尾砂膠結充填體孔隙水特征探索試驗研究

彭嘯鵬，郭利杰，楊小聰，陳鑫政

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

尾砂充填采礦以選礦尾砂為骨料，將其回填至井下采空區，可以有效解決礦山尾礦排放與堆存的問題，因此得到了越來越廣泛的應用[1]。在實際充填過程中，尾砂被制備成充填料漿后，將通過管道輸送至待充填區域，為保證充填料漿的輸送性能，料漿中往往含有大量水分，使充填物料處于過飽和狀態，懸浮于料漿中進行輸送。進入采場后，料漿中的水分將部分以孔隙水的形式仍留存于物料中，這部分孔隙水將對養護形成的充填體的各項性質造成影響。LI等[2]、徐文彬等[3]通過對充填體養護過程中的電阻率進行測試，發現膠凝材料水化產生的離子將在孔隙水中發生運移，且運移過程越頻繁，充填體電阻率越小，水化反應越劇烈，充填體早期強度最高。由于充填物料處于過飽和狀態，充填體形成過程中孔隙水的多少也會直接影響充填體孔隙體積的大小。魏微等[4]、鄭娟榮等[5]分別研究了減水劑對尾砂充填體強度的影響，認為減水劑的加入會導致充填體中孔隙水難以排除，增大了孔隙率，進而使充填體強度降低。聶亞林等[6]測試了不同含水率尾砂充填體的強度，發現含水率越高，充填體強度越低，側面論證了孔隙水對充填體強度的影響。除此之外，郭進平等[7]指出孔隙水的存在有利于充填體外部環境中硫離子的溶解與運移，可以造成充填體的硫侵蝕。本文對尾砂膠結充填體的孔隙水特征進行試驗研究，探索并分析充填配比對孔隙水特征的影響，研究結果能夠促進對尾砂膠結充填體的內部結構的認識，為礦山充填實踐提供指導。

1 試驗方案

尾砂膠結充填體中的孔隙水將被膠凝材料的水化作用消耗。分析沉降完成后的物料孔隙水含量與養護后充填體孔隙率間的差異，可得出水化反應引起的孔隙水變化規律，進而對充填體養護過程中的孔隙水特征進行分析。因此，設計不同濃度料漿物料孔隙水含量測試與養護后的充填體孔隙率測試，對比測試的結果，分析養護過程中的充填體孔隙水特征。

1.1 物料性質與充填配比

為突出研究目的，本次試驗固定充填物料的總量，僅將物料中孔隙水量作為變量。采用某礦山全尾砂為試驗骨料，標準PO 42.5水泥為膠凝材料，自來水為試驗用水。其中，全尾砂的化學組成見表1，粒級分布如圖1所示。

表1 全尾砂化學組成Table 1 Chemical compositions of unclassified tailings

圖1 全尾砂骨料粒級分布曲線圖Fig.1 Particle size distribution curve oftotal tailings aggregate

固定物料總質量為700 g(尾砂與水泥)，砂灰比為4(尾砂560 g∶水泥140 g)，通過改變用水量，分別配置濃度為50%、60%、65%、70%和75%的尾砂膠結充填料漿進行泌水量測試。同時，為測試對應濃度充填體的孔隙率，在各濃度料漿孔隙水含量測試完成后，將料漿帶模密封，并置于恒溫恒濕養護箱中養護3 d。料漿和充填體物料用量見表2。

表2 料漿和充填體物料用量表Table 2 Material consumption of slurry and filling body

1.2 充填料漿孔隙水含量測試方法

本文采用專門設計的不同高度尾砂充填料漿泌水量測試模具進行不同濃度配置料漿中孔隙水量測試，測試模具照片如圖2所示，料漿泌水量讀數示意圖見圖3。該模具一側貼有刻度標簽，將料漿充入模具，待孔隙水泌水后，可通過模具刻度讀取得出泌出水高度。此時，模具的直徑已知，利用該直徑與測試所得泌水高度，即可計算得出料漿泌水體積。再利用配置料漿的耗水量減去泌水量，可計算得到賦存于充填物料中的孔隙水量。

圖2 尾砂充填料漿泌水量測試模具Fig.2 Test mold for bleeding of tailings backfill slurry

圖3 充填料漿泌水量數示意圖Fig.3 Sketch map of data reading ofbackfill slurry bleeding

1.3 充填體孔隙特征測試

待充填體養護完成后，采用VINCI氦孔隙率測試儀對各濃度充填體進行孔隙率測試。利用該測試儀測試樣品孔隙率的方法按照《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)和《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第1部分：壓汞法》(GB/T 21650.1—2008)的標準[8-9]。其測試原理為在恒溫恒壓條件下儀器向待測試樣中注入氦氣直至飽和，通過測試壓氣壓強，結合波義爾定律公式換算得到待測樣品的孔隙體積。

2 充填物料孔隙水含量與充填體孔隙率特征對比分析

2.1 充填物料孔隙水含量與充填體孔隙率特征分析

根據試驗方案分別測試不同濃度料漿的充填物料孔隙水含量及對應充填體的孔隙率，所得結果見表3。將充填物料孔隙水占比與充填體孔隙率測試結果繪制成對比圖(圖4)，通過對比初始物料中的孔隙水體積占比及養護3 d后的充填體孔隙率，以此分析孔隙水經膠凝材料水化后的變化特征。

表3 充填物料孔隙水含量與充填體孔隙率測試結果Table 3 Pore water content of backfill materials andporosities of cemented backfill samples

圖4 充填物料孔隙水體積占比與充填體孔隙率對比圖Fig.4 Comparison of porous water volume contents ofbackfill materials and porosities of cemented backfill

2.1.1 不同濃度料漿的充填物料孔隙水含量分析

由圖4可知，除75%濃度料漿外，其余濃度料漿中物料的孔隙水體積占比均在50%以上。說明物料完成沉降后，仍有超過一半體積的孔隙水賦存于物料中，隨著料漿初始濃度的提高，物料孔隙水體積占比逐漸減小。75%濃度的料漿物料相較于50%濃度的料漿物料，孔隙水體積占比低16.90%，差異顯著。由于物料始終處于飽和狀態，因此孔隙水體積占比的差異也反映了物料孔隙率的差異。

2.1.2 不同濃度充填體孔隙率特征分析

由圖4可知，各初始濃度料漿經養護后的充填體孔隙率均在40%以上，說明尾砂膠結充填體中的孔隙仍占據了較大的充填體體積。隨著料漿初始濃度的提高，充填體內孔隙率也相應減小，這與物料孔隙水體積占比的變化趨勢相符。但充填體孔隙率的極差值為9.64%，對比物料孔隙水體積占比的極差值降低了近一半。

2.2 充填體孔隙水特征對比分析

由圖4可知，同一濃度的料漿養護后充填體孔隙率均小于初始物料中孔隙水的體積占比。一方面，膠凝材料水化消耗了部分孔隙水；另一方面，水化耗水體積通常大于生成的水化產物體積，導致充填體中產生一定空隙[10-11]，從而產生了體積差異。為定量分析物料孔隙水含量與充填體孔隙率間差異的物理意義，繪制水化前后物料三相比例示意圖如圖5所示。

圖5 水化前后充填物料三相比例變化對比Fig.5 Three-phase changes of backfill materials before and after hydration induced

忽略水化前后的充填體總體積變化并設為VT。水化前物料飽和不包含氣相，孔隙體積與孔隙水體積相等，孔隙水體積占比計算公式見式(1)。

(1)

式中：nw為物料孔隙水體積占比，%；Vw1為物料孔隙水含量，mL。

設水化總耗水為Vh，充填體孔隙率為nv，兩者的關系見式(2)～式(4)。

(2)

Vw1=Vw2+ΔVs+Va

(3)

Vh=ΔVs+Va

(4)

式中：Va為膠凝材料水化導致充填體內出現的空隙體積，mL；ΔVs為水化引起固相增量，mL；Vw2為充填體的孔隙水含量體積，mL；Vv為充填體的非固相總體積，mL。

聯立式(1)～式(4)，可換算出物料孔隙水含量與充填體孔隙率間差值的計算公式見式(5)。

(5)

由式(5)可知，nw-nv定量表征膠凝材料水化耗水量與空隙體積的差值占總體積的比率，根據測試結果，繪制其差值隨初始料漿濃度的變化關系，如圖(6)所示。

圖6 充填物料孔隙水體積占比與充填體孔隙率差值隨料漿濃度變化趨勢圖Fig.6 Concentrations induced differences betweenporous water volume contents of backfill materialsand porosities of cemented backfill

由圖6可知，nw-nv隨料漿濃度的提高而降低。由于本次試驗設置充填物料量以及水泥添加量為定量，即不同濃度充填料漿的物料總量均為700 g(尾砂560 g∶水泥140 g)，僅設置充填用水量為變量，此時料漿中的充填水量均遠大于膠凝材料完全水化所需水量。由此可認為各濃度充填料漿水化總耗水均相等，物料孔隙水體積占比與充填體孔隙率差異主要由空隙體積差異決定。因此可得，料漿濃度越高，膠凝材料水化產生的空隙體積越大。由于濃度越高，充填體孔隙率小，使得孔隙中水分的運移受到阻礙，導致水化反應產生的空隙難以被有效充填，因此空隙體積更大。

上述結論是基于水化總耗水量相等的前提，今后仍有待進一步的定量測試充填體真實水化耗水量，更準確地揭示尾砂膠結充填體水化過程的孔隙水特征變化。

3 結 論

1) 全尾砂膠結充填料漿泌水后仍有超過50%體積占比的孔隙水賦存于物料內，且其含量與料漿濃度呈反比，不同濃度料漿中物料孔隙水體積占比極差值達16.9%，差異顯著。

2) 受膠凝材料的水化作用影響，養護后的充填體孔隙率均小于對應濃度的物料孔隙水體積占比，測試所得不同濃度充填體孔隙率的極差值為9.64%，相比物料孔隙水體積占比的極差值降低了近一半。

3) 水化前后對充填物料固液氣三相比例定量分析可知，料漿初始濃度越高，水化后充填體孔隙率越小，孔隙中水分運移受到阻礙，導致水化反應產生的空隙難以被有效充填，造成空隙體積較低初始濃度料漿較大。