羅河鐵礦全尾砂膠結充填配比優化試驗研究

李志朝 王 劍 郟 威 張敏哲 彭青松 王 勇

（1.安徽馬鋼羅河礦業有限責任公司，安徽 合肥 230000；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

充填采礦法具有貧損率低、安全且環保等優點，被廣泛運用于各類地下礦山［1-5］。充填配比優化是充填工藝重要研究內容之一，不僅影響采空區的安全，而且對充填成本具有決定性作用［6-7］。為降低羅河鐵礦的充填成本，研究開展充填材料配比優化試驗。

針對充填配比優化，國內研究學者做了大量研究：洪訓明等［8］采用正交實驗設計和極差分析方法，研究料漿濃度、灰砂比、養護齡期三因素對充填體抗壓強度的影響并進行顯著性檢驗，并研究料漿濃度對坍落度的影響，結果表明:料漿濃度70%、灰砂比1∶6、養護齡期28 d為最佳方案（成本最低），影響充填體強度的顯著性因素依次為養護齡期＞料漿濃度＞灰砂比；陳鑫政等［9］采用正交試驗開展了充填配比方案優化研究，試驗以充填料漿質量濃度、灰砂比和細砂含量作為影響因素，以試塊28 d單軸抗壓強度、充填料漿泌水率和充填料漿擴散度作為試驗指標，運用極差和方差分析法分析影響因素對試驗指標影響的敏感性和顯著性；王新民等［10］采用正交試驗設計法進行充填配比優化試驗，得到灰砂質量比、固相質量分數和溫度3個因素對充填體28 d抗壓強度、泌水率、塌落度和初凝時間等4個評價指標的敏感程度，以及各指標隨各因素的變化趨勢，并以此確定了最優的配比參數。本研究針對羅河鐵礦充填料漿濃度波動大，充填料漿灰砂比等關鍵指標難以控制，并最終影響充填體質量等問題，開展羅河鐵礦全尾砂膠結充填配比優化試驗。

1 充填材料物理化學性質

1.1 全尾砂物理化學性質

采用X射線熒光光譜分析法對全尾砂的化學成分進行分析，并采用標準四分縮分法取樣對全尾砂的物理參數進行測定，經檢測全尾砂密度為3.01 g/cm3，容重為1.64 g/cm3，孔隙率為45.66%，全尾砂的主要化學成分為SiO2、CaO和Fe2O3，且含S量為7.49%，S含量偏高會對充填體試塊強度造成不利影響。試驗結果如表1所示。

根據表1全尾砂中氧化物比例，其堿性系數M0=ω（CaO+MgO）/ω（SiO2+Al2O3）=0.92＜1，說 明 試驗所用尾砂為酸性尾砂；尾砂中的活性系數Ma=ω（Al2O3）/ω（SiO2）=0.29，說明該尾砂屬于低活性材料，適合做充填骨料。

由于全尾砂的粒級組成對充填體的強度質量具有重要意義，本次試驗采用TopSizer激光粒度分析儀對全尾砂的粒級組成進行測試，分析結果如圖1所示，根據分析結果得出：全尾砂-20 μm占比33.7%，-74 μm占比59.87%，屬于細粒級尾砂［11］，d10為 4.298 μm，d30為 20.884 μm，d50為 50.333 μm，d60為74.370 μm。全尾砂粒級組成不均勻系數為17.30，曲率系數為1.36。可以看出，全尾砂的粒級分布均勻，級配良好，密實程度較好。

根據礦山的生產經驗，當全尾砂料漿中-25 μm的顆粒含量大于25%時，具有較好的穩定性和輸送性。由分析結果可知羅河鐵礦全尾砂符合要求，可通過合理配比，在滿足強度要求的同時，提高料漿的輸送效果。

1.2 膠固粉物理化學性質

采用X射線熒光光譜分析對膠固粉化學成分進行分析，同樣采用標準四分縮分法取樣對膠固粉的基本物理參數和粒級組成進行測定。結果表明，膠固粉密度為2.63 g/cm3，容重為1.27 g/cm3，孔隙率為51.69%，膠固粉的主要化學成分為CaO、SiO2和Al2O3，其中CaO占比最大，對充填體強度有利，膠固粉-74 μm占比92.38%，膠固粉顆粒粒度細。試驗結果如表2、表3所示。

2 試驗方案設計

羅河鐵礦充填站目前采用充填濃度63%～65%、灰砂比1∶10和1∶16的全尾砂充填料漿自流輸送至采空區回填，為探索羅河鐵礦全尾砂膠結充填的最佳配比，降低充填材料成本，取充填站深錐濃密機底流處全尾砂作為充填骨料進行配比試驗，膠結材料為充填站現用的膠固粉，以1∶6、1∶10、1∶16和1∶20的灰砂比，66%、68%、70%和72%的料漿質量濃度進行試驗。設計的試驗內容有：①流動性試驗；②流變試驗；③配比試驗。

2.1 流動性試驗分析

采用上口直徑10 cm，下口直徑20 cm，高度30 cm的錐型塌落度筒進行流動性試驗，同時記錄料漿塌落度和擴展度數據，如表4所示。根據試驗數據繪制塌落度曲線，如圖2所示。并以料漿質量濃度為x，塌落度為y對其進行擬合，從擬合結果來看，4個公式的相關性系數（R2＞0.98＞0.8）擬合度均較好，擬合結果如表5所示。

由表4及圖2可知：塌落度和擴展度變化規律一致?；疑氨纫欢〞r，塌落度（擴展度）與質量濃度呈正比關系；質量濃度一定時，塌落度（擴展度）隨灰砂比的增大而增大，這與常規規律相違背，主要原因是該膠固粉中添加了表面活性物質，能夠提高料漿的流動性。

2.2 流變試驗分析

采用Brookfield R/S plus型流變儀，配備規格v40-20的漿式轉子對不同配比條件下的屈服應力和粘度進行測試，得到不同配比條件下剪切速率和剪切應力的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，羅河鐵礦全尾砂膠結充填料漿的剪切應力與剪切速率呈線性關系，滿足Bingham模型：

式中，τ為剪切應力，Pa；τ0為動態屈服應力，Pa；μp為表觀黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。采用Bingham模型對不同配比條件下的流變數據進行擬合，擬合結果如表6所示。

由表6可知，當質量濃度為66%～68%時，料漿的屈服應力均在100 Pa以內，此時充填料漿流動性較好，滿足自流輸送的要求。

2.3 強度配比試驗分析

參照建筑砂漿抗壓強度試驗方法，配比試驗主要是在實驗室內制作不同配比的膠結試塊，并測定養護齡期分別為3 d、7 d和28 d試塊的單軸抗壓強度。試驗采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準三聯模型澆模，脫模后采用標準養護箱養護，養護溫度保持在20±2℃，相對濕度為95%。采用HYE-100型微機電液伺服壓力試驗機測定試塊的單軸抗壓強度，每個齡期取3個試塊測定其強度，最終的強度為3個試塊強度的平均值。強度測試結果如表7所示。

3 充填配合比建議

根據流動性及流變試驗結果，全尾砂膠結充填自流輸送的塌落度一般在23～28 cm之間［12-13］，充填料漿屈服應力100 Pa以下，以及礦山對充填體一步驟強度要求28 d大于2.2 MPa，二步驟要求28 d大于0.5 MPa，可推薦一步驟充填濃度為68%，灰砂比為1∶10，二步驟充填濃度68%，灰砂比1∶16，具體參數如表8所示。

4 結 論

（1）羅河全尾砂-20 μm顆粒含量為33.7%，滿足全尾砂膠結充填-25 μm顆粒含量的要求，可以通過合理配比，在滿足強度要求的同時，提高料漿的輸送效果。

（2）羅河充填站現用膠固粉中添加了表面活性物質，能夠提高料漿的流動性，從而導致灰砂比越大，料漿的流動性越好。

（3）經過配比優化試驗，羅河鐵礦充填濃度由原來的63%～65%提高到68%，羅河鐵礦一步驟推薦充填濃度68%，灰砂比為1∶10，二步驟推薦充填濃度為68%，灰砂比為1∶16。