礦表面凹凸不平，空隙處由大量膠凝狀集合體以及圓狀和棱狀粒屑填充，其中膠凝狀集合體主要成分為泥晶磷灰石，而圓狀和棱狀粒屑為白云石、石英或玉髓等與泥晶磷灰石膠結形成的砂屑或礫屑。

由圖2可見，該粗磷尾礦0.315 mm粒級以下含量不足1%（小于15%），而4.75～19.0 mm粒級范圍的含量超過85%，粒徑分布呈現粗粒級含量偏多、細粒級含量偏少的特點，因此該粗磷尾礦不宜直接作為泵送充填骨料。

圖2　粗磷尾礦的粒徑分布圖Eig.2 Particle size distribution of coarse phosphate tailings

2.1.2粉煤灰

粉煤灰的主要物理特性見表1、圖3和圖4。

圖3　粉煤灰的微觀形貌Eig.3 SEM images of fly ash

由表1可見，粉煤灰的比重和堆積密度偏小，這主要是因為煤粉中大顆粒物的不完全燃燒，導致粉煤灰中碳顆粒及其他大顆粒物含量增多，使得粉煤灰孔隙率增加，進而降低了粉煤灰的比重［11］。

圖4　粉煤灰的粒徑分布圖Eig.4 Particle size distribution of fly ash

由圖3可見，粉煤灰表面光滑度與磷尾礦相比有了較大改善，這有利于改善破碎尾礦的級配，提高膠結充填料漿的和易性；但由于該粉煤灰少見球形顆粒，而含有較多的表面粗糙且不規則黏聚顆粒、鈍角顆粒以及碎屑，故其需水量大，導致充填體孔隙率增大，影響充填體質量［12］。

由圖4可見，粉煤灰粒徑分布范圍為0.4～160 μm，其中2～100μm粒級范圍的含量超過80%，大于45μm粒級的含量約為28.15%，D50為24.79 μm；粉煤灰比表面積為0.909 m2/g，表面積平均粒徑和體積平均粒徑分別為6.601μm和32.706μm。由此可見，該粉煤灰粒徑較大，其活性弱于細粒級粉煤灰，且該粉煤灰摻量膠結充填體相對細粒級粉煤灰 質 量要 差［13］。

2.2粗磷尾礦和粉煤灰的化學成分

充填材料粗磷尾礦、粉煤灰和水泥的化學成分及其在CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相圖中的位置見表2和圖5。

表2　充填材料的化學成分（mg/g）Table 2 Chemical composition of raw backfill materials

2.2.1粗磷尾礦

由表2和圖5可見，粗磷尾礦中Si（3.23%）和Al（0.096 4%）的含量偏低，Ca（19.4%）、Mg （9.18%）和Ee（8.918%）的含量較高，可為膠凝體系提供鈣源和鐵源，但粗磷尾礦顆粒較粗，對膠凝體系的影響較小；粗磷尾礦中P（1.88%）和S （0.037 2%）的含量均較低，對充填體質量無顯著影響；此外，粗磷尾礦中所含有毒重金屬As（0.002 79 mg/g）、Cd（2.16×10-5mg/g）、Pb（0.003 8 mg/g）和Hg（0）的含量均偏低，對環境無顯著影響。

圖5　充填材料CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相圖Eig.5 Ternary diagram of raw backfill materials CaO+MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3

2.2.2粉煤灰

由表2和圖5可見，粉煤灰中Si（28.7%）和Al （7.79%）的含量較高，Ca（0.489%）、Mg（0.217%）和Ee（0.779%）的含量較低，由于粉煤灰中含SiO2、Al2O3和Ee2O3的總量超過70%，故根據ASTM C618標準，該粉煤灰屬于E級粉煤灰。已有研究表明，E級粉煤灰含大量無定型SiO2、Al2O3，通常需在堿性環境中將其溶解以發揮膠凝特性［14］，而水泥水化產生的Ca（OH）2為反應提供了堿性環境，并與粉煤灰中的無定型SiO2、Al2O3發生火山灰反應［15］，形成了穩定的結構。此外，由圖5可見，粉煤灰在CaO+ MgO-SiO2-Al2O3+Ee2O3三元相圖中更趨近于SiO2，故該粉煤灰摻量膠結充填體穩定性更高［16］。另外，該粉煤灰中S（0.071%）和P（0.004 22%）含量較低，不會誘導充填體性能的劣化；粉煤灰中有毒重金屬As（0.018 mg/g）、Cd（0.000 218 mg/g）、Pb（0.068 8 mg/g）和Hg（0）含量均偏低，對環境無顯著影響。

2.3粗磷尾礦和粉煤灰的礦物成分

粗磷尾礦和粉煤灰的礦物成分定量分析結果見表3和圖6。

表3　粗磷尾礦和粉煤灰的礦物成分定量分析結果（%）Table 3 Quantitative analysis of mineral composition of coarse phosphate tailings and fly ash

圖6　粗磷尾礦和粉煤灰的礦物成分Eig.6 XRD diffractogram of phosphate tailings and fly ash

2.3.1粗磷尾礦

由圖6（a）可知，粗磷尾礦主要晶相為白云石、羥基磷灰石、氧化鐵和石英，還有少量方解石和石膏，其中白云石含量最高（69.65%），其次為羥基磷灰石（10.15%）、氧化鐵（12.75%）和石英（6.91%）（見表3）。由于粗磷尾礦中Ca和Mg主要以碳酸鹽的形式存在于白云石，故對膠凝體系的影響不大。

2.3.2粉煤灰

由圖6（b）可知，粉煤灰主要晶相為石英、鈉長石和云母，還有少量氧化鐵，其中石英相含量最高（61.55%），其次為云母（20.99%）和鈉長石（15.99%）（見表3）。此外，由圖6（b）可清晰見到“饅頭狀”衍射峰，表明煤粉灰燃燒溫度低，形成了玻璃體、炭粒及其他無定形相物質［17］。

2.4骨料級配分析

2.4.1骨料級配理論

骨料級配對充填體密實度和強度起著重要作用。為了獲得最優骨料級配水平，需要有規律地將粗骨料和細骨料按一定比例混合起來，從而達到骨料的密度最大和孔隙最小的目的。為此，Eüller等［18］基于大量試驗提出理想級配曲線（也稱Eüller曲線）表達式:

式中:Pi為骨料粒徑為di的通過百分率（%）；di為骨料粒徑（mm）；D為骨料最大粒徑（mm）。

由于骨料在實際應用中允許一定程度的波動，因此Talbol等［19］認為理想級配曲線表達式（1）中的冪指數應是一個變量而非常數。于是，Talbol等對該表達式進行了改進，得出最大密度級配曲線表達式:

式中:Pi為骨料粒徑為di的通過百分率（%）；di為骨料粒徑（mm）；D為骨料最大粒徑（mm）；n為級配遞減系數。

一般而言，當n∈［0.3，0.6］時，骨料具有較優密實度，而當n=0.5時，即為Eüller曲線［19］。

2.4.2粗磷尾礦級配

為了定量分析粗磷尾礦級配，本文采用ASTM C136標準對粗磷尾礦進行篩分，篩分后通過式（2）進行分析，其結果見圖7。

圖7　粗磷尾礦粒度特征曲線和Eüller曲線Eig.7 Granularity curve of coarse phosphate tailings and Eüller curve

由圖7可見，粗磷尾礦粒度特征曲線偏離Eüller曲線的程度較大，與Eüller曲線相比，粗磷尾礦粒度分布不連續，呈現細粒度和中粒度含量偏少，而粗粒度含量偏多的特征。通過公式（2）擬合得出粗磷尾礦級配指數為0.86，與Eüller曲線理想級配指數0.5和較優密實度的級配指數范圍0.3～0.6存在較大差距，無法滿足遠距離管道輸送的要求，因此需通過破碎或其他手段增加細粒級和中粒級含量以改善粗磷尾礦級配。

2.4.3破碎磷尾礦級配

一般而言，通過添加尾砂或人工破碎的方式以改善粗磷尾礦級配比較常見，也有通過添加粉煤灰、細砂等改善級配的方式，但對于地形條件復雜、通行困難的礦山來說，優先考慮利用礦山自有材料。為此，本文分別選擇-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm的粒度對粗磷尾礦進行機械破碎，并采用ASTM C136標準篩對破碎后的磷尾礦進行篩分，最后通過式（2）進行級配分析，其結果見圖8。

圖8　-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm破碎磷尾礦粒度特征曲線Eig.8 Granularity curves of crushed phosphate tailings with particle size of-5 mm，-8 mm，-10 mm and-12 mm

由圖8可見，-5 mm、-8 mm、-10 mm和-12 mm粒級的級配指數分別為0.532、0.643、0.706和0.785，因此-5 mm粒度集料已達到較優密實度的級配指數范圍（n=0.4～0.6）；而-8 mm、-10 mm和-12 mm粒度集料粗顆粒含量偏多，無法達到較優密實度。分析認為:雖然-5 mm粒度集料級配指數大于日本建筑學會（AIJ）推薦的范圍0.35～0.45和美國混凝土協會（ACI）推薦的0.45，但考慮到本試驗充填體無側限抗壓強度設計值低（4.5 MPa）以及粗骨料破碎加工成本高等因素，故認為-5 mm粒級也能滿足要求；此外，-5 mm粒度集料0.315 mm粒徑以下含量約為19%，符合我國JGJ 55—2011標準規定的0.315 mm粒徑以下含量不少于15%的要求。

2.5正交試驗設計及結果分析

2.5.1正交試驗設計方案

正交試驗設計是基于“正交表”的一種試驗設計方法，該方法從全析因試驗中選取代表性的點，而這些代表性的點均勻地分布于測試范圍并能夠代表所有情況，因此該方法對多因素試驗方案的優選具有很高的效率。

本試驗選取膠砂比（A）（料漿中粉煤灰和水泥質量之和與粗磷尾礦質量之比）、質量濃度（B）（料漿中粉煤灰、水泥和粗磷尾礦質量之和與總質量的百分比，%）和水泥/粉煤灰質量比（C）（料漿中水泥與粉煤灰質量之比）為影響因子，其中因子A、B和C的水平數均為3（見表4），因此正交試驗設計方案可選為L9（34）（見表5），其中最后一列為空白列用以計算誤差。

表4　正交試驗表頭設計Table 4 Experiment variables design

表5　正交試驗設計方案Table 5 Experiment variables design table

2.5.2正交試驗結果及分析

根據表5所設計的正交試驗方案對制備的膠結充填體試塊進行無側限抗壓強度測定，其測定結果見表6。

表6　正交試驗結果Table 6 Results of the orthogonal experiment

為進一步分析充填體無側限抗壓強度與膠砂比、質量濃度和水泥/粉煤灰質量比之間的關系，對表6的正交試驗結果進行極差分析，其極差分析結果見表7和圖9。

表7　無側限抗壓強度極差分析結果Table 7 Range analysis of the slump，slump flow and consistency

圖9　無側限抗壓強度與膠砂比、質量濃度和水泥/粉煤灰質量比的關系曲線Eig.9 Variation of the slump，slump flow and consistency with cement-aggregate ratio，cement-fly ash ratio and concentration

由圖9可見，充填體無側限抗壓強度隨著養護齡期的延長而增強，且7 d至28 d無側限抗壓強度增長率高于3 d至7 d無側限抗壓強度增長率，同時充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度均隨膠砂比A、質量濃度B和水泥/粉煤灰質量比C增大而增大，但膠砂比對充填體無側限抗壓強度的影響相對較大。這主要是由于粉煤灰的添加不僅提高了混合料的堆積密度，使得充填體的微觀結構更加密實，還促進了膠凝體系的二次水化反應，即水化初期主要由水泥水化產生C-S-H凝膠、Ca（OH）2以及少量鈣礬石，然后粉煤灰與水泥產生的游離Ca（OH）2反應形成水化產物，因此粉煤灰參與的二次水化反應使得膠凝體系中的水化產物不斷增加，Ca（OH）2不斷減少，使充填體后期強度得到增長［20-22］。

由表7可見，因子對充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度的影響程度大小分別為:A＞C＞B、A＞B＞C和A＞C＞B。這主要是由于前面提及的粉煤灰結構的影響，導致其吸水量偏大，減弱了質量濃度對充填體抗壓強度的影響。

根據以上結論，采用多元非線性回歸法對充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度與因子A、B和C的關系進行分析，其非線性回歸方程如下:

上式中:S3、S7和S28分別表示充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度（MPa）；A、B和C分別表示膠砂比、質量濃度和水泥/粉煤灰質量比。

多元非線性回歸方程統計學參數見表8。由表8可見，充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度與因子A、B和C的非線性回歸方程的均方根誤差RMSE和殘差平方和SSE均接近于0，決定系數R2接近于1，卡方系數χ2=（0.021 7，0.666 7， 0.000 8）＜（9）=19.02，顯著性系數F= （998.22，560.97，57 516）＞F0.05（8，1）=238.90，表明回歸方程在顯著性水平0.05下，擬合精度及擬合優度較高，具有顯著統計學意義。

表8　多元非線性回歸方程統計學參數Table 8 Statistical parameters of multivariate nonlinear regression equation

基于以上分析，可確定膠結充填材料最佳配比方案為:A=0.250，B=80%，C=1。根據上述最佳配比方案可確定充填成本，詳見表9。

由表9可見，破碎粗磷尾礦-粉煤灰-水泥基膠結充填成本為95.30元/m3，與破碎粗磷尾礦-水泥基膠結充填成本153.10元/m3相比大幅降低（其中，破碎粗磷尾礦-水泥基膠結充填成本為同等粗磷尾礦添加量1 360 kg/m3，不添加粉煤灰，但水泥添加量340 kg/m3與粗磷尾礦-粉煤灰-水泥基膠結充填中水泥和粉煤灰總添加量170+170=340 kg/m3相等）。同時，利用粉煤灰和粗磷尾礦進行膠結充填，與現有空場法開采相比礦石損失及貧化率降低了20%～30%，且礦石回收率提高，礦山服務年限延長，礦山總經濟效益顯著提高。此外，礦床開采的整體安全性得到保證，而且礦區生態環境得到改善，符合國家和行業對礦山開采的發展規劃，具有顯著的環境和社會效益［22］。

表9　不同配比方案充填成本比較Table 9 Comparison of backfill costs

3　結 論

本文以粗磷尾礦和粉煤灰為充填材料，通過試驗進行了粗磷尾礦膠結充填級配及抗壓強度分析，得到如下結論:

（1）粗磷尾礦物理性能較差，特別是粒徑較粗，不宜直接作為泵送充填骨料，但其化學性質穩定，對膠凝體系和環境無顯著影響；粉煤灰質量較差，粒徑較粗，但具有較強的火山灰特性。

（2）粗磷尾礦粒度分布不連續，呈現細粒度和中粒度含量偏少，而粗粒度含量偏多的特征，且級配指數為0.86，與Eüller曲線理想級配指數0.5和較大密實度的級配指數范圍0.3～0.6存在較大差距。

（3）選擇-5 mm粒級對粗磷尾礦進行機械破碎加工，其0.315 mm粒徑以下含量約19%，且級配指數為0.532，具有較大密實度，能夠滿足泵送要求。

（4）充填體無側限抗壓強度隨著養護齡期的延長而增強，且后期無側限抗壓強度增長率（7～28 d）高于早期無側限抗壓強度增長率（3～7 d），同時充填體無側限抗壓強度均隨膠砂比A、質量濃度B和水泥/粉煤灰質量比C增大而增大，且因子對無側限抗壓強度的影響程度大小分別為:A＞C＞B、A＞B＞C和A＞C＞B。

（5）充填體3 d、7 d和28 d無側限抗壓強度與因子A、B和C之間存在顯著非線性關系。

（6）破碎磷尾礦-粉煤灰-水泥基膠結充填成本為95.30元/m3，與破碎磷尾礦-水泥基膠結充填成本153.10元/m3相比大幅降低，具有顯著的經濟效益。同時，采用粉煤灰和粗磷尾礦進行膠結充填，實現了安全、環保和綠色開采，具有顯著的環境和社會效益。

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Analysis of Gradation and Compressive Strength of the Cemented Paste Backfill with Coarse Phosphate Tailings

CHEN Bowen，MEI Euding，YANG Liu，BAO Ke，YAN Xianhang
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The highly concentrated cemented paste backfill with coarse aggregate is not only one of the main difficulties facing the mining industry，but also a frontier research field.This paper uses coarse phosphate tailings and fly ash as backfill materials to reduce environmental pollution，land occupation and geological disaster caused by coarse phosphate tailings and voids.Eirstly，the paper tests physical，chemical and mineralogical properties of phosphate tailings and fly ash by SEM，ICP-MS&ICP-OES，XRD，Laser Particle Analyzer and other standard testing methods.Secondly，the paper studies the gradation of coarse phosphate tailings and crushed phosphate tailings with different particle size by Eüller and Talbol theories.Einally，the study researches the rule of unconfined compressive strength of cemented backfill by orthogonal experimental design and multiple nonlinear regression，and analyzes the economic，environmental and social benefits of the backfill.The results show that the physical properties of coarse phosphate tailings and fly ash are both poor.However，the coarse phosphate tailings have stable chemical properties，and the fly ash has high pozzolanic properties.The crushed phosphate tailings with-5mm can be used as aggregate for the pipelineconveying paste backfill due to its high compactness.The long-term unconfined compressive strength of the backfill grows fast，and meanwhile，the unconfined compressive strength increases with the increase of cement-aggregate ratio，concentration and cement-fly ash ratio，and cement-aggregate ratio has the greatest impact on the unconfined compressive strength.Eurthermore，the unconfined compressive strength of the backfill has significant nonlinear relationship with cement-aggregate ratio，concentration and cement-fly ashratio.The cemented backfill with coarse phosphate tailings and fly ash has significant economic，environmental and social benefits.

coarse phosphate tailings；gradation of cemented paste backfill；unconfined compressive strength；orthogonal experimental design；multiple nonlinear regression

X936

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.026

1671-1556（2015）05-0145-09

2014-12-15

2015-03-18

湖北省自然科學基金重點項目（2014CEA529）

陳博文（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為礦山安全。E-mail:chenbowen027@foxmail.com

梅甫定（1964—），男，教授，主要從事工業災害控制、安全檢測、安全評價等方面的教學和科研工作。E-mail:mfd1964@sohu. com