尾砂膠結充填體在多因素影響下的強度試驗研究

王永霞

(內蒙古交通職業技術學院，內蒙古 赤峰 024005)

隨著六十多年的強化開采，我國陸地資源的開發程度相當成熟，淺地表的資源已經開采殆盡，深部開采增加了資源開采的成本和難度，我國沿海及其大陸架為主體的海基類金屬資源為我國資源開發提供了新的出路和方向[1-4]。近海和海下礦床資源的開發有其特殊性，由于海水中含有很高的鹽分，海水通過破裂帶、巖石裂隙滲入井下，對井下充填體、設備等造成腐蝕，對海下礦床的開采造成一定的安全威脅[5-7]。

三山島金礦是國家黃金工業“七五”期間重點建設項目，位于中朝地臺膠遼臺隆的郯廬斷裂帶的東側，有較為復雜的區域地質背景。礦區地表水體有渤海和王河，渤海三面環繞礦區，礦區地下水中包括第四系孔隙水和基巖裂隙水，根據礦山勘探時期的鉆孔取樣分析資料，多數基巖水的水質為高礦化度的鹵水，礦化度最高達到92.75 g/L，故稱之為基巖鹵水。礦山開拓生產后，該含水帶未有取樣的記錄，但由于該含水帶水位下降不大，可以推測出水質不會有大的改變。基巖鹵水與海水及第四系水混合后，以裂隙涌水的方式進入礦山的水循環系統，正是該礦山充填用水中鹽鹵離子的主要來源。本文基于以上背景，對三山島金礦鹵水條件下的充填體強度規律及其影響因素進行研究，為井下提高充填體強度、改善充填效果提供指導。

1 充填攪拌水及尾砂粒徑分析

1.1 充填攪拌水

在充填站對充填攪拌用水取樣，按照相關要求進行充填用水的水質分析，取樣過程中保證充填攪拌用水的水質不受到人為污染，為了防止充填攪拌用水由于放置時間過長改變其化學性質，其水質化驗全部項目檢驗在取樣后7 d內完成。

1.2 尾砂

尾砂取樣是在尾砂倉進行，按照檢驗分析要求，對全尾砂和分級尾砂都進行了取樣，采用MS-30激光粒度分布測試儀對尾砂的粒度分布進行測試，測試結果見表2、圖1和圖2。由分析結果可以看出，全尾砂的細度明顯低于分級尾砂，比表面積分級尾砂遠小于全尾砂。從圖1可以看出，分級尾砂的粒徑分布相對集中，主要粒徑分布范圍在12.119～173.40 μm之間，占到總重量的80%以上。從圖2可以看出，全尾砂的粒徑分布相對較為均勻，但尾砂顆粒相對偏細，粒徑在39.744 μm以下的尾砂顆粒占到中質量的50%。

從理論上說，尾砂顆粒越細，其充填料漿的含水量就越高，從而導致井下采場脫水較難。因此，在采用管道自流輸送的充填料漿其質量濃度均偏低，達不到采場充填強度的要求，國內大部分充填自流輸送礦山均采用分級尾砂，以保證料漿脫水速度，更有利于充填體的固結。

表1 充填攪拌用水成分分析Table 1 Composition analysis of filling water

表2 尾砂粒級分析數據統計表Table 2 StatisticalTable for grain size analysis of tailings

圖1 分級尾砂粒級分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of grading tailings

圖2 全尾砂粒級分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of full tailings

2 鹵水對充填體強度的影響

2.1 試驗方案

為了探究鹵水對充填體強度的影響規律及機制，按照灰砂比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶16五種配比制作充填體試塊，同時每種配比充填體試塊采用鹵水和自來水分別制作，自來水作為對比實驗與鹵水進行比較。澆筑充填體的充填料漿質量濃度為70%，采用磨具在實驗室內制作成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm正方體試塊，為了保證養護條件與現場環境相同，充填體試塊的養護溫度為28±1 ℃，相對濕度為90%。

為了探究不同養護齡期對于充填體強度的影響，分別對養護齡期為3 d、7 d、14 d、28 d下的充填體試塊強度進行測試。

2.2 尾砂膠結充填體強度變化規律

當充填體試塊達到設計的養護齡期后進行強度試驗，測試其單軸抗壓強度，每種配比測試3個試樣，取其平均值。表3為強度測試結果。采用數據回歸的方法對不同充填攪拌用水條件下不同灰砂比的充填體試塊在不同養護齡期下的抗壓強度進行分析，得到充填體強度的擬合曲線(圖3～7)。

表3 充填在不同齡期下的強度試驗結果Table 3 Strength test results of filling at different ages

圖3 灰砂比為1∶6的充填體試塊強度擬合曲線Fig.3 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶6

圖4 灰砂比為1∶8的充填體試塊強度擬合曲線Fig.4 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶8

圖5 灰砂比為1∶10的充填體試塊強度擬合曲線Fig.5 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶10

圖6 灰砂比為1∶12的充填體試塊強度擬合曲線Fig.6 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶12

圖7 灰砂比為1∶16的充填體試塊強度擬合曲線Fig.7 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶16

從圖3～7可以看出，隨著養護齡期的增長，充填試塊的強度呈增長趨勢。通過擬合發現，充填體試塊強度與養護齡期呈乘冪函數關系，函數關系式為Rc=atb,從圖中可以看出，各灰砂比配比下曲線擬合優度R2均在0.98以上，說明擬合精度較高。

相同充填攪拌水條件下，隨著灰砂比的提高，充填體強度隨養護齡期的增長增加的速度越快。將擬合函數Rc=atb中的a為擬合曲線的斜率，其物理意義可看作強度增長的速率大小。當充填攪拌用水為鹵水時，隨著灰砂比的增大，其a值迅速增大，當灰砂比為1∶16時，a值僅為0.070；灰砂比1∶6時，a的值達到了0.4069。當攪拌用水為自來水時，與鹵水條件下表現出相同的變化規律。

在相同灰砂比條件下，當攪拌用水為鹵水時，在早期齡期養護下(7 d以下)，其充填體強度高于攪拌用水為自來水條件下的充填體強度，但二者相差不大。隨著養護齡期的增長，自來水拌合的充填體試塊強度大于鹵水拌合試塊的強度。

結合礦山實際情況，采用分層膠結充填法的礦山，通常在充填體充至井下7 d左右，用于采礦的鑿巖設備和出礦設備將進入采場，在充填體上進行采礦作業，因此，將鹵水作為充填攪拌用水，有利于提高充填體的早期強度，有利于充填體的早期穩定。

2.3 充填體強度影響因素極差分析

上述充填體強度試驗中，充填體試塊的強度主要受充填體攪拌用水、養護齡期及配合比這3個因素的影響，為了對上述3個因素的影響程度進行分析，采用極差分析的方法對影響充填體強度的3個因素進行分析，對3個影響因素的重要程度進行排序，為井下提高充填體強度、改善充填效果提供指導。

不同齡期、不同充填攪拌用水、不同灰砂比下的充填體強度試驗結果見表3。對表3中的數據進行極差分析，由于3個影響因素的水平數不相同，水平數多的因素其極差R往往更大一些，因而直接采用極差R進行分析其結果難易保證其準確性，采用折算系數d對不同影響因素水平數的極差R進行折算處理，折算系數見表4。

表4 折算系數表Table 4 Conversion coefficient

根據表3，灰砂比(A因素)為5水平，因此dA=0.40，養護齡期(B因素)為4水平，因此dB=0.45，充填攪拌用水(C因素)為2水平，因此dC=0.71，通過對表2的數據進行極差計算，得出RA=0.795，RB=1.630，RC=0.564，將表3中的折算系數對計算的極差R按照式(1)進行折減。

(1)

式中：R′為折算后的極差；d為折算系數；r為因素水平數；R為折算前的極差。

將數據帶入式(1)可得灰砂比(A因素)、養護齡期(B因素)和充填攪拌用水(C因素)折算的極差，分別見式(2)、式(3)和式(4)。

(4)

圖8 XRD衍射圖Fig.8 XRD diffraction pattern

2.4 鹵水對充填體強度的影響機理

水泥的水化產物主要為C—S—H凝膠、氫氧鈣石(Ca(OH)2)和鈣礬石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，其中C—S—H凝膠提高膠結強度起關鍵作用，而Ca(OH)2能促進水泥的水化反應，從而提高充填體的早期強度，而CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的產生則對充填體的長期強度產生不利影響。

圖9為灰砂比為1∶6、1∶10拌合水為自來水和鹵水條件下養護28 d的充填體電鏡掃描圖片。從圖9中可以看出，用灰量不同對于其微觀形貌特性的影響比較明顯，水泥用量大的試樣針狀和絮凝狀物質明顯，而水泥用量小的試樣不能看出針狀物，僅有少量絮狀物。

圖9 充填體試塊的掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron micrograph of the filling block

3 結 論

1) 鹵水有利于提高充填體早期強度，但對其長期強度造成影響。

2) 通過研究充填體試塊強度與養護齡期的關系，得出二者呈乘冪函數關系。

3) 通過極差分析，養護齡期為影響充填體強度的主要因素，配合比影響最小。

4) 通過XRD衍射分析得出，在充填體試塊養護齡期早期，鹵水條件下C—S—H凝膠和Ca(OH)2的衍射峰數量較多是造成充填體早期強度較高的原因。