充填體主動接頂膨脹材料性能試驗研究

2020-09-11 12:42:12史采星郭利杰

中國礦業 2020年9期

史采星，郭利杰，楊超

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

隨著礦山開采深度的增加以及社會對環境保護意識的提高，充填采礦方法在礦山企業應用的比例越來越高，并有進一步發展和擴大應用的趨勢[1-3]。充填接頂是充填工作的重要內容，也是每個采用充填采礦法的礦山廣泛關注的技術問題，由于礦山作業的特殊性，如果充填接頂效果不好，會使采場頂板暴露面積過大，達到或者超過維持頂板穩定允許的最大面積，容易造成充填體或礦巖冒落，危及作業人員的安全[4-6]。充填接頂使充填體對采空區頂板或假頂起支撐作用，防止頂板或假頂冒落。同時較好的接頂效果對于控制采場地壓、維護采場及充填體的穩定、減少礦產資源損失、降低礦石貧化具有重要作用。

然而，礦山為了保證充填料漿能依靠重力自流輸送，料漿濃度不宜過高，使得充填料漿在采場中泌水沉縮，從而導致充填體無法接頂。同時，由于充填料漿自流坡度的影響、采場頂板本身不規則性、人為等因素，均會造成充填無法接頂。為提高充填采場接頂率，胡國宏等[7]在對充填接頂影響因素分析的基礎上，采用層次分析法，建立了充填接頂影響因素分析多層次模型，研究結果表明充填料漿性質、充填壓力和爆破工藝是影響礦山充填接頂質量的最主要因素；曾照凱等[8]為解決礦山充填不接頂問題，通過分析各種因素，提出了人工接頂、強制接頂、選擇合適充填料漿濃度、改善充填工藝及頂板形狀等措施；王樹海等[9]提出了通過改造充填擋墻和濾水井等措施，提高充填采場接頂率；周強等[10]提出了高位接頂、多點下料、多次強制擠壓接頂的措施。通過分析可知，以上專家學者解決充填接頂問題主要是從充填采礦工藝的角度盡量實現較高的充填接頂率，屬于被動的接頂措施，但往往受限于現場苛刻的工況條件，難以實現較高的接頂率。

本文旨在研究充填體主動接頂技術，在充填料漿中添加與其相匹配的自膨脹材料，利用其自膨脹功能使充填體體積增大，從而實現充填體主動接頂。

通過開展自膨脹充填料漿的流動性能和自膨脹充填體的強度測試研究，并利用掃描電鏡(SEM)分析充填體的微觀結構，確定了廣東某鉛鋅礦接頂充填的最佳充填技術參數。

1 充填料漿自膨脹原理

在充填料漿中添加生石灰及一種金屬粉末作為自膨脹材料，金屬粉末與水在堿性環境下發生化學反應，生成氣體。充填體膨脹的動力來源于氣泡內壓力，而阻力來源于其自重壓力及自身剪切應力。隨著化學反應的進行，氣體越來越多，氣泡內的壓力也越來越大，這些氣泡能夠均勻地懸浮在充填料漿中，迫使充填料漿體積增大。待氣泡內壓力與充填料漿自重壓力與料漿的極限剪切應力達到平衡時，膨脹過程停止。若膨脹率較小，則難以克服充填料漿的自重及料漿的極限剪切應力，導致充填體達不到膨脹效果；若發膨脹率較大，則氣體會逸出充填料漿，導致充填體強度大幅度降低。

通過充填料漿自膨脹原理分析可知，充填料漿的自膨脹過程中雖然伴隨著化學反應，但膨脹材料并沒有參與充填料漿中水泥的水化反應，因此，在充填料漿中添加膨脹材料使充填體體積膨脹實際上是一個物理過程。

2 尾砂基本物化特性分析

試驗所用分級尾砂取自廣東某鉛鋅礦，其基本物理參數見表1，化學元素分析見表2，粒級組成見圖1。

表1 分級尾砂基礎物理參數表Table 1 The basic physical parameters of classifying tailings

表2 分級尾砂化學元素分析結果表Table 2 Analysis results of chemical elements in classifying tailings

圖1 分級尾砂粒級組成Fig.1 The particle size distribution curve

由表2可知，分級尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，主要金屬元素及其氧化物為CaO、Fe、FeO、Al2O3、K2O，其他金屬元素含量較低。S的含量為12.95%，一般認為S元素不利于充填長期強度的發展，尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，是一種比較好的惰性材料，且含有大量的CaO、FeO和一定量的MgO成分，有利于充填體的膠結性能發展。

該分級尾砂d10為9.027 μm，d50為63.671 μm，d90為222.207 μm，粒級組成不均勻系數為9.44，級配效果均一般。

3 自膨脹材料添加量初探

自膨脹充填體最重要的一項特性就是具有體積膨脹，此特性決定其在充填接頂中具有無可比擬的優勢。根據經驗，為了獲得更好的充填體質量，應將充填體膨脹率(膨脹后體積與未膨脹體積之差除以未膨脹體積)控制在20%～25%之間。

充填體膨脹率測試方法為在2 000 mL的量筒內配置料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4的充填料漿，再添加一定量(充填料漿質量的1%、3%、5%)的自膨脹材料，用橡膠網孔攪拌棒攪拌均勻，然后靜置在實驗臺上，并開始計時，記錄不同時間下的液面位置及沉縮面位置，最終計算膨脹率，計算方法為：通過測量量筒直徑及膨脹前充填料漿及膨脹后充填體在量筒中的高度，按照(膨脹后體積-膨脹前體積)/膨脹前體積的計算方法即得膨脹率。

表3 不同添加量條件下的膨脹率Table 3 Expansion rate under different adding amount

在自膨脹材料不同添加量條件下，膨脹率相差較大。當添加量為1%時，膨脹率僅為2%，分析原因在于濃度為73%、灰砂比1∶4的充填料漿經過24 h水化固結，具有一定的強度，而產生的氣體較少，氣體無法使充填體膨脹；當添加量為5%時，膨脹率達到29.9%，根據經驗，膨脹率偏大，不利于充填體強度的發展；當添加量為3%時，膨脹率達到23.7%，該膨脹率在合理的范圍內。但自膨脹材料3%的添加量能否滿足充填要求，需要開展自膨脹充填料漿性能的試驗研究。

4 自膨脹充填料漿性能試驗研究

4.1 不同配比充填料漿膨脹率試驗

本文開展了充填濃度為71%、73%、75%，灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6，自膨脹材料添加量為3%時的充填料漿膨脹率測試試驗，試驗結果見表4。

根據表4可繪制料漿濃度對充填體體積膨脹率的影響規律，見圖2。

由圖2可知，在相同灰砂比條件下，充填體膨脹率隨充填濃度的增加略有降低，主要原因是在灰砂比一定的條件下，充填體強度隨充填料漿濃度的增加而增大，由于產生的氣體量一定，導致充填體膨脹效果減弱。總體而言，充填料漿濃度對充填體自膨脹性能的影響較弱。為了獲得相對高強度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時，充填濃度在73%～75%之間。

由圖3可知，在相同濃度下，灰砂比為1∶2時，充填體膨脹率較小；灰砂比為1∶4和1∶6時，充填體體積膨脹率變化較小。為了獲得相對高強度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時，灰砂比應不低于1∶4。

表4 不同濃度、不同灰砂比充填料漿膨脹率測試Table 4 Test on expansion rate of filling slurry with different concentration and ash sand ratio

圖2 料漿濃度對充填體體積膨脹率的影響規律Fig.2 Influence of slurry concentration on volume expansion rate of backfill

圖3 灰砂比對充填體體積膨脹率的影響規律Fig.3 Influence of lime sand ratio on volume expansion rate of backfill

4.2 自膨脹材料對料漿流動性能影響分析

本試驗采用目前較通用的“擴散筒法”，開展充填料漿擴散度試驗。擴散度試驗采用小型坍落筒在一塊標有刻度的玻璃上進行，其坍落筒上下口徑分別為3.5 cm、6.0 cm，筒高6.0 cm。試驗首先用布把坍落筒內部擦拭干凈，并將其放在水平的玻璃板上，將配比好的充填料漿從坍落筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將坍落筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上形成一個圓，通過測定二個垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴散度值。

試驗參數如下：試驗濃度為71%、73%、75%；灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6；自膨脹材料添加量為0%、3%。依據以上試驗參數開展流動性能試驗，共計18組，試驗結果見圖4。由圖4可知，當充填料漿的濃度與灰砂比相同時，添加自膨脹材料的充填料漿的擴散度值比未添加時略小，主要是充填料漿中添加3%的自膨脹材料使濃度略微增大，導致擴散度值減小，但減小量很小，說明添加3%的自膨脹材料對充填料漿的流動性能影響不大。

4.3 自膨脹材料對充填體強度影響分析

充填材料配比試驗參數與擴散度試驗參數一致，養護齡期為7 d和28 d。試驗結果見圖5。由圖5可知，充填料漿中添加3%的自膨脹材料后，充填體單軸抗壓強度均降低。主要是因為自膨脹材料生成的氣體使充填體內產生多孔結構，充填體體積膨脹，導致充填體密實度降低，從而降低充填體強度。

圖4 擴散度試驗結果Fig.4 The results of diffusion test

圖5 充填材料配比試驗結果Fig.5 Filling material ratio test results

采用在充填料漿中添加自膨脹材料的主動接頂工藝，在提高接頂率的同時，還需要保證一定的強度，根據以上試驗結果分析，73%～75%濃度、灰砂比1∶4的充填料漿添加3%的自膨脹材料，強度可達到1.8～3 MPa，膨脹率介于22%～23%之間，滿足充填接頂的要求。

4.4 自膨脹充填體SEM測試分析

為了解膨脹材料的加入對充填體結構的影響，本文對膨脹充填體進行了掃描電鏡(SEM)檢測測試，采用的測試設備為MLA(Mineral Liberation Analyser)礦物自動分析儀。對充填料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4、養護齡期為28 d的添加膨脹材料與未添加膨脹材料的充填體切割利用顯微鏡對氣孔結構進行觀察，然后取樣開展SEM測試，在分別在放大100倍、500倍、2 000倍時對微觀形貌進行拍照，結果如圖6～8所示。

由圖6可知，添加了膨脹劑的試樣表面比未添加膨脹劑的試樣表面更加粗糙，這說明實驗組試樣內部微泡和微孔數量顯著多于對照組，這是由于膨脹劑發生反應是生成的氣體被硬化的水泥漿體固定而造成的。

由圖7可知，加入膨脹材料和不加膨脹材料的充填體的微觀形貌幾乎完全一樣，其硅酸鹽凝膠和少量的鋁酸鹽凝膠、鈣礬石互相包裹的情況也大致相同，即添加自膨脹材料的充填體沒有生產新的膠凝產物，未改變充填體內的水化產物種類。

由圖8可知，加入膨脹材料的充填體試樣內鈣礬石的結晶體長度要普遍大于未加膨脹材料的充填體試樣，這是由于在添加膨脹材料的充填體試樣中，由于膨脹效應，充填體內部自由水形成的通道更加發育，鈣礬石有更加大的生長空間。

由上述結果可知，尾砂膠結充填體中加入膨脹材料后，沒有改變充填體水化產物類型，只是改變了充填體中孔結構的分布。在不同放大倍數的視野內，均可觀察到膨脹充填體內不同尺寸的氣泡形貌，而且氣泡和微孔分布均勻，說明膨脹效果達到預期狀態。

5 小型物理模擬試驗

為驗證前期試驗結果的可靠性，開展了充填體自膨脹小型物理模擬試驗，測定充填體的膨脹率及充填體強度分布特征等參數，為后續確定采場接頂充填參數提供依據。

本文采用木板制作小試試驗箱，尺寸為：長600 mm、寬600 mm和高900 mm，中間用隔板隔開，方便對照添加與未添加自膨脹材料的試驗效果，一側面采用有機玻璃，以方便觀察。模擬試驗采用的充填配比參數見表5。

5.1 膨脹率測試分析

根據物理模擬試驗數據，模型內充填體膨脹過程如圖9所示。由圖9可知，未添加膨脹材料的充填料漿在停止攪拌后開始出現較大的分層現象，并且充填料漿出現較大幅度的體積減小，而添加了膨脹材料的充填料漿在開始階段會出現料漿的離析分層，在60 min左右充填體體積膨脹率顯著上升；充料漿主要的膨脹大致發生在60～300 min之間，18 h后相對自身體積膨脹率為22.4%，與前期試驗結果(22.7%)基本吻合。

圖6 膨脹充填體與普通充填體試樣放大100倍的微觀形貌對比圖Fig.6 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 100 times

圖7 膨脹充填體與普通充填體試樣放大500倍的微觀形貌對比圖Fig.7 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 500 times

圖8 膨脹充填體與普通充填體試樣放大2 000倍的微觀形貌對比圖Fig.8 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 2 000 times

5.2 充填體強度測試分析

待充填體養護28 d后，按圖10所示取樣位置，對模型內的充填體進行切割取芯，利用微機控制電液伺服壓力試驗機進行單軸抗壓強度測試，試驗結果見圖11。由圖11可知，充填料漿濃度為73%，灰砂比1∶4，養護齡期28 d，在不添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓強度為3.68 MPa，在添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓強度為2.04 MPa，滿足采場接頂充填體強度要求。