尾砂膠結(jié)充填體強度差異性分析

李 武，利 堅，陳 沖

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

礦山井下充填過程中，充填料漿經(jīng)充填管輸送至采場中，完成濾水、水化反應等過程后，最終形成具有一定支撐強度的充填體，以改善采場應力，最大限度回收深部礦產(chǎn)資源。

李文臣等[1]開展充填試驗模擬，系統(tǒng)分析了充填體強度在縱向、橫向和豎向3個方向上的分布規(guī)律；成祖國、魏曉明等[2，3]從濃度、沉降、分布等方面分析了礦山現(xiàn)場嗣后充填過程與實驗室充填試件體制備過程的差異，并對兩者間的強度進行了對比研究；邱華富等[4]通過相似模型漿體充填試驗，分析采空區(qū)充填漿體流動沉積規(guī)律及充填漿體顆粒質(zhì)量分數(shù)分布規(guī)律。

上述文獻對兩類充填體進行了強度對比，但得出的結(jié)果不盡相同。本文以云南某鉛鋅礦山為工程背景，揭示該礦山采場充填體強度空間變化規(guī)律及其形成機制，對地表實驗室制備的充填體與井下原位取芯充填體進行強度對比，掌握井下采場充填質(zhì)量。

1 充填體試件力學參數(shù)對比

根據(jù)礦山現(xiàn)用膏體物料（水泥+尾砂+水粹渣）配合比設計充填配比試驗。試塊澆筑、養(yǎng)護并脫模后置于恒溫恒濕標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度23.9℃，濕度97.7%，養(yǎng)護齡期28d。

井下原位充填體設計取芯長度56m，取芯鉆孔傾角為0°，方位角為26°，機頭高度1.5m，取芯情況見圖1。將長度超過10cm的原位充填體芯加工成標準試件，測量每個試件的直徑和長度。

對兩類充填體進行物理力學參數(shù)測試，見表1。

圖1 井下充填體取芯

表1 試件力學參數(shù)測試結(jié)果

由表1可知，原位取芯膠結(jié)充填體的抗壓強度、容重、彈性模量和峰值應力分別高出實驗室試件約2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%。原位取芯試件的容重更大，即表明單位體積內(nèi)孔隙及孔隙水減少，宏觀上呈現(xiàn)抗壓強度的增大。

2 充填體試件內(nèi)部微觀結(jié)構特征分析

全尾砂充填試塊做單軸抗壓強度測試之后，當天取中間部分試樣低溫烘干24h，然后噴金后做掃描電鏡分析，試驗采用美國FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡，X射線能譜儀(EDAXGENESIS)檢測物質(zhì)成分。

養(yǎng)護環(huán)境（溫度和濕度）、養(yǎng)護齡期、料漿質(zhì)量濃度和灰砂比影響充填體的性能主要因為影響充填體中水泥的水化，即不斷影響水化反應不斷生成的六片狀AFm相及C-A-H晶體，內(nèi)部結(jié)構發(fā)育情況見圖2。

圖2 兩類充填試塊內(nèi)部結(jié)構對比（灰砂比1∶6、質(zhì)量濃度76%）

由圖2可知，相同灰砂比和質(zhì)量濃度下，原位取芯充填試塊水化產(chǎn)物多于實驗室充填試塊，且內(nèi)部結(jié)構更加緊湊，宏觀表現(xiàn)為強度的加大。

3 實驗室試件與原位取芯試件強度差異分析

首先，與井下充填物料相比，實驗室物料粒級分布相對更加均勻。其次，部分水經(jīng)濾水管排出，使得井下膠結(jié)充填體容重比地表實驗室大。同時，溫度也是影響水泥水化反應的重要因素[6]。該礦山全年平均溫度16℃，而井下充填空區(qū)溫度達到32℃，相對來說對水泥水化反應的影響更大。

由于實驗室筑模和井下濾水管排水過程中都會造成部分水泥和細顆粒流失，且在表中濃度的變化過程中，兩類試件的強度值變化幅度均不是太大，故認為充填濃度并不是造成兩類充填體強度值顯著差異的主要原因。表1中兩種配比的原位力學參數(shù)強度均高于地表實驗室試件，說明充填料漿受到上覆料漿的自重應力及兩幫圍巖或膏體的空間限制，固結(jié)過程中內(nèi)部原生孔隙被壓密，孔隙水排出[5]，增加了同等體積的密實度和容重，進而體現(xiàn)在彈性模量、抗壓強度等力學參數(shù)上。綜上所述，井下充填體容重高于地表實驗室試件，是造成井下取芯強度高于實驗室試件強度的主要原因。

4 采場空間位置對充填體強度的影響

地表試驗中，充填體試件強度隨著充填濃度和灰砂比的提高而增加，滿足常見充填體強度規(guī)律。但原位取芯充填體強度測試中，灰砂比1∶6的試件強度隨濃度的增加而出現(xiàn)略微降低的趨勢，說明在實際空區(qū)充填過程中，充填體強度并不完全滿足常見強度增長規(guī)律。實際情況中，空區(qū)充填過程中充填體強度在空間內(nèi)的分布呈現(xiàn)不均勻性，是由骨料顆粒分布、水泥含量和分布、物料膠結(jié)形式和狀態(tài)，以及膠漿固結(jié)時的實際濃度分布等多種因素耦合所致。原位取芯充填體試件受力破壞方式與常見制件破壞方式完全不同，物料在膠結(jié)時表現(xiàn)有不均勻性，破壞面處尾砂顆粒居多，大小顆粒膠結(jié)出孔隙多、大，水泥析出較多。

充填過程中，在充填管道端口下放的漿體沖刷逐漸形成1個椎形構筑物，且靠近充填端口粗顆粒較多，細顆粒隨漿體的移動向遠端移動沉積。新注入漿體沿著已沉積漿體坡面流動沉積，沉積水在采空區(qū)遠端聚集并排出。料漿的流動沉積過程會發(fā)生料漿中固體顆粒的沉降，表現(xiàn)為粗顆粒物料比細顆粒物料先沉積。隨著流動距離的增加，尾砂細顆粒比例逐漸升高，這就導致充填體在同一水平面上的強度降低，又根據(jù)各自影響程度的不同，最終疊加出不同的強度分布規(guī)律。空區(qū)完成充填后，充填體坡形已基本形成，充填體在不同位置的高度有差別，這將導致不同的豎向壓力和料漿濃度，并最終導致充填強度在豎向上的差異，一般來說呈現(xiàn)充填體強度自下而上逐漸降低的分布規(guī)律。

5 結(jié)論

通過對原位取芯充填體試件及實驗室試件的力學測試，發(fā)現(xiàn)原位取芯膠結(jié)充填體在抗壓強度、容重、彈性模量和峰值應力方面分別高出實驗室試件約2.3MPa、11.4%、49.4%及76.1%。基于電鏡掃描對兩類試件內(nèi)部結(jié)構發(fā)育情況檢測，發(fā)現(xiàn)在相同灰砂比和質(zhì)量濃度下，原位取芯充填試塊水化產(chǎn)物多于實驗室充填試塊，且內(nèi)部結(jié)構更加緊湊、穩(wěn)定，表現(xiàn)為支撐強度的加大。影響原位充填體試件及實驗室試件強度的主要原因為受力環(huán)境，表現(xiàn)為原位充填體容重的增加。并加上物料顆粒均勻性、實際充填濃度以及溫度等眾多因素耦合作用，使得井下充填體強度更大。空區(qū)充填位置不同，其強度范圍不一樣。當充填位置位于采空區(qū)中心時，其強度較大，且分布的均勻性更好。充填體在不同位置的高度差別，形成不同的豎向壓力和料漿濃度，并最終導致充填強度在橫向及豎向上的差異。