礦山施工過程膏體充填性能因素分析

荊曉東，桑來發，楊紀光

（山東黃金礦業科技有限公司充填工程實驗室分公司，山東 煙臺 261441）

近些年中我國礦產資源的可開采量有不斷減少的趨勢，礦產開采階段容易發生地表塌陷與生態環境破壞等問題，據記載當下國內采礦沉陷區面積已達到20000km2。礦山內填充開采時應用充填材料去置換礦產資源，能有效控制覆巖沉降問題、減少地表位移量，以上是應對當下礦山開采環境問題、處理“三下”壓礦現象、提升資源利用效率、減少開采費用的有效方法之一[1，2]。在現實生產中，應科學調整填充材料內各指標之間的關系，設定科學的配比并兼顧經濟性，促進該項技術推廣過程。

1 設計試驗方案

本課題開展了均勻試驗，選擇普通32.5均勻試驗、某礦山電廠粉塵和二級破碎矸石作為原材料。

1.1 確定試驗指標、因素和水平

對膏體性能形成影響的因素較多，包括矸石、粉塵灰與水泥的含量以及膏體自身的質量濃度。本試驗選擇了三個因素[A(粉塵：水泥)：B(矸石：水泥)與C（質量濃度）]。結合既往總結的配比試驗，以上三項試驗因素的取值范圍分別是2～8、4～10、71%～78%[3]。本試驗設計時應用了混合水平方式，因素A、B、C分別取7、7、4個水平。

1.2 編制試驗方案

使用統一設計軟件中的混合層次設計形式，制定了合適的測試計劃。見表1所示。選擇的均勻設計表是U28（7×7×4），設計偏差（D）為0.2454。具體設計方案如下[4]：準確稱出所需量的水泥、粉塵和廢石，放入攪拌機中繼續干燥3分鐘，加入所需量的水攪拌2分鐘，由攪拌機導出料漿后，快速檢測其塌落度與分層度，而后把料漿導入標準三聯試模（7.06cm×7.06cm×7.07cm），安放在養護箱中進行管養，抵達設計溫度后檢測膏體的初終凝時間，管養到規定齡期后提拿出來，使用壓縮試驗機測定不同年齡的單軸抗壓強度值。部分試驗結果見表2[5]。

表1 膏體配比設計方案表

表2 部分試驗結果統計表

2 分析不同因素對膏體塌落度形成的影響

2.1 礦山下粉塵含量

參考試驗結果的統計，構建了具有含塵和灰分含量的漿體不同質量濃度的沉降數值分析。對上表進行分析后發現，在質量濃度等同時，膏體的塌落度大小和粉塵含量之間呈正相關性，主要原因是加入粉塵后，脈石顆粒之間的摩擦力減弱，漿液流動性增加。當質量濃度不同時，粉塵和灰分含量對漿體坍落度的影響較大，質量濃度越高，粉塵和灰分含量越高，漿體坍落度會顯著增加。粉塵和灰燼對高濃縮污泥的形成影響很大。

2.2 質量濃度

伴隨料漿質量濃度的提升過程，膏體的塌落度不增反減，相比之下，懸浮液的高質量稠度對沉積物的形成有更大的影響。膏體輸送介質的坍落度應>20cm，根據統計試驗結果，質量濃度為71%，75%滿足試驗要求。

2.3 粉塵灰含量、質量濃度

伴隨粉塵灰含量的增多，膏體的分層度優逐步減少的趨勢，對其成因進行分析，主要是由于粉塵和灰分的比表面積增加，其屈服點和塑性粘度都比較高[6]。

伴隨質量濃度的增加，膏體料漿的分層度有逐步降低的趨勢，和高質量濃度粉塵灰相比，低質量濃度形成的影響較大。

這就意味著通過提升粉塵灰含量，這可以顯著提高漿料的流動性，從而降低分層程度。結合膏狀填充介質對分層程度的要求，一般要求分層程度小于2cm，綜合測試結果，質量濃度為75%時，達到最佳效果。

2.4 凝結時間變化規律

膏體凝結時間對礦山充填作業效果形成的影響是十分顯著的，但是針對膏體的凝結時間，迄今為止當下國內外尚未制定統一的檢測標準。實踐中，可以參照檢測純水泥凝結時間的方法去測定，維卡儀的檢測結果能較好的滿足礦山生產的現實要求[7]。

綜合分析后，不難發現，水泥含量和漿體的固有質量濃度對凝結時間的形成有明顯的影響。當質量濃度一定時，伴隨膠結材料含量的增加，膏體的凝結時間有短縮趨勢，這主要是因為當粘合劑含量較高時，在初始階段會形成更多的水化產物，進而短縮了凝結時間。

2.5 單軸抗壓強度變化規律

決定漿體單軸抗壓強度的因素并不是唯一的：比較常見的是水泥含量、粉塵含量、質量濃度、骨料級配和特殊養護條件。整體分析試驗結果后，發現和粉塵含量相比較，粘結劑含量對膏體強度的影響較大，當多種因素綜合作用時，很難概括出粉塵含量對膏體強度的影響。在相同質量濃度下，隨著保溫時間的增加，所有試塊的抗壓強度都會隨著水泥含量的增加而增加。

2.6 泌水率改變規律

泌水被定義為當膏體體積已固化，然而，水在凝結前的向上運動通常是由于新混合的糊狀骨料顆粒不能完全吸收混合水造成的。質量濃度、顆粒級配、細粒級含量是影響泌水高低的主要因素[8]。伴隨膏體內細粒級含量的增長過程，出血率有自然下降的趨勢。分析膏體質量濃度對泌水率形成的影響，伴隨膏體的質量濃度的上升，泌水率有規律性的降低。

3 結語

綜合本文的研究數據，不難發現，礦下含塵量是影響漿體沉降和分層的主要因素之一，膠凝材料的含量主要影響凝結時間和抗壓強度。可以選擇因子10作為此實驗的最佳因子。膠結料、粉塵、矸石三者的配比是1：4：6，質量濃度選定為75%。

基于本試驗研究形成的最佳配比，被成功用于某金礦膏體充填現場、鑒于膏體充填材料構成成分復雜多樣的現狀，不同類型矸石的膠結含量存在差異，新灰和老灰兩者持有的活性有差異，外加環境溫度、空氣相對濕度形成的影響，推測配比試驗僅能對現場作業過程形成一定指導作用，各次充填前要遵照現配制、再填充的規則，進而將充填物料的實用價值充分發揮出來。