井下采空區全尾砂充填材料試驗研究*

于澎,張要賀,于立志

(1.錫林郭勒盟銀鑫礦業有限責任公司,內蒙古 錫林郭勒盟 026000;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012)

0 引言

充填治理采空區可以減少礦山的安全風險[1],提高資源回采率和綜合利用率[2],降低新資源需求并推動礦山可持續發展[3]。充填材料試驗是充填系統建設、充填治理采空區的前提[4-8]。錫林郭勒盟銀鑫礦業有限責任公司西烏珠穆沁旗道倫達壩二道溝銅多金屬礦(簡稱銀鑫礦)是盛屯礦業集團股份有限公司旗下主力礦山,礦山設計生產能力為采選銅等多金屬礦石72萬t/a,目前實際生產能力約28萬t/a。銀鑫礦經過多年的空場法開采,井下形成了較大的采空區,為建設綠色礦山、提高井下安全性和資源回采率,礦山擬對井下采空區進行膠結充填治理。根據采礦和采空區治理要求,部分充填體強度要求達到4 MPa,同時考慮盡可能地降低充填成本、減少膠凝材料用量,為此,需要進行充填體材料試驗研究。

對于高強度的全尾砂充填材料試驗,已有許多學者進行了研究,周科禮等[9]在銅綠山銅礦使用新型膠結材料得到的充填體28 d 抗壓強度接近4 MPa。楊鑫等[10]試驗某鉛鋅礦尾砂質量濃度70%～74%、灰砂比1∶4、添加外加劑標準養護時28 d抗壓強度能達到7.7 MPa。魏甲明等[11]使用錳渣進行材料試驗,當質量濃度為62%,灰渣比為1∶4的情況下,28 d抗壓強度達到3.35 MPa。祝鑫等[12]使用黃沙坪鉛鋅礦尾砂和膠固粉G 料進行的材料試驗結果顯示,灰砂比1∶4、質量濃度76%時試塊的28 d強度達4.89 MPa。宋澤普等[13]對山東某金礦分級細尾砂充填材料試驗的結果表明,分級細尾砂料漿質量濃度62%、灰砂比1∶4,28 d強度約為4 MPa。這些研究都是通過實驗室不同配比的正交試驗得到數據,但是實際礦山的相關應用較少,在井下采場條件下的結果往往與實驗室差別較大,而礦山實際需求的結果是井下采空區中充填體的實際強度。為此,本文以銀鑫礦的實際充填為例,同時進行室內和井下試驗。以期為礦山充填系統建設、治理采空區和綠色采礦提供技術支撐。

1 充填材料試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 尾砂

通常情況下,適當的骨料粒徑分布可以提高充填體的強度。但由于成本的限制,礦山通常會選用選廠尾礦作為充填骨料[14]。在本次試驗中,使用的骨料是銀鑫礦選廠選礦后產生的尾砂,其主要的化學元素見表1,由表1可以看出,銀鑫礦尾砂中的硅、鋁含量較高,非常適合作為充填骨料。其粒徑分布見表2,其中d50=51.8μm,說明該尾砂的粒徑屬于中等大小。

表1 全尾砂主要化學元素成分占比 %

表2 全尾砂粒徑分布

1.1.2 膠凝材料

膠凝材料分為兩種,一種是采購當地水泥廠的P·C 42.5 水泥,其性能參數符合《通用硅酸鹽水泥》的相關規范要求。另一種膠凝材料是當地的膠固粉廠家提供的膠固粉(簡稱G 料),主要成分為礦渣和堿激發劑。

1.1.3 拌合水

試驗所用拌合水為濃密機溢流水,密度為1.0043 g/cm3,pH 為7.5,相關成分含量符合生產用水需求。

1.2 流動性能試驗

為了研究不同濃度的全尾砂膠結充填料漿的流動特性,本文按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》,進行坍落度試驗來測試料漿的流動性能。

坍落度試驗結果如圖1所示,試驗結果表明,G料作為膠凝材料的充填料漿流動性略好于水泥作為膠凝材料的充填料漿,但差別不是很大。整體來說,充填料漿隨著濃度的降低流動性增強。充填料漿高質量濃度下(80%)流動性很差,質地黏稠不利于攪拌,表現出干硬形狀,無法正常流動,不利于輸送。充填料漿質量濃度減小到76%～78%范圍時,流動性明顯增強,坍落度增大到25.5～27 cm,可以進行泵送充填。當充填料漿質量濃度減小到74%及以下時,坍落度可達到28 cm 以上,滿足自流輸送的坍落度要求,且充填料漿質量濃度為74%時,料漿基本不發生分層離析現象,保水性最好?？傮w而言,充填料漿70%～74%質量濃度均可實現自流輸送。

圖1 坍落度試驗結果

1.3 強度試驗

強度試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》的相關說明制備試塊和測試強度[15]。稱量好的試驗材料利用強力攪拌機攪拌均勻,灌注在尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的充填料漿模具中制作出試件。將制備好的試件分成兩組,一組在實驗室內進行養護,初凝后進行刮模,在室內自然養護1 d后,將其放入標準恒溫恒濕養護箱中,養護溫度為20℃,濕度為95%。另一組直接放到銀鑫礦井下采場內,初凝后進行刮模,1 d后脫模,不進行任何養護相關操作。試件在3,7,14,28 d后,進行抗壓強度測試。

本次強度試驗的4個因素:膠凝材料、灰砂比、質量濃度和養護方式,其中膠凝材料有2 個水平:P·C 42.5 水泥、G 料;灰砂比有7 個水平分別是1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20。而流動性根據坍落度試驗結果,實現充填料漿自流輸送的質量濃度應為70%～74%,本次試驗中充填料漿質量濃度設置為74%。

在室內養護條件下,水泥膠結體和充填G 料膠結體不同齡期強度變化如圖2和圖3所示。水泥-全尾砂充填體和G 料-全尾砂充填體強度均隨養護齡期增加而增大,這主要是因為隨著時間的增長,膠凝材料會反應形成更多的鈣礬石、C-S-H 凝膠等水化產物填充尾砂顆粒間隙和膠結住全尾砂,從而使充填體的強度增加。圖2、圖3表明,水泥-全尾砂充填體強度隨齡期增加呈線性增長趨勢,G 料-全尾砂充填體也呈線性增長,但G 料-全尾砂的增長速度明顯大于水泥-全尾砂,且二者1∶4灰砂比的增長速度遠大于其他灰砂比,可見對銀鑫礦業全尾砂而言,利用G 料作為膠凝材料能更快形成早期強度,有利于礦山生產。

圖2 實驗室內水泥-全尾砂充填體強度

圖3 實驗室內G 料-全尾砂充填體強度

在井下放置條件下,G 料-全尾砂不同灰砂比充填體強度隨齡期變化規律如圖4所示,從圖3和圖4可以看出,G 料-全尾砂混合物的充填體強度隨養護時間的增長而增加,但是井下養護的充填體強度遠小于室內標準條件養護的充填體強度,只有實驗室養護充填體強度的80%左右。

圖4 井下條件下的G 料-全尾砂充填體強度

將實驗室養護條件下充填體3 d和28 d強度整理得到圖5和圖6,對比圖5和圖6可以發現,G 料-全尾砂試塊的強度在相同配比和濃度的情況下遠遠大于水泥-全尾砂充填體試塊的強度。

圖5 不同灰砂比下水泥和G 料充填體3 d強度

圖6 不同灰砂比下水泥和G 料充填體28 d強度

2 分析

結合試驗數據結果,分析得到如下結果。

(1) 膠凝材料的種類對試塊質量具有重大影響。其他參數相同的條件下,使用充填G 料的試塊強度約為水泥試塊強度的1.5～3倍。

(2) 膠凝材料摻量是影響強度極其重要的因素,充填G 料灰砂比1∶4時的試塊強度約為1∶20時的試塊強度的5～9倍,水泥1∶4的試塊強度約為1∶20的試塊強度的10～15倍。

(3) 試塊強度的增加趨勢基本一致,室內養護或井下自然存放,其14 d強度約為3 d強度的1.5～2倍,28 d強度約為3 d強度的3～5倍。

(4) 試塊井下自然存放,對其強度影響較大,主要原因包括:爆破擾動、潮濕環境、溫度變化、密閉空間等,其強度整體只有室內養護強度的80%。

3 結論

試驗滿足各類強度要求的充填配比如下所述。

(1)3 d強度1 MPa要求:試驗范圍內水泥各個配比無法達到。充填G 料灰砂比1∶10 可以達到3 d強度1 MPa。

(2)28 d強度4 MPa要求:試驗范圍內水泥無法達到。充填G 料灰砂比1∶6即可達到。

(3) 井下條件的充填體強度只有實驗室條件下強度的80%左右。