超细全尾砂胶结充填体强度特性研究

超细全尾砂胶结充填体强度特性研究

徐全宝1刘平2

中国五矿五矿矿业控股有限公司鲁中矿业有限公司  山东省  济南市   250000

摘要：全尾砂胶结充填体强度对养护龄期敏感程度最高。为了研究A铁矿全尾砂的物理化学性质、不同种类全尾砂对胶结充填体强度的影响，本文以A铁矿全尾砂为充填骨料、水泥为胶结材料，通过单因素四水平试验研究了全尾砂的粒度分布、碱度系数和活性系数以及料浆质量浓度，分析了全尾砂胶结充填体强度与养护龄期之间的定量关系，试验结果显示，A铁矿的全尾砂中值粒径只有14.2微米、碱度因子2.31、活性因子2.12，是一种级配良好、活性高的碱性超细全尾砂；随着灰砂比和泥浆质量浓度的增大，全尾砂的胶结物强度呈现指数关系，随着养护龄期的增大而增大，其强度逐渐增大，其拟合关系为0.97,0.96,0.92；料浆强度对料浆寿命的影响最大，其次是灰砂比，其次是料浆。

关键词：充填采矿法；超细全尾砂；胶结充填体；强度特征

1 引言

充填采矿法是一种新型的采矿方法，是利用充填材料对采场进行回采，在采矿过程中，通过充填材料与围岩之间的胶结作用形成一种复合体。传统的充填材料多以全尾砂为主，而随着近年来尾砂资源利用效率的不断提高，尾砂原料日益匮乏，部分矿山选择使用优质全尾砂替代水泥来代替常规尾砂。但是由于矿浆粘度较大、搅拌困难等原因，在生产过程中很难达到较高浓度的料浆状态。另外，为了使充填体与围岩充分融合，保证充填体强度的稳定提高，充填体强度一般都需要一定时间来养护龄期越长强度越高、养护材料也越来越多。为了更好地指导矿山实际生产过程中全尾砂胶结充填体结构强度的保持和稳定提高工作，本文以A铁矿全尾砂为胶结骨料、水泥为胶结材料制备全尾砂胶结充填体并进行试验研究，分析了全尾砂胶结充填体强度与养护龄期之间的定量关系。

2 全尾砂物理化学性质分析

利用Mastersizer2000激光粒度仪对A铁矿全尾砂进行粒度分析。灰砂比为1∶3时，全尾砂的高活性系数达到2.31(平均值为1.04)，说明全尾砂具有较高的吸附能力和反应活性。当灰砂石比增大到1∶4后，全尾砂碱度系数均有不同程度增加。

通过对全尾砂碱度系数的分析，可看出全尾砂碱度系数随着灰砂比的增大。全尾砂浆体和水泥浆中，均含有一定量的Ca(OH)2，浆体和水泥浆中的Ca(OH)2浓度越高，全尾砂碱度系数越大。全尾砂活性较强，反映了全尾砂在固相条件下能够活化水泥浆中Ca(OH)2等活性组分。其不均匀系数大于5，说明级配和料浆密实性能好，对提高灌注体早期强度具有重要意义。

采用化学分析法对全尾砂料浆进行成分分析，全尾砂的硫酸盐、氯离子含量均低于《充填材料物理性能试验方法》（GB/T16137—2011）中有关标准。根据全尾砂化学成分含量分析结果，可以看出A铁矿全尾砂中含有一定量的Ca(OH)2等活性组分，这是其具有较强的活性特征的主要原因。全尾砂料浆不同质量浓度下，全尾砂的活性系数均大于2,说明全尾砂具有较强的活化水泥浆中Ca(OH)2等活性组分的能力。对全尾砂进行XＲF定性分析,尾砂的主要化学成分为CaO、SiO2、Fe2O3和MgO，其质量分数占总量的93.01%。

3全尾砂胶结充填体的强度特征分析

按照实验方案，制备了16种不同的充填材料。制块法是采用JJ-5水泥胶砂混合机将混合好的浆料混合，然后倒入7.07cm×7.07cm×7.07cm的三联铸铁模具，在震动致密后将其置于YH-40B型养护箱中进行养护，在温度（20℃+1）℃、相对湿度大于95%的环境下进行养护。在脱模24小时后，继续进行养护，并对不同龄期的充填试件进行单轴抗压强度测量。

对全尾砂胶结充填体强度的影响因素有三个：灰砂比、浆质量浓度、养护龄期。为得到各因素与料浆强度之间的量化关系，本文将待研究因素视为变量，并固定另外两个因素，为了消除多个变量引起的扰动，得到强度对三个因素的敏感程度。

3.1 灰砂比的影响

将水泥浆液的质量浓度作为一个恒定变量，对3、7、14、28天的料浆料的抗压强度进行了分析，采用指数拟合法和直线拟合法，得出了R2的相关系数。结果显示：在各养护龄阶段，灰砂比-料浆强度指标的拟合关联率要高于线性拟合，而指标拟合相关性为0.9703，显示出了较高的拟合率和密度曲线。随着灰砂比的增大，各龄期试体的抗压能力呈现出指数型的递增趋势，表明在相同的含水率下，试样的抗压强度随着灰砂比的增大而呈现出指数增大的趋势。而且，当泥浆质量浓度增大时，指数拟合曲线变得更陡峭，表明填充体的强度增大。但在较小的时候，各泥砂质量浓度的强弱呈现一个较好的台阶，且指数型曲线的分布较为均衡，而随着灰砂比例的增加，其强度表现为显著的离散性。

3.2 料浆质量浓度的影响

采用灰砂比作为不变因子，对填充体的强度和浆液质量的影响进行了研究。对3、7、14、28天的养护龄期，进行了强度与浆液质量浓度的关系，采用指数拟合和线性拟合的方法。根据浆液质量浓度和强度的拟合关系，发现7、14、28天的强度具有较好的线性和指数拟合特性，R2的相关系数R2都在0.95以上。但是，三种不同龄期强度的线性拟合关系平均为0.9560，而指数拟合的平均为0.9575。结果表明，在3天内，灰砂比为1∶4的条件下，填充体强度的线性拟合和指数拟合相关系数分别为0.8883和0.8776，表明在此条件下，这两种拟合不适应强度与浆液浓度的定量关系是一致的。

料浆质量浓度对充填试块强度的影响呈显著指数函数规律。在同一龄期，随着料浆质量浓度的增大，其对填充体强度的影响也随之增大，在同一龄期，强度的增加值也随之增大。而且，随灰砂比的增加，指数拟合曲线的增长趋势也会急剧变化，表明填充体的强度增加速度较快。在同一时间内，同一浆料质量浓度、不同灰砂比的3、14、28天的强度分布规律基本一致，但在7天内，强度分布呈现明显的分散性。也就是说，高灰砂比的填充物的强度增加幅度要大得多。

3.3 养护龄期的影响

为了探讨不同养护龄期对充填体强度的影响，本文将水泥浆液质量浓度和灰砂比作为不变量，以探讨其强度随养护龄期的增加而增加。然后，通过线性拟合与指数拟合，求出相应的R2值。试验结果表明，料浆后的养护龄期和料浆强度之间存在良好的线性关系，R2的相关系数为0.92。在浆液质量分数65%时，其强度表现出较好的线性特性。用指数拟合方法得到的相关系数只有0.8337，表明拟合并不能满足料浆强度和龄期的量化要求。研究表明，不同养护龄期对料浆强度的影响具有明显的线性关系。也就是说，在同一灰砂比下，随着年龄的增长，其强度呈直线上升。随灰砂比的增加，拟合曲线的斜率也随之增加，说明充填体的强度生长速度较快，其强度值也较高。

4 结束语

总而言之，超细全尾砂胶结充填体的强度与灰砂比、浆液质量浓度及养护龄期之间有对应的量化关系。相同浆料质量浓度、相同养护龄期时，填充体强度随着灰砂比的增大而增大。在相同灰砂比、相同养护龄期下，随着浆液质量浓度的增大，其强度按 Y= AeRX指数的增长趋势，其拟合关系为0.9575。在相同灰砂比、相同料浆质量浓度下，随着养护龄期的延长，其强度按y=B+ Cd的线性增长，其拟合关系为0.9216。料浆过程中，料浆强度对料浆寿命的影响最大，其次是灰砂比，再者是浆液质量浓度。

参考文献

[1]马志平.超细全尾砂膏体充填材料特性试验[J].采矿技术,2022,22(06):52-56.

[2]张钦礼,王钟苇,荣帅,王新民.深井矿山全尾砂胶结充填体早期强度特性及微观影响机理分析[J].有色金属工程,2019,9(06):97-104.

[3]杨福波,聂亚林,王晓军,黄广黎,李士超,冯萧.全尾砂胶结充填体早期强度特性试验研究[J].矿业研究与开发,2018,38(10):58-62.