粉煤灰對三山島金礦充填體強度影響的試驗研究

2020-09-11 12:42:20汪耀武

中國礦業 2020年9期

汪耀武

(1.咸寧職業技術學院建筑學院，湖北咸寧 437100；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州 450001)

0 引言

隨著淺部礦產資源的逐漸枯竭，越來越多的礦山進入了深部開采。隨著開采深度的增加，地壓問題將日益突出，并成為實現深部安全、高效開采的主要障礙。充填技術是解決深部地壓控制、維護采空區穩定、保障安全作業、保護地表不遭破壞和維持既有生態環境的有效途徑之一[1-4]。尾砂和粉煤灰等固體廢棄物近年來被廣泛研究用于金屬礦井下開采充填，不僅可以減少環境污染，還能為礦山節約充填成本，提高經濟效益和社會效益[5-7]。山東黃金三山島金礦是膠東三山島-倉上斷裂帶上的超大型蝕變巖型金礦，礦山生產已基本實現機械化生產。年開采礦石量近300萬t，開采深度接近地下800 m。三山島金礦礦區三面臨海，礦區內水文地質條件極其復雜，井下涌水主要有現代海水、基巖裂隙鹵水、第四系孔隙水、大氣降水等組成。其中，基巖裂隙鹵水具有與現代海水起源相同、高礦化度的特征[8]。礦區內的充填用水主要為經過過濾、沉淀處理的井下涌水。由于井下涌水來源復雜且含有大量鹽鹵離子，這些鹽鹵離子的存在可能對充填體的力學性能產生影響。根據礦山現階段的開采工藝，開采設備需要在充填體上進行作業，因此對充填體早期強度有較高的要求，若充填體早期強度不足，極易造成充填體發生破壞崩解，影響采場的整體穩定性，威脅礦山安全生產[9-11]。本文通過分析充填用水中的主要鹽鹵離子及含量，開展了不同粉煤灰摻量替代膠結劑的充填體強度試驗和最優粉煤灰摻量條件下不同CaO摻量的充填體試驗，探索三山島金礦提高充填體早期強度、降低充填成本的途徑。

1 試驗材料及方案

1.1 攪拌用水

本次試驗充填體攪拌用水與礦山井下充填用水一致，取自礦山充填站，并按照水質檢驗取樣規程的要求進行操作，將取樣容器用代取水樣沖洗3次后進行灌裝取樣，待水樣充滿容器至溢流時蓋緊塞子，使水樣上方幾乎無殘留空氣，以減少運輸過程中水樣的晃動，避免溶解性氣體逸出、低價離子被氧化或者揮發性物質的流失等。

對現場取樣的充填用水在7 d內進行水質檢驗，檢驗結果見表1。由表1可知，三山島金礦充填用水中含有大量鹽鹵離子，尤其是Cl-、SO42-等離子。

表1 三山島金礦充填用水離子濃度Table 1 Ion concentration of Sanshandao gold mine filling water

1.2 尾砂

為了保證試驗充填體采用的分級尾砂具有一定的代表性，分級尾砂的取樣工作在礦區充填站充填設備正常運行時進行。通過終端控制尾砂倉開始放砂，此時不加入充填膠結劑，運行一段時間后，打開閥門從充填攪拌桶內放出適量的尾砂砂漿，堆存于干凈平整的水泥地面，待尾砂沉降完畢并濾掉大部分水分之后，裝入編織袋。對現場取樣得到的分級尾砂進行粒度分布分析，分析結果見圖1。

1.3 膠結劑

本次試驗采用的膠結劑與礦區充填站采用的膠結劑一致，為山東黃金焦家金礦自主研發生產的井下充填專用膠結劑——焦家C料。為了研究焦家C料作為膠結劑的物化性質，選用普通硅酸鹽水泥作為對比組進行粒級分析，分析結果見表2。由表2可知，礦山目前所使用的焦家C料的粒級分布比普通水泥更均勻，粒度更細，22.849 μm以下粒徑的顆粒占了總量的90%，其中粒徑小于5.794 μm的顆粒占總量的50%，比表面積更是達到了普通水泥的1.41倍。

圖1 分級尾砂粒級分布曲線Fig.1 Classification tailings grain size distribution curve

表2 膠結劑粒級分析數據統計表Table 2 Statistics of particle size analysis data of cement

1.4 試驗方案

為了研究粉煤灰摻量對充填體試塊強度的影響及得出最佳的粉煤灰摻量，設計采用粉煤灰替代部分膠結劑繼續膠凝試樣制備，粉煤灰摻量為膠結劑總量的0%、5%、10%、15%和20%，設計充填體灰砂比為1∶5，充填體料漿質量濃度為70%，養護齡期為3 d、7 d和14 d，每組制備試樣充填體試樣3個，試樣尺寸為7.07 cm×7.07 cm ×7.07 cm的立方體。

為了提高粉煤灰活性，設計在充填體料漿內添加生石灰作為粉煤灰活性激發劑，為了得到最佳的生石灰摻量，設計生石灰摻量為最佳粉煤灰含量的10%、15%、20%和25%，設計充填體灰砂比為1∶5，充填體料漿質量濃度為70%，養護齡期為3 d、7 d和14 d，每組制備試樣充填體試樣3個，試樣尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體。

2 試驗結果及分析

2.1 粉煤灰對充填體試樣抗壓強度影響規律

根據試驗方案將制作好的充填體試樣按照標準養護條件養護到設計齡期后，即對其進行單軸壓縮試驗，測定單軸抗壓強度，結果取3個試樣抗壓強度的平均值。從圖2中可以看出，無論是自來水配制的充填體還是充填用水配制的充填體，當粉煤灰摻量為5%時，其單軸抗壓強度較不添加粉煤灰時均有所提高，但隨著粉煤灰摻量的進一步提高，充填體試樣的單軸抗壓強度呈現下降趨勢。分析其原因，粉煤灰摻量越高，充填試塊制作中膠結劑的用量越少，粉煤灰的膠凝特性不能明顯替代膠結劑的膠凝效果，因此，充填試樣表現出單軸抗壓強度下降的趨勢。

從圖3中可以看出，在粉煤灰摻量相同的條件下，比較相應的養護齡期采用充填用水和自來水制作的充填體試樣單軸抗壓強度，采用充填用水制作充填體試樣的單軸抗壓強度明顯較高。在相同的粉煤灰摻量下，使用充填用水和自來水制作的充填體試樣隨著養護齡期的增加，其單軸抗壓強度也顯著提高。當粉煤灰摻量為5%時，充填體試樣的單軸抗壓強度隨養護齡期的增加增幅最大。

粉煤灰具有一定的火山灰活性，其活性激發效果的好壞是決定其是否可適用于分級尾砂的膠結材料，對于提高充填試塊的強度和降低充填成本有著重要意義。從試驗結果中可以看出，當粉煤灰摻量為5%時，充填試塊的單軸抗壓強度比不摻粉煤灰有所提高，而且摻加粉煤灰后充填試塊隨著養護齡期的增加，其單軸抗壓強度增幅更大。因此，最終確定粉煤灰摻量為5%。

圖2 不同粉煤灰摻量下充填體試樣強度變化曲線Fig.2 Curve of strength variation of backfill specimens with different fly ash content

圖3 不同粉煤灰摻量下充填體試樣強度柱狀圖Fig.3 Bar graph of the strength of the backfill body samples under different fly ash content

2.2 生石灰對粉煤灰活性的激發規律

根據試驗方案將制作好的充填體試樣按照標準養護條件養護到設計齡期后，即對其進行單軸壓縮試驗，測定其單軸抗壓強度，結果取3個試樣抗壓強度的平均值。從圖4中可以看出，使用自來水制作的充填體試樣各養護齡期的單軸抗壓強度隨著生石灰摻量的增加而增大，而使用充填用水制作的充填體試樣各養護齡期的單軸抗壓強度隨著生石灰摻量的增加呈現出先增大后降低的變化規律，當生石灰摻量為粉煤灰質量的20%時，充填體強度最大。分析其原因，生石灰可與水發生反應生成Ca(OH)2，在堿性環境下，粉煤灰顆粒表面的Si—O和Al—O化學鍵斷裂，形成游離的不飽和化學鍵，使得具有活性的SiO2、Al2O3溶出。Ca(OH)2與活性物質SiO2、Al2O3發生化學反應，生成具有一定強度的水化硅酸鈣(CSH)和水化鋁酸鈣(CAH)，從而充填試塊單軸抗壓強度有一定的提高。這也是使用自來水制作的充填體試樣單軸抗壓強度隨著生石灰摻量的增加而增大的原因。