碎石和磷石膏聯合膠結充填最佳配比及應用

王新民，薛希龍，張欽禮，胡勇，楊力

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碎石和磷石膏聯合膠結充填最佳配比及應用

王新民1，薛希龍1，張欽禮1，胡勇2，楊力1

(1. 中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083；2. 湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北黃石，435100)

針對四川漢源縣石溝石膏礦充填骨料來源不足的情況，提出將該礦碎石和附近某磷化企業磷石膏作為充填骨料的聯合膠結充填方案。分別分析粒度在10 mm和5 mm以下碎石和磷石膏的物理化學性質，驗證碎石和磷石膏作為聯合充填骨料的可行性。通過充填配比試驗，分析不同配比似膏體漿體的流動性能和充填體強度特性，得出礦山不同區域和不同時期的最佳充填配比。研究結果表明：充填體強度隨似膏體漿體質量分數的增加而增加；往粒度在10 mm以下碎石骨料中加入磷石膏，充填體的單軸抗壓強度顯著提高；在碎石骨料中添加磷石膏可改善漿體的流動性，有利于減少水泥用量，節約成本；塌落度和擴散度可以很好地反映漿體的可泵性；推薦充填配比的漿體輸送性能良好，可以實現泵送要求，充填體強度滿足該礦無軌機械化生產的要求，充填泄水對環境幾乎沒有影響。

碎石；磷石膏；充填骨料；強度特性；流動性能

漢源縣石溝石膏礦資源儲量大，質量穩定，品質優良，是超高強度石膏粉生產的優質原料。礦山采用傳統的空場采礦法，在生產過程中造成了嚴重的損失和貧化，不僅浪費了寶貴的優質石膏資源，而且增加了石膏的后續深加工成本。由于石膏原礦價格低廉，而采用充填法成本較高，目前該礦種礦山尚未有使用充填法的先例。充填法在建材礦山一直未得到應用，其原因是：一方面，建材原礦價格低廉，礦山無法承擔較高的充填成本；另一方面，建材礦山缺乏來源廣泛、價格低廉的充填骨料(如金屬礦的尾礦、磷化廠的磷石膏、煤礦的煤矸石等)[1?4]。石溝石膏礦將高品質石膏原礦加工成超高強度石膏粉，使石膏原礦價值得到大幅度提升，從價格上具備了采用充填法的合理 性[5]。礦區山石風化嚴重，可以自行采集山石作為主要的充填骨料。附近某磷化集團每年產生大量的磷石膏固體廢料，不僅占用大量的土地，而且嚴重地污染了周圍環境[6]。若能將磷石膏作為該礦充填骨料[7]的補充，則不僅能夠減少山石的采集量、降低充填成本，而且可減小周邊環境污染。本礦能否在確保安全和降低成本的前提下，將碎石和磷石膏作為聯合充填骨料，關鍵在于充填漿體質量，而充填漿體質量取決于充填材料和充填技術參數。充填漿體的質量包括漿體的流動特性和充填體的強度。由于充填成本在采礦總成本中所占比例較高，在控制總成本的前提下，選擇合理的充填配比，既可以有效地保證充填體質量，又可滿足回采工藝的要求[8]，因此，確定合理的充填漿體配比是保證安全、經濟、高效回采的重要前提。為此，本文作者針對石膏礦充填骨料來源不足的問題，提出碎石和磷石膏充填骨料聯合膠結充填方案，進行碎石和磷石膏骨料的充填配比優化試驗，通過試驗對充填漿體的流動性能和充填體的強度特性進行綜合分析，最終得出滿足礦山開采所需的最佳充填配比[9]。該項技術應用于石溝石膏礦，取得了良好的經濟效益和社會效益，不僅變廢為寶，提高了礦山資源回收率和生產安全性，而且可為建材礦山使用充填技術提供參考。

1 充填材料性能

1.1 充填材料

1) 碎石。本試驗碎石試樣為漢源石溝礦山石。為確定兼顧破碎成本和管道輸送性能的合理粒徑組成，參考國內外碎石充填經驗[10]，選取2組控制粒徑(最大粒徑為10 mm和5 mm)進行試驗。破碎后的碎石粒徑組成見表1。

表1 石溝石膏礦碎石粒徑組成

2) 磷石膏。磷石膏中CaSO4·2H2O質量分數在85%以上，同時含有少量的磷、氟、石英、堿金屬和重金屬等物質。它通常用來代替天然石膏做水泥緩凝劑、制硫酸聯產水泥和土壤改良劑，綜合利用率低于10%[11?12]。試驗所需的試樣為石溝石膏礦附近某磷化集團的磷石膏廢料。磷石膏的SEM圖像見圖1，其主要物理性質和化學成分見表2~4。

圖1 磷石膏SEM圖像

表2 磷石膏粒徑組成

表3 磷石膏壓縮系數與壓縮模量

表4 磷石膏主要化學成分測定結果

3) 膠凝材料。膠凝材料選用32.5號普通硅酸鹽水泥。

1.2 充填骨料性能

1) 當碎石粒徑在10 mm以下時，粒徑max＜0.25 mm的碎石質量分數為16.2%，骨料較粗對管道磨損嚴重，輸送性能較差。當碎石粒徑在5 mm以下時，粒徑max＜0.25 mm的碎石質量分數為28.7%，骨料的輸送性能變好，降低了管道磨損，但增加了骨料的破碎成本。

2) 磷石膏的SEM圖像顯示，磷石膏晶顆粒體粗大、規整、均勻，以六面板狀結構為主。這種顆粒特征使其在固化過程中需水量大，凝結時間較長，水化產物晶體呈板狀，晶體間結合薄弱，特別是固化早期強度較低。由于固化過程需大量的水，使得膠結充填料漿脫水少，有利于減少采場充填體的泌水[4]。

3) 磷石膏粒級較細，粒徑max＜0.25 mm的顆粒質量分數為91%，滲透系數小，不利于充填體脫水，但可以減小管道磨損，改善漿體流動性能。磷石膏壓縮系數隨壓力增大而減小，但變化幅度逐漸減小，表明磷石膏具有一定的沉降性。

4) 磷石膏中CaSO4·2H2O質量分數較高，通常作為緩凝劑，不利于提高充填體的早期強度。但CaSO4·2H2O質量分數高使充填體的后期強度較大。

綜上所述，單獨將碎石或磷石膏作為充填骨料均不理想，為獲得良好的輸送性能和充填體力學性能，將碎石和磷石膏按一定比例混合作為聯合充填骨料，但其流動性能和力學性能如何，需通過試驗予以 確定。

2 試驗

2.1 試驗方案

為確定石溝石膏礦充填漿體合適的質量分數范圍，同時受試驗樣品數量的限制，首先在試驗室進行了石膏礦充填漿體質量分數的探索性試驗。研究結果表明：當漿體質量分數為77%~78%時，該漿體為非均質—均質復合流的似膏體，可以實現管道輸送。在以上質量分數范圍內設計試驗方案：往粒徑max＜10 mm的碎石骨料中添加磷石膏，往max＜5 mm的碎石骨料中不添加磷石膏。設計的配比方案如表5所示(試驗組C1~C10采用粒徑max＜10 mm的碎石，試驗組X1~X10采用粒徑max＜5 mm的碎石)。

表5 充填配比試驗方案

注：表示質量。

2.2 試驗方法

按照試驗方案配制充填漿體，漿體攪拌均勻后使用塌落筒測試漿體的塌落度和擴散度。塌落筒筒高為300 mm，上口直徑為100 mm，下口直徑為200 mm。試驗時上、下口要保持平整光滑，以防止漏漿，筒體提離過程在5~10s內完成[13?14]。流動性試驗完成后將制備好的充填漿體注入長×寬×高為7.07cm× 7.07cm×7.07cm的標準三聯模具中制作試塊。模具注滿后，讓其自然沉降，待初凝后，將試塊刮平，試塊初步自立后，進行脫模處理。脫模后的試塊放至養護箱養護，養護溫度為20 ℃，養護濕度為90%。采用WDW-2000萬能試驗機分別測試試塊3，7，28和60 d單軸抗壓強度[9, 15]。

2.3 試驗結果

以上各配比方案的試驗結果如表6所示。

表6 充填配比試驗結果

注：表示質量分數。

3 試驗結果分析

3.1 似膏體充填漿體流動性分析

通過試驗結果，可以獲得如圖2和圖3所示的塌落度和擴散度變化關系曲線，由此可得出以下結論：

漿體質量分數：1—77%(含磷石膏)；2—77%(不含磷石膏)；3—78%(含磷石膏)；4—78%(不含磷石膏)

漿體質量分數：1—77%(含磷石膏)；2—77%(不含磷石膏)；3—78%(含磷石膏)；4—78%(不含磷石膏)

1) 在配比一定的條件下，似膏體漿體質量分數從77%提高至78%，塌落度減小5%~8%，擴散度減小3%~5%。

2) 在似膏體漿體質量分數一定的情況下，水泥質量分數為8.56%~11.14%時存在流動性分界點，塌落度和擴散度首先隨水泥用量的增大而增大，達到分界點后開始減小。

3) 往粒徑max＜10 mm的碎石骨料中加入磷石膏后塌落度和擴散度明顯增大，且高于同等配比條件下粒徑max＜5 mm的碎石配比方案中的塌落度和擴散度。因此，磷石膏可以有效改善似膏體漿體的流動性。

3.2 充填體強度特性分析

試驗結果表明，充填體強度受似膏體漿體質量分數、磷石膏用量、水泥用量以及養護齡期等因素的影響。膠結試塊C6的28 d應力應變特性曲線如圖4所示。由圖4可知：充填體試塊應力應變特性表現為彈塑性，達到極限強度后試塊逐漸被破壞。試件被破壞后仍可維持相對較高的殘余強度，這一特性有利于礦山嗣后充填。

圖4 試塊C6的28 d應力?應變曲線

圖5所示為充填體試塊C3，C4，X3和X4的單軸抗壓強度隨養護齡期的關系曲線。由圖5可知：28 d以前充填體強度增速較快，28 d以后充填體強度增速減緩并趨于穩定。在相同配比條件下，當似膏體質量分數從77%提高至78%時，充填體的后期強度提高10.67%~13.17%。

1—C3試塊；2—C4試塊；3—X3試塊；4—X4試塊

水泥用量與充填體強度的關系如圖6所示。由表6和圖6可知：充填體強度隨水泥用量的增加而增加；在相同條件下，往粒徑max＜10 mm的碎石骨料中加入磷石膏(漿體中磷石膏質量分數為14.00%~22.29%)，充填體3 d抗壓強度沒有明顯變化，7 d抗壓強度提高38.46%~ 71.88%，28 d抗壓強度提高39.19%~76.92%，表明添加磷石膏不利于充填體早期強度的增大，有利于提高后期強度。因此，在后期強度相同的條件下，添加磷石膏可以減少水泥用量，有利于降低充填成本。

時間/d：1—7(不含磷石膏)；2—7(含磷石膏)；3—28(不含磷石膏)；4—28(含磷石膏)

3.3 充填體泌水特性分析

水泥質量分數與泌水率的關系如圖7所示。由圖7可知：似膏體漿體泌水率在2.35%~4.62%之間，水泥質量分數與似膏體漿體泌水率之間沒有明顯的關系特性，提高漿體的質量分數和不添加磷石膏充填漿體泌水率降低，表明漿體質量分數較高，有利于縮短充填體初凝時間。

質量分數：1—77%(含磷石膏)；2—77%(不含磷石膏)；3—78%(含磷石膏)；4—78%(不含磷石膏)

4 最佳充填配比及應用

4.1 最佳充填配比

漢源石溝石膏礦采用機械化上向水平分層充填采礦法：其中，步驟一，礦柱回采采用膠結充填；步驟二，礦房回采采用非膠結充填。打底及分層膠面采用高標號膠結充填，要求充填體28 d齡期的抗壓強度不低于1.5 MPa[8]。礦柱采用低標號膠結充填，要求充填體28 d齡期抗壓強度不低于0.5 MPa[8]。根據上述要求及室內試驗結果，推薦的最佳充填配比如表8所示。

表8 推薦的最佳充填配比

4.2 應用

礦山采用平硐開拓系統，鑒于充填站站址受地形條件的限制，同時考慮后續加工工藝對優質石膏原礦品質的要求，確定采用似膏體碎石和磷石膏聯合泵送充填工藝。在正常生產過程中，礦山年均充填量為12萬m3。根據現場工業試驗，得出如下結論：

1) 推薦的充填配比能夠滿足似膏體充填漿體的泵送要求，充填漿體質量分數能夠控制在77%~78%，采場泌水小，充填體沉縮性較弱，接頂效果好，充填未對采場穩定性和石膏原礦的白度產生較大影響。

2) 打底及分層膠面28 d抗壓強度達1.82 MPa，完全滿足無軌機械設備的運行；二步回采的采場，相鄰充填采場暴露的充填體宏觀整體性較好，對頂板起到了有效支撐作用。

3) 通過對充填泄水取樣化驗，各有害元素殘留指標均符合工業廢水排放標準，因此，充填泄水對地下水基本沒有影響。

4) 磷石膏利用率較高，每年充填可利用磷石膏約7.6萬t，在降低磷化企業磷石膏堆存成本和減小地表環境污染的同時，解決了礦山充填骨料來源的問題。

5 結論

1) 塌落度和擴散度可以很好地反映漿體的可泵性。提高似膏體漿體質量分數，塌落度和擴散度逐漸減小。隨著水泥用量的增加塌落度和擴散度逐漸增大，達到分界點后開始減小。

2) 充填體強度隨養護齡期的增加而增大。漿體質量分數對充填體強度影響較大，漿體質量分數提高1%，充填體的后期強度增加10.67%~13.17%，因此，提高漿體質量分數是提高充填體強度的有效方法。

3) 增加水泥用量可以提高充填體抗壓強度。往粒徑max＜10 mm的碎石骨料中加入一定量的磷石膏，充填體后期抗壓強度顯著增加，似膏體漿體塌落度和擴散度明顯增大。因此，添加磷石膏可以有效減少水泥用量，有利于改善漿體的流動性和節約充填成本。

4) 最佳充填配比的漿體質量分數為78%，漿體輸送性能良好，采場泌水小于5%，充填體未對石膏原礦白度產生大的影響，充填泄水幾乎對地下水沒有影響。打底及分層膠面28 d抗壓強度達1.82 MPa，滿足無軌機械化生產作業的要求，二步驟回采的采場，相鄰充填采場充填體整體性較好，對頂板起到了有效支撐作用。

5) 每年可利用磷石膏7.6萬t，不僅減小了對地表環境的污染，而且解決了礦山充填骨料的來源問題，為企業帶來了可觀的經濟效益。

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Optimum ratio and application of joint cemented backfill with crushed rock and phosphogypsum

WANG Xinmin1, XUE Xilong1, ZHANG Qinli1, HU Yong2, YANG Li1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hubei Sanxin Gold Copper Limited Company, Huangshi 435100, China)

In light of lack of backfill aggregate in ShiGou gypsum mine in Hanyuan County, Sichuan Province, joint cemented backfill with phosphogypsum and crushed rock was put forward. To respectively analyze the physical and chemical property of crushed rock with diameter below 10 mm and 5 mm and phosphogypsum, the feasibility of joint cemented backfill with phosphogypsum and crushed rock was obtained. Based on backfill ratios experiment, paste-like slurry flowing property and backfill body strength property of different ratios were analyzed. Optimal backfill ratio at different places and stages in the mine was obtained. The results show that the backfill body strength increases with the increase of mass concentration of paste-like slurry. Adding phosphogypsum to crushed rock with diameter below 10 mm aggregate can enhance uniaxial compressive strength of backfill body. Adding phosphogypsum to crashed rock aggregate can improve the slurry flowability, decrease the amount of usage of cement, and save the cost. Slump and diffusivity can reflect the slurry pumpability. The recommended backfill ratio slurry transports well and can realize the pumping demand. The backfill body strength can fulfill the demand of trackless mechanization in the mine and the backfill waste water has no impact on environment.

crushed rock; phosphogypsum; backfill aggregation; strength property; flowing property

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.029

TD853; X781

A

1672?7207(2015)10?3767?07

2014?11?12；

2015?01?19

國家科技支撐計劃項目(2008BAB32B03, 2013BAB02B05)(Projects (2008BAB32B03, 2013BAB02B05) supported by the National Science and Technology Support Program)

王新民，教授，博士生導師，從事充填采礦及安全技術研究；E-mail：xxl3305@163.com

(編輯 陳燦華)