全尾砂膠結充填材料流動性和強度改性研究

中圖分類號：TD853.34文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2025）08-0024-05

doi：10.11792/hj20250805

引言

尾砂膠結充填是將尾砂、膠結料混合后加水拌合成充填料漿經管道運送至采空區[1-2]。該技術能夠大規模處理金屬礦山開采過程中產生的大量尾砂固廢，減少堆存造成的環境污染；還可改善地下采場圍巖的穩定性[3]。同時，硬化的膠結充填體作為一種支承結構可以管理采場周邊的地壓，防止圍巖崩落和地表沉降，提高井下開采的安全性和效率[4]。此外，尾砂膠結充填顯著改善了采場圍巖的穩定性，為礦柱回收提供了有利條件，提高了資源回收率，增加了礦山的經濟效益[5]。

流動性和強度是影響充填質量和效率的2個重要指標。國內外學者在充填料漿流動性和充填體強度改性方面開展了較多的研究。例如：OUATTARA等研究了減水劑類型和摻量對高濃度尾砂膠結充填料漿流變參數改善效果。JIANG等7研究了不同礦物外加劑（礦渣、粉煤灰和硅灰）下充填料漿流變和觸變參數及其時變規律。唐志新等8發現摻入礦渣不僅可以改善漿體的流動性，而且能夠大幅度提高充填體強度。白麗偉等研究發現養護溫度會對膠結充填體試件的強度產生顯著影響，養護溫度越高，充填體試件強度越高。

為了同時提高充填料漿的流動性和充填體強度，本文研究了復合外加劑（主要為液體硅酸鈉和減水劑等）的摻入對（下稱\"二道溝金礦”全尾砂膠結充填材料流動性和強度的改善效果，分析了灰砂比、料漿濃度及養護齡期對復合外加劑改善程度的影響，相關研究成果能夠為提高充填質量、降低充填成本提供一種新思路。

1充填料物化特性

1. 1 全尾砂

1. 1. 1 物化性質

采用激光粒度儀對二道溝金礦全尾砂進行了級配分析，結果如圖1和表1所示。由圖1和表1可知：全尾砂中 -20μm 粒級占比 28.77% ，不均勻系數 C_u 和曲率系數 C_c 分別為63.94和1.47。采用容量瓶法和定容稱量法測得全尾砂密度和松散密度分別為 2.81g/cm³ 和 1.39g/cm³ ，并計算得到其孔隙率為 51.33% 。

采用X射線熒光光譜法對全尾砂化學成分進行了分析，其主要成分為 SiO₂（63.19%）、Al₂O₃（17.71%） 、Fe₂O₃（6.49%） 和 K₂O（5.95%） 。此外，尾砂含硫量低，對膠結料水化影響基本可忽略。

1. 1. 2 沉降特性

利用沉降試驗測試了二道溝金礦全尾砂沉降特性，全尾砂料漿初始濃度為 45% ，以沉降終了時全尾砂沉縮區濃度作為最大沉降濃度。沉降試驗結果如圖2所示。

圖1全尾砂和水泥級配分布曲線

表1全尾砂和水泥主要物理化學性質參數

圖2全尾砂沉降特性曲線

Fig.2 Settling characteristics curve of ungraded tailings

由圖2可知，二道溝金礦全尾砂沉降可大致劃分為3個階段： ① 快速沉降階段，主要發生在試驗的前0.5h 內； ② 緩慢下沉階段，主要對應沉降后 0.5～3.5h ③ 穩定階段，此時沉降已基本結束，測得最大沉降濃度為 64% 。

1.2 膠結料

制備充填料用的膠結料為強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，其主要物理參數和化學成分如圖1和表1所示。

1.3 復合外加劑

本試驗中使用的復合外加劑主要由液體硅酸鈉和減水劑等組成，其用量為水泥的 1.5% 。硅酸鈉模數為2.31，密度為 1490kg/m³，pH 值為12.5。

1.4 拌合水

拌合水為實驗室自來水，其主要物理化學性質如表2所示。

表2拌合水的主要物理化學性質

2 試驗方案

本試驗共包括3個部分，分別為塌落度、流變參數和強度測試，具體試驗方案如表3所示。

表3試驗設計方案Table3Testdesignscheme

3試樣制備、養護及測試方法

3.1 試樣制備與養護

將干尾砂和水泥手工混合均勻，再依次加入復合外加劑和拌合水，采用攪拌機強力攪拌 5min ，形成均質充填料漿[10]。制備好的充填料漿直接用于塌落度和流變參數測試；而對于強度測試，將制備好的料漿裝人 7.07cm×7.07cm×7.07cm 標準三聯試模，養護2～3d進行脫模，脫模后的試塊在標準養護箱中進行養護，養護溫度 （20±1）^°C ，相對濕度 95% 。

3.2 測試方法

3.2.1 塌落度測試

分3次將料漿裝入標準塌落度筒（塌落度筒內部尺寸為：頂部直徑 15cm ，底部直徑 20cm ，高度30cm 中，每次裝入塌落度筒體積的 1/3 。待頂層插搗完后，刮去多余的料漿并用抹刀抹平，最后垂直緩慢提起塌落度筒。

3.2.2 強度測試

利用NYL-300D型壓力試驗機測定其強度，加載速率為 1mm/min 。每齡期取3個試塊進行試驗，取平均值作為該齡期充填體的強度。

4 結果與分析

4.1 塌落度

復合外加劑對全尾砂膠結充填料漿塌落度影響結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知：無論灰砂比大小和是否含有復合外加劑，充填料漿的塌落度都隨著料漿濃度的增加而降低。需要指出的是，當料漿濃度從 62% 升高到 70% 時，塌落度呈緩慢降低；當料漿濃度繼續增加，塌落度出現了快速降低。這表明，① 塌落度與料漿濃度存在非線性關系； ② 料漿濃度越高，提高料漿濃度造成的流動性降幅越大，因此在實際生產中，通過提高料漿濃度來增加充填體強度時，需仔細評估充填料漿的流動性[]。

圖3不同灰砂比下含/不含復合外加劑充填料漿塌落度

圖4含/不含復合外加劑充填料漿塌落度實拍

復合外加劑摻入后料漿塌落度增長率如圖5所示。由圖5可知：無論灰砂比大小，復合外加劑的摻入均可提高充填料漿的流動性，且料漿濃度越高，流動性改善效果愈顯著。此外，灰砂比越高，復合外加劑改善效果愈明顯，這是因為減水劑主要作用于水泥顆粒，而灰砂比越高，水泥含量越高。

4.2 充填體強度

料漿濃度 66% 和 68% 下含/不含復合外加劑充填體強度如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知：無論有無外加劑和灰砂比大小，所有充填體強度均隨齡期的增長而增加。隨著水化反應的持續進行，水化產物數量越來越多，不斷填充尾砂間的孔隙，使得充填體更加致密[12]。灰砂比越高，充填體強度也越高，這是因為灰砂比越高，意味著膠結料含量越高，因此相同齡期內水化產物越多。對比圖6和圖7結果可知，當料漿濃度由 66% 提高至 68% ，所有配比充填體強度均出現了增長。

圖5復合外加劑摻入后料漿塌落度增長率

Fig.5Growth rate of slurry slump after addition of compound additive

無論充填料漿濃度高低、灰砂比大小，復合外加劑的加人均提高了各齡期充填體強度。分析認為，硅酸鈉中水玻璃水解產生的硅酸與水泥水解產生的氫氧化鈣反應生成了難溶于水的水合硅酸鈣，同時還破壞了硅酸三鈣和硅酸二鈣的水解平衡，促進了硅酸三鈣和硅酸二鈣水解（水化），使之在很短的時間內生成大量水合硅酸鈣而凝結成結石體[13-15]。復合外加劑摻入后不同料漿濃度、灰砂比和齡期充填體強度增長百分比如圖8所示。由圖8可知：灰砂比和齡期顯著影響復合外加劑對充填體強度的改善效果，而料漿濃度影響基本可以忽略。在養護早期（3d和7d），復合外加劑對低灰砂比（ 1：10 和1：8）充填體強度改善效果要明顯高于高灰砂比（1：6和1：4）充填體；而在養護后期 （28d） ，復合外加劑對不同灰砂比充填體強度影響差別很小。對于低灰砂比（1：10和1：8）充填體，復合外加劑的早期（3d和7d）增強效果要高于后期（28d）;而對于高灰砂比（1：6和1：4）充填體，增強效果則恰好相反。

圖6料漿濃度 66% 時復合外加劑對不同灰砂比和齡期充填體強度影響Fig.6Efectofcompound additiveon backfillstrength atdiffrent cement-sandratios and curingages （ 66% slurry concentratio

圖8復合外加劑摻入后不同料漿濃度、灰砂比和齡期充填體強度增長百分比

Fig.8Strengthincreasepercentagesofbackfillwithdifferent slurry concentrations，cement-sand ratios，and curing ages after additionofcompoundadditive

為了得到充填體強度影響因素的重要程度，對7d充填體強度結果進行了極差分析，結果如表4所示。由表4可知：影響充填體7d強度的因素主次順序為灰砂比gt;復合外加劑 gt; 料漿濃度。灰砂比、復合外加劑對充填體質量具有較大影響，料漿濃度對充填體質量的影響相對較小。水泥摻量是影響強度極其重要的因素，灰砂比1：15到1：4，其7d強度增長了5倍以上；在其他參數相同的條件下，復合外加劑的摻入對充填體質量影響也非常明顯。因此對于礦山而言，灰砂比、復合外加劑是控制充填體質量的首要因素。

結合配合比試驗結果和經濟比較，達到相同的充填體強度，使用復合外加劑可以大幅降低水泥用量，節省充填成本。

表4充填體7d強度極差分析結果

Table 4Range analysis results of the backfill strength after 7d

5結論

1）測得了全尾砂的粒級分布、密度、松散密度、孔隙率等參數，其主要成分為 SiO₂ 和 Al₂O₃ ，含硫量低。沉降主要發生在前 0.5h 內，在 3.5h 內沉降基本穩定。

2）塌落度與料漿濃度間存在明顯的非線性關系，料漿濃度越高，提高料漿濃度造成的流動性降幅越大；復合外加劑能夠顯著改善全尾砂充填料漿的流動性；隨著料漿濃度和灰砂比的增加，復合外加劑對充填料漿流動性改善效果愈顯著。

3）無論充填料漿濃度高低、灰砂比大小，復合外加劑的加入均提高了各齡期充填體強度；灰砂比和齡期顯著影響復合外加劑對強度的改善效果，而料漿濃度影響基本可以忽略；灰砂比和齡期對復合外加劑改善效果存在著耦合影響。

4）影響充填體7d強度的因素主次順序為灰砂比gt;復合外加劑 |gt; 料漿濃度。在實際生產中，可以考慮使用復合外加劑來提高充填體強度，可以大幅降低水泥用量，節省充填成本。

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Study on the fluidity and strength modification of cemented ungraded tailings backfill materials

LiFanxiu （Liaoning Erdaogou Gold Mining Co.，Ltd.）

Abstract：The fluidityand strength of cemented tailings backfillmaterials are 2of the most critical performance indicators thatdetermine thequalityand effectiveness ofbackfilling.This study investigatestheefectsofincorporating compoud additives that are mainly liquid sodium silicate and water reducers on improving the fluidityand strength of cementedungraded tailings backfillmaterials atthe Erdaogou Gold Mine.Theresultsshowaclear nonlinearrelationship between slumpand slurryconcentration：the highertheslurry concentration，the greaterthe decrease in fluidity caused byfurther increases in concentration.Compound additives can significantly enhance the fluidity of ungraded tailings backfill slurry，with their efects becoming more pronouncedasslurryconcentrationand cement-sand ratio increase. The cement-sand ratioand curing age have asignificant influence on the strength improvement efect of compound additives，whereas the influenceofslurryconcentration is negligible.Thereisacoupling effectbetween thecementsand ratio and curing ageonthe strength enhancementofcompound aditives.Inpractical production，theuse ofadditives to improve the backfillstrength can significantly reduce cement consumption and lower backfilling costs.

Keywords： ungraded tailings; cemented backfill; compound additive; fluidity; strength; slump