譚 偉，黃明清，，吳愛祥

(1.北京金誠信礦山技術(shù)研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

某礦山膠結(jié)充填體質(zhì)量影響因素研究?

譚 偉1，黃明清1，2，吳愛祥2

(1.北京金誠信礦山技術(shù)研究院有限公司, 北京 101500；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

針對(duì)某礦山全尾砂膠結(jié)充填過程中充填體開裂、崩解的問題，采用化學(xué)分析法對(duì)尾砂進(jìn)行測(cè)定，并開展不同灰砂比和濃度條件下的充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，尾砂中S含量高達(dá)8.82%，CaSO4的含量達(dá)到4.07%，同一濃度同一灰砂比充填體60 d強(qiáng)度與28 d最高強(qiáng)度相比均下降約50%。礦山全尾砂膠結(jié)充填體質(zhì)量主要受尾砂中S及其氧化物的影響較大，需降低尾砂中的S及其氧化物，以保證充填體后期強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求。

全尾砂膠結(jié)充填；單軸抗壓強(qiáng)度；化學(xué)成分；充填體強(qiáng)度

0 引 言

隨著開采年限及開采深度的增加,國(guó)內(nèi)外金屬礦山地壓?jiǎn)栴}越來越嚴(yán)重,充填是處理采空區(qū)、控制地壓的最有效手段之一,其中全尾砂膠結(jié)充填目前在國(guó)內(nèi)外礦山已得到廣泛應(yīng)用,它既可以有效控制地壓,又減少了尾砂排放對(duì)環(huán)境帶來的污染[1-3]。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,全尾砂膠結(jié)充填仍存在著一定的問題,尤其對(duì)于充填采礦法,充填體的強(qiáng)度要求較高,其中尾砂中某些化學(xué)成分的含量過高對(duì)充填體膠結(jié)效果有著重要影響,由此對(duì)很多礦山的充填產(chǎn)生了一定制約。

安徽某硫鐵礦山2014年新建立了全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng),在經(jīng)過一定時(shí)期的充填后,發(fā)現(xiàn)充填體的質(zhì)量無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,為此,本文針對(duì)此礦山充填中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究,首先對(duì)尾砂中的化學(xué)成分進(jìn)行分析,其次開展不同灰砂比條件下的充填體強(qiáng)度試驗(yàn),最后討論尾砂中的化學(xué)成分對(duì)充填體強(qiáng)度的影響行為,從而為礦山選擇合理的充填材料配比提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 基本概況

安徽某硫鐵礦山是一個(gè)硫鐵礦、鐵礦共生的礦床。礦山目前采用分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法進(jìn)行開采,充填工藝采用全尾砂膠結(jié)充填工藝。自2014年1月充填系統(tǒng)完全建立以來,進(jìn)行了為期近3個(gè)月的充填試車。試車初期,砂漿濃度波動(dòng)較大,主要受立式砂倉中砂漿沉降時(shí)間以及進(jìn)砂次數(shù)影響較大,隨著充填試車次數(shù)的增加,砂漿濃度波動(dòng)越來越小,已可較好的控制在設(shè)計(jì)要求濃度,逐漸穩(wěn)定在62%左右,見圖1。

圖1 砂漿平均濃度

然而,在實(shí)際充填過程中,雖然砂漿濃度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在灰砂比按照設(shè)計(jì)要求的1∶4,1∶6和1∶8進(jìn)行操作的前提下,每次充填所取的試樣,在空氣中養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后,大部分試樣均出現(xiàn)自行崩解的現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)采場(chǎng)的充填效果來看,采場(chǎng)充填完一個(gè)月后,充填體表面均出現(xiàn)了較多的開裂現(xiàn)象,并且裂縫大部分均超過了20 mm,隨著時(shí)間的增加,裂縫數(shù)量仍在增加。充填體質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,勢(shì)必對(duì)礦體的二步驟開采產(chǎn)生影響,影響礦山的安全、生產(chǎn)以及礦產(chǎn)資源的回收。

2 尾砂中化學(xué)成分含量測(cè)試

由于膠凝材料采用的是P.O 42.5型水泥,并無變質(zhì)或硬化現(xiàn)象,為了了解導(dǎo)致充填體質(zhì)量變壞的原因,需要對(duì)全尾砂的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定,以便了解其中是否含有對(duì)充填體膠結(jié)效果產(chǎn)生影響的化學(xué)成分。尾砂化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 尾砂化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果

從表1中測(cè)定結(jié)果可知,尾砂中S的含量高達(dá)8.82%,已遠(yuǎn)超過1%～3%,并且CaSO4的含量也達(dá)到4.07%。根據(jù)國(guó)內(nèi)外部分采用膠結(jié)充填法的礦山的經(jīng)驗(yàn)以及科研院所的研究成果得知,充填材料中某些化學(xué)成分及其含量過高的話,將會(huì)對(duì)充填體物理性能產(chǎn)生一定的影響和作用[4-5]。

尾砂中對(duì)充填體強(qiáng)度影響作用較大的主要化學(xué)成分有Fe、FeS2、MgO、S、SiO2、Al2O3、CaO、CaSO4。相比較而言,其中S含量對(duì)充填體的后期強(qiáng)度影響尤其明顯,主要是因?yàn)楹琒礦物(主要是黃鐵礦類硫化礦物)在空氣中和水發(fā)生作用,硫化礦物就會(huì)被氧化并生成SO42-,當(dāng)其濃度達(dá)到1500～10000 g/L時(shí),便可生成難溶的二水石膏和硫鋁酸鹽晶體,對(duì)水泥或其它膠凝材料有破壞作用。其破壞機(jī)理主要是由于生成硫鋁酸鹽晶體和二水石膏后,其體積膨脹在2倍以上使充填體內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而破壞充填體。

國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明,已氧化的高S尾砂試塊,不論在空氣中養(yǎng)護(hù)或水中養(yǎng)護(hù),大多都自行崩解。一般認(rèn)為,尾砂含S超過1%～3%,可能對(duì)后期強(qiáng)度產(chǎn)生有害影響,而尾砂中含有已發(fā)生氧化的S化物時(shí),其有害影響更加顯著[6-7]。因此,本礦山中尾砂中存在的S及其氧化物對(duì)膠結(jié)充填體的膠凝效果具有重要影響,從而影響充填體的質(zhì)量。

3 充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定S等化學(xué)成分對(duì)充填體質(zhì)量的影響效果,對(duì)不同灰砂比條件下的充填體試塊進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

礦山實(shí)際充填采用的充填體灰砂比為1∶4, 1∶6和1∶8三種配比,最底下分層采用1∶4灰砂比進(jìn)行充填,往上依次采用1∶6和1∶8灰砂比。為了模擬現(xiàn)場(chǎng)充填情況,本次試驗(yàn)充填體所采用的灰砂比與實(shí)際灰砂比一致。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際充填料漿濃度和設(shè)計(jì)要求,分別采用料漿濃度為64%和66%制作灰砂比1∶4,1∶6 和1∶8的試塊,每組制作6個(gè)試塊,分別養(yǎng)護(hù)3,7, 28 d和60 d后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

充填體強(qiáng)度試驗(yàn)儀器采用WYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī),試塊規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,試塊受壓過程如圖2所示。

圖2 試件受壓破壞

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊不同齡期的平均單軸抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度

充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖3和4所示。從圖3和圖4可知,料漿濃度64%、灰砂比1 ∶4的試塊和料漿濃度66%、灰砂比1∶6的試塊均在28 d達(dá)到最高強(qiáng)度,其余則是7 d達(dá)到最高強(qiáng)度。其中濃度66%的試塊,灰砂比1∶4的60 d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.785 MPa,下降了49%；1∶6的60 d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.592 MPa,下降了39.3%；1∶8 的60 d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.514 MPa,下降了52%。濃度64%的試塊,灰砂比1∶4的60d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.583 MPa,下降了37%；1∶6的60 d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.383 MPa,下降了43.4%；1∶8的60 d強(qiáng)度比最高強(qiáng)度低0.326 MPa,下降了41.6%。由此可知,同一料漿濃度,不同灰砂比,充填體試塊的強(qiáng)度在28 d養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到最高值后,均產(chǎn)生大幅的下降,60 d養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度降幅約為50%。

圖3 64%濃度試塊強(qiáng)度變化曲線

圖4 66%濃度試塊強(qiáng)度變化曲線

從圖中試塊強(qiáng)度變化曲線可知,料漿濃度越高,充填體的強(qiáng)度越大,灰砂比越大,充填體的強(qiáng)度也越大,并且充填體的60 d強(qiáng)度均高于0.45 MPa。多數(shù)充填體試塊在養(yǎng)護(hù)28 d后強(qiáng)度就已大幅下降,然而當(dāng)強(qiáng)度降至接近0.45 MPa左右的時(shí)候,降低的趨勢(shì)變的極緩,有趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。說明尾砂中S及其氧化物在含量一定的情況下,對(duì)充填體強(qiáng)度的影響是有限的,只要降低其含量,則可有效提高充填體強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

通過對(duì)尾砂中化學(xué)成分的測(cè)試以及充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得知,尾砂中因S含量高達(dá)8.82%以及含有4.07%的CaSO4,嚴(yán)重影響了充填體的膠凝效果,從而導(dǎo)致充填體在達(dá)到最高強(qiáng)度后,產(chǎn)生急劇下降,60 d強(qiáng)度與最高強(qiáng)度相比,大約下降了50%。由此可知,安微某硫鐵礦山全尾砂膠結(jié)充填體質(zhì)量受尾砂中S及其氧化物的影響較大,需對(duì)尾砂中的S及其氧化物進(jìn)行提取,以降低其含量,從而保證充填體后期強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求。

[1]宋衛(wèi)東,李豪風(fēng),雷遠(yuǎn)坤,等.程潮鐵礦全尾砂膠結(jié)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2012,32(1):8-11.

[2]Yilmaz E,Belem T,Bussière B,etal.Curing time effecton consolidation behaviour of cemented paste backfill containing different cement types and contents[J].Construction and Building Materials,2015,75:99-111.

[3]陳 偶,喬登攀,張國(guó)龍,等.現(xiàn)代礦山充填采礦法淺析[J].礦冶,2013,22(3):30-35.

[4]王 寶,張虎元,董興玲,等.硫化物氧化對(duì)充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響[J].化工礦物與加工,2007(10):29-31.

[5]許毓海.尾砂中硫化物對(duì)充填體質(zhì)量影響研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(5):4-6.

[6]孫恒虎,黃玉誠,楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[7]劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2001.

2015-04-20)

譚 偉(1986-)，男，江西贛州人，碩士，主要從事巖石力學(xué)測(cè)試與工程穩(wěn)定性分析方面的研究，Email:tanweitw86＠sina.com。

"十二五"國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB08B02).