破碎廢石膏體充填材料性能試驗研究

王亞偉，李平定，孫 皞，陳 陽，劉 超

破碎廢石膏體充填材料性能試驗研究

王亞偉1，李平定1，孫 皞1，陳 陽1，劉 超2, 3

(1.山陽秦鼎礦業有限責任公司，陜西 商洛市 726403；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

山陽秦鼎公司Ⅱ號礦體設計充填系統方案時，考慮到全尾砂含有氰化物，從環保和安全角度出發采用廢石作為主要充填材料，并以此結合現場條件開展了以破碎廢石為骨料的膏體充填材料性能試驗研究。從不同配比的充填料漿下分別進行了塌落度試驗、凝結時間試驗和泌水率試驗，最后結合充填試塊的強度試驗，為廢石膏體膠結充填系統設計、設備選型和充填采礦法的實施提供了數據支持。

破碎廢石；膏體充填；充填材料；性能試驗

0 引 言

充填采礦法是采礦行業的關鍵技術，它不但可使礦山降低礦石的損失貧化，高效利用資源獲得更好的經濟效益，而且在自然環境保護方面也具有十分重要的意義[1-2]。隨著國家對環保要求的提高，礦山所用的充填材料已從傳統的自然或人工砂石向廢石、粉煤灰、尾砂等工業廢料過渡[3-5]，將這些工業廢料進行井下充填不僅能處理采空區問題，還能減少廢棄物地表堆存導致的土地占用和環境污染，對環境保護和礦山持續發展有重要作用[6-7]。

充填材料的選擇往往因地制宜，在全尾砂無法充填時，礦山常用破碎廢石作為充填骨料來進行井下充填[8-9]。破碎廢石作為膏體充填材料，因其料漿強度高，凝結時間短，能實現井下采、充快速轉換，滿足井下充填采礦要求而受到廣泛應用[10-11]。

山陽秦鼎公司Ⅱ號礦體傾角一般為43°～76°，平均65°，傾角以急傾斜為主，礦體及其上、下盤圍巖穩固性較差，因此不宜選用空場法和崩落法類采礦方法。礦石品位較高，所以采用上向進路充填采礦法開采。在充填材料選擇方面，因其尾礦含有氰化物，往井下充填時會產生安全事故隱患，因此結合現場條件采用廢石作為充填材料并開展試驗研究，這對礦山廢石和井下采空區處理、減少環境污染和安全隱患并提高礦山生產經濟效益有著重大意義。

1 充填材料及其物理性質

充填材料的粒級組成對充填料的管道輸送和充填料漿固化后充填體的強度有很大的影響。充填材料中粗集料含量較高導致料漿可泵性差對管道磨損較大，并且容易離析造成堵管。細集料含量較高雖有利于料漿的管道輸送，但提高了破碎加工成本和降低了充填料漿固化強度。所以充填材料的粒級組成對充填料漿制備起著重要作用。

現場取廢石樣托運至實驗室進行破碎，在滿足廢石粒度小于25 mm，滿足管道輸送要求的基礎上，考慮廢石加工破碎成本，將廢石破碎至粒徑不大于20 mm。然后對破碎好的廢石試樣進行分級，以粒徑?10 mm的廢石為細集料，粒徑+10～?20 mm的廢石為粗集料。集料的粒級組成如表1和表2 所示。

表1 ?10 mm細集料粒級組成

通過試驗，將秦鼎礦業廢石試樣的比重、松散容重、孔隙率和自然安息角共4項物理性能指標測定結果列于表3。

表2 +10～?20 mm粗集料石子粒級組成

表3 廢石物理性能指標

2 充填料漿特性試驗

2.1 充填料漿塌落度試驗

充填骨料的粒級組成與充填料漿濃度是決定充填料漿結構流輸送性能的兩個基本要素。為了得到不離析且易于輸送的充填料漿，研究開展了不同灰砂比、不同集料粗細比和不同充填料漿濃度下的充填料漿塌落度試驗，并根據試驗結果確定最終的合理配比參數。

試驗配制了3種灰砂比1:6，1:10和1:20，4種粗細集料比1:6，1:7，1:8和1:9的充填料漿進行充填料漿塌落度測試，實驗結果見表4。

表4 不同灰砂比和粗細比料漿的塌落度

由表4可知：充填料漿濃度越低，越容易出現離析現象；細集料占比越高，則充填料漿的流動性越好，越不容易發生離析現象；灰砂比在1:6~1:10時，料漿的流動性能要明顯強于灰砂比1:20時。

綜合分析可知，充填料漿中粗細比為1:6和1:7時，混合充填料漿略顯干澀、松散、流動性差，容易出現離析現象。而粗細比1:8、灰砂比1:6～1:10、充填料漿濃度84%～86%時，料漿不發生離析，流動性滿足泵送塌落度要求。灰砂比為1:20時由于水泥太少，充填料漿的細顆粒含量少使充填料漿拌和性不理想，濃度86%就開始出現輕微離析現象。充填料漿質量濃度84%料漿的流動性能較好，并隨著粗細比的減小料漿狀態往有利的方向發展。最后考慮到破碎成本合理性確定粗細集料搭配比例為1:8。

選取2017年1月～2018年1月我院收治的急性肺栓塞患者33例作為研究對象，其中，男21例，女12例，年齡24～64歲，平均（56.92±5.18）歲；體重40～80 kg，平均（61.25±7.88）kg；患者病史狀況：靜脈血栓2例，腦血管疾病3例，高血壓10例，糖尿病2例。所有入組患者均接受肺動脈CT，MRI等檢測，確診為肺栓塞，血管造影影像學資料顯示肺部呈現不同面積的栓塞。患者均存在呼吸困難、胸悶、胸痛癥狀，部分患者間歇性咳嗽，3例患者出現暈厥癥狀。所有患者均無溶栓治療禁忌，無妊娠期婦女，無其它重要器官嚴重功能障礙或不全者。

2.2 充填料漿凝結時間試驗

充填料漿的凝結時間試驗可以用來反映礦山井下充填料漿的凝結硬化速度。在試驗中，若料漿凝結時間過快，則意味著礦山在生產中需要對充填料漿制備和料漿輸送過程有著嚴格的時間要求，且容易導致在料漿輸送過程中發生料漿凝固現象，造成輸送管道堵塞，使整個充填作業無法順利進行。若料漿凝結時間過長，則會出現充填料漿在到達指定的充填空區后因無法及時形成滿足強度要求的充填體，進而影響下一步的采礦作業進度。因此，合適的充填料漿凝結時間對整個采礦作業有著重要影響。試驗開展的不同料漿濃度、不同灰砂比在固定集料粗細比下的山陽秦鼎礦業充填料漿凝結試驗結果見表5。

表5 充填料漿凝結時間

根據不同料漿濃度和灰砂比下的廢石充填料漿凝結試驗結果可得出以下結論：

（1）灰砂比1:6～1:20，濃度85%～83%的充填料漿，其初凝最快為7 h，最慢為11.6 h，終凝最快為10.0 h，最慢為15.9 h，較其他礦山初凝時間、終凝時間較短。料漿初凝后較快時間終凝。

（2）充填料漿的凝結時間隨著充填料漿濃度的升高而減少。

（3）充填料漿的凝結時間隨著充填料中水泥量占比的升高而減少。

充填料漿能夠較快凝固并承載，有利于上向進路充填采礦方法的實施。

2.3 充填料漿泌水率試驗

充填料漿的泌水率測定主要包括質量泌水率和體積泌水率的測定，同時可以根據在試驗中測得的充填料漿沉縮量來計算充填過程中每m3料漿實際充填的空區體積。本文對山陽秦鼎礦業廢石試樣按照P·O 42.5普通硅酸鹽水泥配置不同濃度的灰砂比。按灰砂比=1:6，1:10，1:20質量濃度85%、84%、83%進行配比，試驗測得的各組料漿泌水特性參數見表6。

表6 充填料漿的泌水率

（1）隨著充填料漿中水泥含量的改變，在高濃度（85%）下，料漿泌水率隨著水泥含量增加而減少，充填料漿沉縮量相應減少，每m3的料漿實際充填空區體積變大。在其他料漿濃度中，其泌水率隨著水泥含量增加而呈現先增大而減小的趨勢。

（2）隨著充填料漿濃度的增大，總體而言料漿泌水率是呈減小趨勢的，相應的充填料漿沉縮量也會減小，每m3的料漿實際充填空區體積變大。這說明在滿足井下充填料漿輸送性能的前提下，充填料漿濃度越大越好。

（3）泌水試驗的結果和現象表明，廢石充填料漿的質量濃度合理，泌水率和充填料漿的沉縮都較小，有利于礦山空區充填接頂。

3 充填體強度試驗

不同灰砂比、質量濃度、養護齡期下的充填體單軸抗壓強度也有較大差異。為了得到符合設計要求的充填體強度，開展了上述3個因素作用下的充填體試塊的強度參數研究，為采場充填配比設計提供一定的數據支持。

3.1 實驗方案

實驗按1:6，1:10，1:20的灰砂比制作試塊，料漿的質量濃度分別為85%、84% 和83% 。每組試驗進行3，7，28 d這3個齡期的強度測試，每個齡期澆注3個試塊，共計81個試塊。

將各種不同配比的充填體試塊按不同的齡期進行養護，達到養護齡期后將試塊從養護室內取出，在TYE-300型水泥砂漿抗折抗壓試驗機上進行抗壓強度測定，各齡期抗壓強度測試原始數據見表7。

表7 充填體試塊不同養護期齡單軸抗壓強度

3.2 實驗結果分析

由圖1~圖3和表7可以得到以下結論：

（1）在灰砂比一定時，充填體單軸抗壓強度隨著充填料漿濃度的增加而增大。在充填料漿濃度一定時，充填體單軸抗壓強度隨著水泥添加量的增大而上升，而且這種上升趨勢會隨著試塊養護期齡的增大而更加明顯。不同灰砂比下的充填體單軸抗壓強度變化較大，此時應根據不同采空區對于充填體強度的要求選擇合適的灰砂比，在保證充填體強度的同時降低充填成本。

圖1 濃度83%的充填體強度

圖2 濃度84%的充填體強度

圖3 濃度85%的充填體強度

（2）在灰砂比和充填料漿濃度這兩個因素中，灰砂比對充填試塊強度影響程度更大，如：灰砂比1:6、濃度為83%試塊的3，7，28 d強度分別為1.607，3.101，5.777 MPa；灰砂比1:10、濃度為85%試塊的3，7，28 d強度分別為0.709，1.731，2.805 MPa。

（3）充填料強度配比試驗測試結果證明，廢石充填料漿制備的充填體強度正常，不同灰砂比、濃度的充填體強度變化較大，能夠滿足礦山空區不同區域、不同采礦方法對充填體提出的不同強度指標的要求。

4 結 論

通過山陽秦鼎公司的破碎廢石膏體充填材料性能試驗研究，得出了以下幾點結論：

（1）在全尾砂不能用于井下充填時，選用廢石作為充填骨料是可行的。

（2）充填料漿質量濃度84%料漿的流動性能較好，并隨著粗細比的減小料漿狀態往有利的方向發展。考慮到破碎成本合理性，確定粗細集料搭配比例為1:8。

（3）灰砂比1:6～1:20，濃度85%～83%的充填料漿，其初凝最快為7 h，最慢為11.6 h，終凝最快為10.0 h，最慢為15.9 h。充填料漿能夠較快凝固承載，有利于上向進路充填采礦方法的實施。

（4）實驗室測得不同灰砂比和濃度下的充填料漿質量泌水率在4.51%以下，體積泌水率（即充填料漿的沉縮量）在9.05%以下，有利于礦山空區充填接頂。

（5）充填體28 d強度發展正常，當灰砂比為1:（6～20）、質量濃度為83%～85%時的充填體強度為0.152～6.986 MPa。強度變化較大，可以滿足不同條件的充填采礦對充填體強度的要求。

（6）該試驗研究為山陽秦鼎公司Ⅱ號礦體的充填系統設計、設備選型和充填采礦法的實施提供了數據支持。

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(2019-05-05)

王亞偉（1967—），男，陜西丹鳳人，高級工程師，主要從事采礦、充填、地質工程技術研究，Email：713wyw@ 163.com。