良山鐵礦全尾砂充填體強度研究

陳 偉

（新余良山礦業有限責任公司，江西 新余 338000）

隨著環保理念的推進，如今地下礦床開采方法都是充填采礦法。要求充填體強度能夠滿足對礦山采空區頂板邊幫的應力承載作用，避免采空區塌陷。通常采用各個礦山的尾砂通過配比試驗，得到滿足礦山需要的充填體。

1 試驗

1.1 試件制備

本次試驗采用的鋼試模尺寸為100×100×100 mm，試模每次澆注前需打油，每塊試件灌漿后搗插10次，分三次完成（共計30次），脫模時間需大于24 h，視凝固時間確定，脫模后即放入養護水箱（溫度（20±3）℃，濕度＞90%），并用油漆編組，養護期注意每天給養護箱加水，保持濕度。試壓時每組4塊全部做抗壓強度測試。

1.2 試驗系統簡介

本次試驗采用TYA-300A型微機控制恒加載壓力試驗機。該機從杭州思田科技有限公司引進，為EHDC恒加載壓力試驗微機控制系統，適用于非金屬及復合材料的壓縮試驗。

2 試驗結果

2.1 試驗數據

全部試件（包括補做試塊）養護28齡期后，即進行試壓，試壓修正后的結果見表1。

表1 充填膠結試塊二次回歸正交試驗測試數據表

10 6 58% 1：6.67 20%11 13.9 70% 1：6.67 20%12 5.8 70% 1：6.67 20%13 10.7 70% 1：6.67 32%14 7.7 70% 1：6.67 8%15 10.7 70% 1：6.67 20%

2.2 試驗結果的統計分析

按照二次回歸正交設計的15組試驗，對數據結果進行統計分析。各平方項按照下式計算后變換：

經分析可知，縮減回歸方程不失擬合效果，具有預測意義。回歸方程為：

將表中各因素編碼公式代入上式，并整理得到最終的抗壓強度回歸方程為：

式中：z1—為質量濃度（%）；

z2—為灰砂比；

z3—為微粉滲入比（%）。

2.3 充填配比參數的回歸預測分析

2.3.1 設計質量濃度時不同灰砂比下微粉滲入比與強度關系

若設計充填濃度選擇為80%，其相應的微粉滲入比與強度關系可通過回歸方程得到：

分別設灰砂比為1:4，1:6，1:10和1:15繪制微粉滲入比和抗壓強度的關系曲線，如圖1所示。

相應的，選擇充填質量濃度80%、70%、60%，可得到圖1不同濃度下試件強度與微粉滲入比的關系。

圖1 不同濃度下試件強度與微粉滲入比的關系

由圖1可知，當微粉摻入比越大時，充填體的抗壓強度越大，在實驗參數取值范圍內，當料漿濃度較低的時候，充填體的抗壓強度隨微粉摻入比的增大，強度提高更快。

2.3.2 設計微粉滲入比時不同充填濃度下灰砂比與強度關系

若設計微粉滲入比為10%，其相應的灰砂比與強度關系可通過回歸方程得到：

分別設質量濃度為65%,70%,75%和80%時，繪制灰砂比與強度關系圖，如下圖2不同微粉比下試件強度與灰砂比的關系所示。

圖2 不同微粉比下試件強度與灰砂比的關系

從以上關系可以看出，當灰砂比小于0.15左右時，強度增長呈近似線性關系，增長較快；當大于0.15左右后，增長速率變緩，且呈非線性關系；當灰砂比大于某一值后，強度還會出現負增長，并且料漿濃度越小，強度負增長的現象越明顯，其中的機理尚不清楚，可能與微粉與水泥的交互作用有關。根據這個實驗結果，混合使用微粉和水泥的時候，灰砂比應該選用不大于0.15（即小于1:7）。

2.3.3 設計灰砂比時不同微粉摻入比下的充填濃度與強度關系

若設計灰砂比為0.05，其相應的充填濃度與強度關系可通過回歸方程得到：

分別設微粉摻入比為15%，20%，25%和30%時，繪制充填濃度與強度關系圖，如圖3不同灰砂比下試件強度與充填濃度的關系所示。

從圖3分析，當充填濃度大于70%左右后，強度增長加快，所以在不考慮輸送等其它條件情況下，應盡量選擇大于70%的充填濃度。

圖3 不同灰砂比下試件強度與充填濃度的關系

3 全尾砂正交配比試驗分析結論

（1）通過二次回歸正交試驗，建立了充填體強度與質量濃度、灰砂比和微粉摻入比關系的回歸方程式(2.3)；回歸擬合效果好，具有預測意義；

（2）實驗表明良礦全尾砂膠結充填性能良好，在全部15組正交配比和1組對比實驗中，試塊的平均抗壓強度最小也有2.2Mpa（第8組配比：料漿濃度60%，灰砂比1:20，微粉摻入比10%）；試塊的平均抗壓強度最大可達22.5Mpa（第1組配比：料漿濃度80%，灰砂比1:4，微粉摻入比30%）；

（3）根據強度試驗結果，在實驗參數取值范圍內，充填體的抗壓強度與微粉摻入比基本呈正比線性關系；當料漿濃度較低的時候，充填體的抗壓強度隨微粉摻入比的增大，強度提高更快；第15組配比（料漿濃度70%，灰砂比1:6.67，微粉摻入比20%）試塊平均抗壓強度為10.7Mpa，比對比組（第16組）的平均抗壓強度2.8Mpa增長了282%，但合理的微粉摻入比需考慮經濟性要求后再確定；

（4）在實驗參數取值范圍內，當灰砂比小于0.15左右時，強度增長呈近似線性關系，增長較快；當大于0.15左右后，增長速率變緩，且呈非線性關系；當灰砂比大于某一值后，強度還會出現負增長，并且料漿濃度越小，強度負增長的現象越明顯，其中的機理尚不清楚，可能與微粉與水泥的交互作用有關。根據這個實驗結果，混合使用微粉和水泥的時候，灰砂比應該選用不大于0.15（即小于 1:7）。

（5）質量濃度對充填體的抗壓強度影響最明顯，在實驗參數取值范圍內，充填體強度隨著質量濃度的增加而快速增加，綜合考慮良礦情況建議充填料漿的濃度取68%~72%。