不同骨料類型對充填體強度性能的影響及配比優化

戚 亮 李 崢 黃彥森

(1.黃河水利職業技術學院教師工作部,河南 開封 475004;2.黃河水利職業技術學院土木與交通工程學院,河南 開封 475004;3.貴州大學土木工程學院,貴州 貴陽 550025;4.貴州省巖土力學與工程安全重點實驗室,貴州 貴陽 550025)

充填采礦法安全、經濟、環保等優勢顯著,已經得到業內高度關注,逐漸成為礦山企業深部礦體回采的首選方法[1-3]。充填采礦的基本思路是將固料、水泥和水制備成具有良好強度和流動性能的膠結體,經過管道輸送充填采空區,從而達到置換礦體的目的[4]。因此,充填體的強度決定著其能否順利置換充填體,而充填體強度受骨料類型、膠結劑種類和含量等諸多因素的影響,如何有效提高充填體強度,并且降低采礦成本成為業內關注焦點[5]。目前,國內許多學者針對充填強度及配比參數設計開展了諸多的研究工作。金愛兵等[6]開展了含復合相變材料的充填體力學特性研究,指出復合相變材料的摻入能夠提高充填體的強度;侯永強等[7]開展了聚丙烯纖維增強尾砂膠結充填體力學及流動性能的研究工作,認為摻入適量的纖維能夠提高充填體的強度,但會對料漿的流動性能產生不利的影響;李召峰等[8]開展了不同水飽和度充填體力學性能及損傷機制研究,認為含水率的增加會對充填體的強度產生不利的影響;趙康等[9]進行了纖維增強超細尾砂充填體微觀破壞機制研究,認為摻入適量的纖維能夠改善充填體的內部微觀結構,進而有助于提高充填體的宏觀強度;胡亞飛等[10]開展了基于響應面法—滿意度準則的充填體強度發展與優化分析,指出因素間的交互作用也能夠對充填體強度產生顯著的影響;吳凡等[11]開展了全尾砂膠凝材料配比正交試驗及其充填體強度模型的研究,建立了養護齡期與其強度的雙曲線函數關系,并揭示了隨齡期增長強度先增加后趨于穩定的規律;侯永強等[12]研究了沖擊荷載作用下全尾砂膠結充填體的能耗特征與損傷特性,認為充填體動態抗壓強度、單位體積吸收能和單位質量破碎耗能隨著平均應變率的增加均呈指數函數遞增規律;王永巖等[13]開展了不同水泥膠結充填體的壓縮性能試驗研究,得出對膠結充填體抗壓強度的影響程度順序為水泥類型＞齡期＞灰砂比＞質量濃度,以P·O 52.5 水泥作為膠結劑的充填體其強度最大,以P·S 32.5 水泥為膠結劑的充填體其強度最小;盧宏建等[14]開展了某金礦全尾砂充填材料影響因素及配比優化研究,認為尾砂級配及水泥含量對充填體強度具有顯著的影響。上述成果分析充填體的強度變化特征及材料的配比參數設計具有一定的參考意義,但目前有關骨料的種類對充填體強度影響的分析較為薄弱。本研究通過分析不同骨料類型下充填體強度性能,并結合礦山的強度指標要求對充填體配比參數進行優選,為礦山充填材料參數設計提供有益參考。

1 試驗材料及方案設計

本次試驗采用的材料主要為全尾砂、廢石、河沙及水泥,其中尾砂、廢石及河沙作為充填骨料,水泥作為膠結材料。試驗材料的化學成分組成見表1。

表1 試驗材料的化學成分Table 1 Chemical composition of test materials %

由表1 可知:骨料間的化學成分具有一定的差異,但都主要由SiO2組成,不具備活性,能夠作為充填骨料進行使用。具體的試驗方案為:開展的充填體強度試驗包含濃度、灰砂比、粗骨料含量和養護齡期4 個因素。濃度、灰砂比和粗骨料含量根據礦山最常用的參數上下浮動,如目前某礦山充填濃度為76%,則質量濃度設置74%、76%、78%、80%共4 個水平。根據現場使用情況,灰砂比設置1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8和1 ∶10 共4 個水平。粗骨料含量(粗骨料等質量取代尾砂量)設置5%、10%、15%和20%共4 個水平。每組配比分別進行4、7、28 d 強度測試,每個齡期測試3個試塊。試驗共開展全尾砂+水泥膏體、全尾砂+河沙+水泥、全尾砂+廢石+水泥的3 種類型的充填體強度試驗,均采用正交試驗設計。

2 試驗結果與分析

2.1 全尾砂膠結充填體強度變化特征

全尾砂+水泥膏體為2 因素4 水平,此時正交試驗設計實際也是全面試驗設計。不同料漿濃度下,充填體7、14、28 d 強度與灰砂比的關系如圖1、圖2所示。不同灰砂比下,充填體7、14、28 d 強度與料漿濃度的關系如圖3、圖4所示。本研究為方便后續數據處理,將灰砂比取倒數后變為砂灰比。

圖1 砂灰比為4和6 的充填體強度與料漿濃度的關系Fig.1 Relationship between backfill strength and slurry concentration with the sand-cement ratio of 4 and 6

圖2 砂灰比為8和10 的充填體強度與料漿濃度的關系Fig.2 Relationship between backfill strength and slurry concentration with the sand-cement ratio of 8 and 10

圖3 濃度為74%和76%的充填體強度與砂灰比的關系Fig.3 Relationship between strength of filling body with 74% and 76% concentration and sand-cement ratios

圖4 濃度為78%和80%的充填體強度與砂灰比的關系Fig.4 Relationship between strength of backfill with 78% and 80% concentration and sand-cement ratios

由圖1、圖2 可知:充填體的抗壓強度與料漿濃度大致呈正相關,即濃度越大充填體強度也越大。當砂灰比為4 時,隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養護時間為3、7、28 d 的強度分別提升了163%、161%及127%;當砂灰比為6 時,隨著料漿濃度從74%增加至80%,充填體在養護時間為3、7、28 d 的強度分別增加了183%、175%及132%;當砂灰比為8時,隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養護時間為3、7、28 d 的強度分別增加了187%、179%及135%;當砂灰比為10 時,隨著料漿濃度由74%增加至80%,充填體在養護時間為3、7、28 d 的強度分別增加了140%、185%及138%。因此,料漿濃度增大能夠更有利于大幅度提高充填體的早期抗壓強度,并且濃度的增加更有利于改善砂灰比較大的充填體強度。此外,當砂灰比不變時、料漿濃度為74%～76%時,充填體抗壓強度增長較小,而在濃度超過76%后,充填體強度增幅較大,說明礦山在提高料漿濃度改善充填體強度時,濃度宜超過76%。分析圖3和圖4 可知:充填體的強度與砂灰比呈負相關關系,砂灰比的增大會促使充填體強度降低,說明砂灰比增大會對充填體強度產生不利影響。

2.2 全尾砂—河沙膠結充填體強度變化特征

全尾砂—河沙的膠結充填體的單軸抗壓強度分布如圖5所示,極差分析結果見表2。

圖5 全尾砂—河沙的膠結充填體的單軸抗壓強度分布Fig.5 Distribution of the uniaxial compressive strength of cemented backfill with unclassified tailings and river sand

表2 全尾砂—河沙充填體強度的極差分析結果Table 2 Range analysis results of strength of backfill body with unclassified tailings and river sand

由圖5 可知:充填體抗壓強度與養護時間呈正相關關系,隨著養護時間增大,充填體強度表現出逐漸增大的趨勢。通過表2 可知:尾砂河沙膠結充填體抗壓強度與砂灰比、料漿濃度及河沙含量具有顯著的聯系,并且三因素對充填體強度的極差值也具有顯著的差異。結合極差值的變化特征可知,三因素對充填體3 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;三因素對充填體7 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;三因素對充填體28 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量。因此,對于尾砂+河沙充填體抗壓強度而言,砂灰比的影響最大,料漿濃度次之,河沙含量的影響最小。同時,結合表2 的極差分析,繪制了充填體抗壓強度與因素間的變化特征曲線如圖6所示。由圖6 可知:尾砂河沙膠結充填體強度均隨著砂灰比的增大而降低,并且隨著養護時間的增大其抗壓強度的降幅也隨之增大,說明砂灰比的增大對充填體后期強度的不利影響更為嚴重;料漿濃度的增大能夠顯著提高尾砂+河沙膠結充填體強度,并且養護時間越長其強度提升越大;河沙含量的增大也有利于提高充填體的3 d 及7 d 強度,但是在28 d 時,河沙含量超過15%后會對充填體強度產生不利影響。

圖6 全尾砂—河沙的膠結充填體抗壓強度與因素間的關系Fig.6 Relationship between compressive strength and factors of cemented backfill with full tailings and river sand

2.3 全尾砂—廢石膠結充填體強度變化特征

全尾砂+廢石的膠結充填體的單軸抗壓強度分布如圖7所示,極差分析結果見表3。

圖7 全尾砂—廢石的膠結充填體的單軸抗壓強度分布Fig.7 Distribution of uniaxial compressive strength of cemented backfill with unclassified tailings and waste rock

表3 全尾砂—廢石充填體強度的極差分析Table 3 Range analysis of strength of unclassified tailings-waste rock filling body

由圖7 可知:充填體抗壓強度與養護時間呈正相關關系,隨著養護時間增大,充填體強度表現出逐漸增大的趨勢。通過表3 可知:尾砂廢石膠結充填體抗壓強度與砂灰比、料漿濃度及廢石含量具有顯著的聯系,并且三因素對充填體強度的極差值也具有顯著的差異。結合極差值的變化特征可知,三因素對充填體3 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;三因素對充填體7 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;三因素對充填體28 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量。因此,對于尾砂廢石充填體抗壓強度而言,砂灰比的影響最大,料漿濃度次之,河沙含量的影響最小。同時,結合表2 的極差分析,繪制了充填體抗壓強度與因素間的變化特征曲線如圖8所示。由圖8 可知:尾砂廢石膠結充填體強度均隨著砂灰比的增大而降低,并且隨著養護時間的增大其抗壓強度的降幅也隨之增大,說明砂灰比的增大對充填體后期強度的不利影響更為嚴重;料漿濃度的增大能夠顯著提高尾砂河沙膠結充填體強度,并且養護時間越長其強度提升得越高;廢石含量的增大也有利于提高充填體的3 d 及7 d 強度,但是在28 d 時,非石含量超過15%后會對3 d和7 d 強度產生不利影響。

圖8 全尾砂—廢石的膠結充填體抗壓強度與因素間的關系Fig.8 Relationship between compressive strength and factors of cemented backfill with unclassified tailings and waste rock

2.4 基于坍落度與強度的配比參數優化

某礦山3、7、28d 抗壓強度的技術要求為3d 強度MPa、7 d 強度 MPa、28 d 強度MPa。采用全尾砂作為骨料進行充填時,砂灰比應為4 ～6、料漿濃度應為74%～78%,該參數范圍下充填體強度滿足要求;采用全尾砂—河沙作為充填骨料時,砂灰比應為4 ～6、料漿濃度為74%～78%及河沙摻量為5%～20%,該參數范圍下充填體強度均滿足要求;采用全尾砂—廢石作為充填骨料時,在砂灰比4 ～6、料漿濃度78%～80%及廢石含量10%～15%的條件下,充填體強度均滿足要求。然而,礦山進行充填體配比參數設計時,不能僅考慮強度而忽視流動性能[14],因此本研究進一步在充填體強度指標選出的因素水平下開展了料漿的流動性能測試,不同影響因素下3 類骨料膠結充填料漿的坍落度測試結果如圖9所示。

圖9 不同影響因素下3 類骨料膠結充填料漿的坍落度測試結果Fig.9 Slump test results of three types of aggregate cemented filling slurry under different influencing factors

根據膏體充填的相關技術要求,坍落度一般為25～28 cm[15-16],對全尾砂作為骨料時的料漿進行流動性能測試,發現料漿濃度為78%時,料漿的坍落度為23 cm,低于28 cm,因此采用尾砂作為骨料時,料漿濃度宜低于78%。同理,對全尾砂—河沙膠結充填料漿進行流動性能測試,發現料漿濃度為78%時,河沙的含量有必要高于10%,否則,料漿的坍落度會低于25 cm;采用尾砂—廢石作為充填骨料時,料漿濃度高于78%時,料漿的流動性能無法達到膏體充填的技術要求。綜合上述比較結果及礦山充填采礦成本,建議采用尾砂—廢石作為充填骨料,相關參數為灰砂比1 ∶6,料漿濃度76%,廢石含量10%～15%,該配比參數下充填體強度及流動性能均符合相關技術要求,并且可以有效解決礦山固體廢棄物的堆存問題。

3 結 論

(1)采用全尾砂作為充填骨料時,砂灰比的增大會降低充填體強度,而料漿濃度的增大能夠提高充填體的抗壓強度,并且濃度的增加更有利于改善充填體的早期抗壓強度。此外,采用全尾砂—河沙作為充填骨料時,參數最優取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度74%～78%及河沙摻量5%～20%。

(2)采用尾砂—河沙作為充填骨料時,三因素對充填體3、7、28 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞河沙含量;砂灰比的增大會降低充填體尾砂+河沙膠結充填體強度,濃度的增大有利于提高充填體強度。采用全尾砂—河沙作為充填骨料時,參數最優取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度74%～78%及河沙摻量5%～20%。

(3)采用尾砂—廢石作為充填骨料時,三因素對充填體3、7、28 d 抗壓強度的影響程度為砂灰比＞料漿濃度＞廢石含量;砂灰比的增大會降低尾砂+廢石膠結充填體強度,而濃度的增大有利于提高充填體強度。采用全尾砂—廢石作為充填骨料時,參數最優取值為砂灰比4 ～6、料漿濃度78%～80%及廢石含量10%～15%。

(4)綜合充填體強度及坍落度的測試結果,建議采用尾砂—廢石作為礦山充填骨料,配比參數可設計為灰砂比1 ∶6、料漿濃度76%、廢石含量10%～15%。該配比參數下充填體強度及流動性能均符合充填開采的相關技術要求,并且有助于解決礦山固體廢棄物的堆存問題。