張競，李駿

(福州理工學院 應用科學與工程學院，福建 福州 350506)

0 引言

隨著礦產產業(yè)的發(fā)展，選礦廠產生的尾砂數(shù)量逐年遞增，為解決尾砂堆積造成的環(huán)境污染和維護費用等問題，將尾砂用作充填體骨料回填至地下采空區(qū)，是一種行之有效的地壓控制手段[1?2]。充填體強度對于采場穩(wěn)定性具有直接的影響，是充填采礦法設計的重要參數(shù)。為提高礦石的回采率，在增加磨礦機械化程度的同時，磨礦的粒度也越來越細，這種級配相對單一的尾砂用作充填骨料對充填體的強度造成了負面影響[3]。充填體強度和充填采場的實際工況是否匹配，是充填采礦法需要研究的重點內容。充填體強度過高，雖保證了采場穩(wěn)定性，但增加了經濟成本。充填體強度不足，不能滿足安全生產的需求，且會造成礦石的損失與貧化[4]。我國礦業(yè)工程規(guī)模巨大，各礦區(qū)工況各異，部分礦山的采充循環(huán)較快，需要在較短時間內形成自立，并具有一定的抗壓強度的充填體；部分礦山由于各種條件的限制，采充循環(huán)間隔長，對于早強型的充填體沒有過多的要求。目前，國內外學者針對尾砂膠結充填做了大量的研究。

李一帆等[5]研究了添加石膏、氯化鈣等早強劑的充填體強度變化規(guī)律。黃璐[6]在尾砂膠結充填體試塊中添加采礦爆破所產生的塊石材料，研究了試塊的力學性質的變化情況。吳煒等[7]在充填體試塊中加入了硅粉、MF525等外加劑，研究了外加劑對充填體強度的影響，最終得到了最佳配比。王楚涵等[8]研究了細顆粒尾砂含量對于充填體強度的影響。羅芳等[9]進行了基于磷石膏和重選尾砂的多骨料配比試驗,探究了不同養(yǎng)護齡期下充填體的強度演化規(guī)律。侯運炳等[10]在充填體中摻入了石灰、硫鋁水泥、石膏等材料，研究了該種新型膠凝材料充填體的凝結硬化規(guī)律。

以上研究均是在普通硅酸鹽水泥-全尾砂的充填材料基礎上摻入添加料或者使用其他的膠凝材料代替普通硅酸鹽水泥。本文采用某礦尾砂作為充填骨料，采用普通水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥4種通用水泥作為膠凝材料，測定不同質量濃度、灰砂比、齡期下的充填試塊強度。研究通用水泥作為膠凝材料充填體試塊強度的增長規(guī)律，為礦山充填施工提供一定的參考。

1 試驗材料

1.1 尾砂

本次試驗采用的是福建某礦尾砂，通過CILAS1064型激光粒度儀測定其粒度成分，結果見表1。

表1 試驗所用全尾砂顆粒級配

由表1可知，本次試驗所用尾砂平均粒經約為77 μm，尾砂的粒徑變化差值約為5 μm，而粒徑在75 μm以下的尾砂累計為62.19%，屬于級配不良。

1.2 水泥

本次試驗采用福建某廠生產的P·O32.5普通硅酸鹽水泥、P·S·A32.5礦渣硅酸鹽水泥、P·P32.5火山灰硅酸鹽水泥以及P·F32.5粉煤灰硅酸鹽水泥。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥種類和齡期對充填體強度的影響

質量濃度分別為62%，68%，灰砂比分別為1∶4，1∶6，1∶8，4種充填試塊7d、28d抗壓強度的變化曲線見圖1～圖4。

由圖1、圖2可知，隨著灰砂比的增大，試塊的強度增加。62%質量濃度下，4種水泥試塊的7d抗壓強度以普通充填試塊最高，礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強度次之，3種灰砂比的平均強度約為普通充填試塊強度的89.45%和83.36%，火山灰充填試塊的強度最低，平均強度只有普通充填試塊強度的57.29%。在68%的質量濃度下，普通充填試塊的7d抗壓強度仍為最高，礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊的強度約為其99.73%、87.23%以及62.78%。

由此可見，普通充填試塊的強度具有快硬、早強的特點，礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強度和普通充填試塊約有10%～20%的差距，火山灰充填試塊的強度最低，只有普通充填試塊的60%左右。

圖1 質量濃度62%齡期7d抗壓強度

圖2 質量濃度68%齡期7d抗壓強度

圖3 質量濃度62%齡期28d抗壓強度

圖4 質量濃度68%齡期28d抗壓強度

由圖3、圖 4可知，隨著養(yǎng)護齡期增長到28d，各組充填試塊強度有了不同程度的增長。當灰砂比為1∶4時，62%和68%質量濃度的普通充填試塊強度為2.34 MPa、3.04 MPa。礦渣充填試塊的強度為2.01 MPa、2.45 MPa，分別為普通充填試塊強度的85.9%和80.59%。粉煤灰充填試塊的強度為1.26 MPa、2.01 MPa，分別為普通充填試塊強度的53.85%和66.12%?；鹕交页涮钤噳K的強度為0.49 MPa、0.71 MPa，分別為普通充填試塊強度的20.94%和23.36%?；疑氨葹?∶6時，62%和68%質量濃度普通充填試塊的強度為1.53 MPa、1.82 MPa。礦渣充填試塊的強度為1.26 MPa、1.66 MPa，分別為普通充填試塊強度的82.35%和91.21%。粉煤灰充填試塊的強度為0.75 MPa、0.95 MPa，分別為普通充填試塊強度的49.02%和52.2%?；鹕交页涮钤噳K的強度為0.39 MPa、0.52 MPa，分別為普通充填試塊強度的25.49%和28.57%?；疑氨葹?∶8時，62%和68%質量濃度普通充填試塊的強度為1.03 MPa、1.52 MPa。礦渣充填試塊的強度為0.8 MPa、1.09 MPa，分別為普通充填試塊強度的77.67%和71.72%。粉煤灰充填試塊的強度為0.61 MPa、0.76 MPa，分別為普通充填試塊強度的59.22%和50%?；鹕交页涮钤噳K的強度為0.3 MPa、0.36 MPa，分別為普通充填試塊強度的29.13%和23.68%。由此可見，4種水泥充填試塊以普通鹽充填試塊的早期、后期抗壓強度高，呈現(xiàn)出快硬早強的特點。礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊強度相對普通充填試塊有一定的減弱?；鹕交页涮钤噳K的強度相比普通充填試塊出現(xiàn)了顯著的降低。

在62%質量濃度下，3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強度分別增長了179.46%、155.18%以及78.66%，而火山灰充填試塊的強度增長最低，為20.23%。相應地，在68%質量濃度下，3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強度分別增長了196.69%、142.05%以及90.64%，火山灰充填試塊的強度增長仍很低，為18.75%。由此可見，普通水泥充填試塊不僅早期強度較高，后期強度的增長率相較礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊以及火山灰充填試塊也更高。

2.2 灰砂比對充填體強度的影響

不同充填試塊強度與灰砂比的關系曲線見圖5～圖8。

如圖5所示，質量濃度為62%，灰砂比為1∶4的普通充填試塊7d抗壓強度是灰砂比1∶6、1∶8試塊強度的1.37倍和1.48倍；28d抗壓強度是1.53倍和2.27倍。質量濃度為68%時，灰砂比從1∶8增加到1∶6和1∶4時，7d抗壓強度增長了23.07%，86.54%，28d抗壓強度增長了19.38%，100%。針對質量濃度62%礦渣充填試塊，如圖6所示，灰砂比為1∶4的時候，其7d抗壓強度是灰砂比為1∶6，1∶8時的1.38倍和1.92倍；28d抗壓強度分別為1.6倍和2.51倍。質量濃度為68%時，灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強度是灰砂比為1∶6、1∶8的1.27倍和1.74倍；28d抗壓強度分別是1.48倍和2.25倍。對于粉煤灰充填試塊（見圖7），質量濃度為62%，灰砂比為1∶4時，其7d抗壓強度是灰砂比為1∶6，1∶8時的1.52倍和1.68倍；28d抗壓強度分別為1.68倍和2.07倍。質量濃度為68%時，灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強度是灰砂比為1∶6，1∶8的1.71倍和2.29倍；28d抗壓強度分別是2.12倍和2.64倍。對于火山灰充填試塊，如圖8所示，質量濃度為62%時，灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8，7d抗壓強度減小了17.5%和37.5%。28d抗壓強度減小了20.41%和38.78%。質量濃度為68%時，灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8，7d抗壓強度減小了30.51%和44.07%。28d抗壓強度減小了26.76%和49.3%。

圖5 普通充填試塊強度與灰砂比的關系

圖6 礦渣充填試塊強度與灰砂比的關系

圖7 粉煤灰充填試塊強度與灰砂比的關系

圖8 火山灰充填試塊強度與灰砂比的關系

由此可以發(fā)現(xiàn)，灰砂比從1∶8增加到1∶6，充填試塊強度增加效果不是很明顯，灰砂比從1∶6增加到1∶4，試塊強度增加明顯。相對來說，增加灰砂比，4種通用水泥充填試塊的強度增加比例相差不大，沒有明顯的變化。

2.3 質量濃度對充填體強度的影響

不同充填試塊強度與質量濃度的關系曲線見圖9～圖12。

由圖9可知，對于普通充填試塊，灰砂比為1∶4，質量濃度從62%增加到68%，試塊7d抗壓強度從0.71 MPa增加到0.97 MPa，增長了36.62%，28d抗壓強度從2.34 MPa增加到3.04 MPa，增長了29.91%。當灰砂比減小到1∶6時，質量濃度從62%增加到68%，試塊7d抗壓強度從0.52 MPa增加到0.64 MPa，增長了23.08%，28d抗壓強度從1.53 MPa增加到1.82 MPa，增長了18.95%。灰砂比為1∶8時，7d抗壓強度質量濃度68%試塊是質量濃度62%試塊的1.08倍，28d抗壓強度質量濃度68%試塊是質量濃度62%試塊的1.48倍。由圖10可知，對于灰砂比為1∶4的礦渣充填試塊，質量濃度從62%增加到68%，7d抗壓強度增長了28.99%，28d抗壓強度增長了21.89%。礦渣充填試塊灰砂比為1∶6，質量濃度68%的試塊的7d抗壓強度是質量濃度62%的試塊的1.4倍，28d抗壓強度是1.32倍?；疑氨葹?∶8時，62%增加到68%質量濃度，7d和28d抗壓強度分別增加了41.67%，36.25%。由圖11可知，針對灰砂比1∶4，1∶6，1∶8粉煤灰充填試塊，質量濃度從62%增加到68%，7d抗壓強度增長了46.88%、30.95%、7.89%，28d抗壓強度增長了59.52%、26.67%、24.59%。圖12是火山灰充填試塊的強度變化情況，質量濃度為62%，灰砂比為1∶4，1∶6，1∶8的試塊7d抗壓強度分別為0.4 MPa、0.33 MPa、0.25 MPa，其對應的質量濃度68%的試塊7d抗壓強度為0.59 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa，分別增長了47.5%、24.24%和32%。同樣情況下，28d抗壓強度分別增長了44.9%、33.3%和20%。

圖9 普通充填試塊強度與質量濃度的關系

圖10 礦渣充填試塊強度與質量濃度的關系

因此，隨著質量濃度的增加，4種通用水泥充填試塊的強度都相應有了一定程度的增加，且對于不同種類水泥充填試塊而言，強度增加的比例相差不大。對于礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊，在灰砂比為1∶4的情況下增加質量濃度，強度增長幅度有了一個明顯的提高，增長幅度從20%～30%提高到了40%。

圖11 粉煤灰充填試塊強度與質量濃度的關系

圖12 火山灰充填試塊強度與質量濃度的關系

3 結論

（1）對于全尾砂充填試塊而言，在灰砂比一定的情況下，普通水泥充填體強度最高，礦渣水泥充填體和粉煤灰水泥充填體的強度約為普通水泥充填體的80%~90%，火山灰水泥充填試塊的強度最低，只有普通硅酸鹽水泥充填體強度的50%～60%。齡期對于充填體強度的影響最為明顯，在灰砂比為1∶4時，普通水泥充填體和礦渣水泥充填體的強度隨著齡期增長幅度最快。

（2）在確定的質量濃度下，增加灰砂比，充填體抗壓強度會有明顯增加，但是4種通用水泥充填體強度增長的速率相差不大。

（3）增加質量濃度，在灰砂比為1∶4時，礦渣水泥充填體、粉煤灰水泥充填體和火山灰水泥充填體的強度增加比例最大，約為40%。其他灰砂比下，增大質量濃度，這3種充填體強度增加比例為25%～30%。對于普通水泥充填體，增加質量濃度，強度增加的比例最小，約為20%。