張震，陳超，馬姣陽(yáng)，李洪寶

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

引言

為有效控制礦山采場(chǎng)地壓，防止地表沉降，預(yù)防深井巖爆，提高礦石回收率并促進(jìn)礦山綠色化，充填采礦法已成為礦山開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。在使用充填法回采的礦山中，以尾砂作為充填原料的礦山居多，尾砂充填體強(qiáng)度關(guān)系著地下開(kāi)采礦山的安全性，因此，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并取得了眾多研究成果[3-6]。梁棟等利用分形方程對(duì)填充料級(jí)配進(jìn)行定量描述，開(kāi)展了級(jí)配對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響規(guī)律的試驗(yàn)研究[7]。楊嘯等以廢石和全尾砂2種混合骨料的合理級(jí)配為研究目的，根據(jù)最大干密度理論和粒子干涉理論，得到了合理配比的礦山充填骨料[8]。何建元等通過(guò)研究充填體強(qiáng)度與混合充填骨料特征值之間的關(guān)系，得出當(dāng)混合骨料平均粒徑和不均勻系數(shù)不同時(shí)，會(huì)對(duì)充填體早期和后期強(qiáng)度造成不同的影響[9]。胡小勇等以充填料漿質(zhì)量濃度和砂灰比為配比參數(shù)，建立礦山充填料漿配比優(yōu)化模型[10]。此外，一些學(xué)者針對(duì)物化性質(zhì)對(duì)充填體強(qiáng)度進(jìn)行了研究。王寶等通過(guò)分析硫化物的活性，得出膠結(jié)充填體具有較高的飽和度時(shí)，充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度的衰減可能會(huì)有一定程度的減輕[11]。姜關(guān)照等通過(guò)對(duì)含硫和無(wú)硫尾砂充填體強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，得到含硫尾砂充填體長(zhǎng)期強(qiáng)度性能的影響規(guī)律[12]。魏曉明等通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)探明了料漿濃度、灰砂比及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的敏感性[13]。為了進(jìn)一步研究充填體強(qiáng)度形成時(shí)，充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物的變化，部分學(xué)者在微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)充填體進(jìn)行了大量研究。施現(xiàn)院對(duì)內(nèi)摻不同含量硫酸鈉早強(qiáng)劑膏體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)早強(qiáng)劑對(duì)充填體早期強(qiáng)度的形成機(jī)理[14]。齊兆軍借助SEM設(shè)備發(fā)現(xiàn)，膠凝材料配比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律[15]。徐文彬等從微觀上研究充填體內(nèi)部水化反應(yīng)產(chǎn)物的類型及形態(tài)對(duì)其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響，得出充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律[16]。

為研究尾砂粒徑對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，在分析尾砂粒徑組成的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)研究通過(guò)設(shè)計(jì)不同尾砂粒徑制備的充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并借助XRD測(cè)定及SEM微觀掃描，從宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的角度，探究尾砂粒徑對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 尾砂粒級(jí)的選擇及分析

冀東地區(qū)某礦山，屬沉積變質(zhì)磁鐵礦床，實(shí)驗(yàn)選用該礦同一選廠不同排放口、化學(xué)成分相似的尾砂，配備出3種粒徑的尾砂原料；膠凝材料為冀東公司生產(chǎn)的325#普通硅酸鹽水泥；水為普通市政自來(lái)水。

通過(guò)NKT6100-D激光粒度儀測(cè)定了3種不同配比的尾砂粒徑，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》，可知圖1(a)中-74 μm的尾砂顆粒含量約占98%，-37 μm的尾砂顆粒含量約占88%，屬于超細(xì)尾砂；圖1(b)表明，尾砂中大于-74 μm的顆粒含量約占29%，小于-19 μm的顆粒含量約占62%，屬于細(xì)尾砂；而圖1(c)中，尾砂中大于-74 μm的顆粒含量約占77%，小于-19 μm的顆粒含量約占4%，屬于粗尾砂。

圖1 尾砂粒徑累計(jì)分布圖

通常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)反映尾砂的級(jí)配情況，公式為：

(1)

(2)

式中：d10—過(guò)篩重量占10%的粒徑，μm；

d30—過(guò)篩重量占30%的粒徑，μm；

d60—過(guò)篩重量占60%的粒徑，μm。

Cu越大，尾砂粒徑顆粒大小差異越明顯，尾砂就有足夠的細(xì)顆粒去充填粗顆粒之間的空隙，Cc用來(lái)描述級(jí)配曲線平滑程度的指標(biāo)。

據(jù)上述可知，圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)依次為：超細(xì)尾砂(uft)、細(xì)尾砂(ft)、粗尾砂(ct)。由表1可知，細(xì)尾砂Cu最大(>5)，Cc最接近1，說(shuō)明各個(gè)區(qū)間含量的尾砂粒徑較為齊全。超細(xì)尾砂和粗尾砂的不均勻系數(shù)相同，而超細(xì)尾砂Cc大于1小于3，粗尾砂Cc小于1。由此可見(jiàn)，超細(xì)尾砂級(jí)配最優(yōu)，細(xì)尾砂次之，粗尾砂最差。

表1 尾砂級(jí)配的特征參數(shù)和分析指標(biāo)

1.2 尾砂粒徑對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

(1)充填體試樣制備及強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)冀東地區(qū)某礦山調(diào)研及項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容的需要，將上述3種尾砂按照灰砂比為1:6、1:12、1:20，料漿質(zhì)量濃度為65%、70%、75%組合(見(jiàn)表2)，制成不同配比的試件各3個(gè)。尾砂、水泥混合后加入水，充分?jǐn)噭颍谷脒呴L(zhǎng)為7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模具中，經(jīng)振搗排除氣泡、抹平，放入養(yǎng)護(hù)條件為溫度(20±1)℃、相對(duì)濕度在90%以上的養(yǎng)護(hù)箱中，24 h脫模后，放在相同養(yǎng)護(hù)條件下的養(yǎng)護(hù)箱中，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d。待試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期，使用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min。

表2 尾砂膠結(jié)充填體不同配比

(2)XRD測(cè)定及SEM微觀掃描

將單軸抗壓實(shí)驗(yàn)后的試塊取樣，放入無(wú)水乙醇，置換試樣中的水分，以終止水化反應(yīng)，再經(jīng)40 ℃烘干磨細(xì)后，通過(guò)X-射線衍射儀，其參數(shù)為：角度5°～70°，速度10°/min，步長(zhǎng)0.02°，測(cè)定XRD能譜。將烘干的試樣放在JSM-6390A掃描電子顯微鏡下，觀察充填體內(nèi)部的微觀形貌和水化產(chǎn)物。

2 粒徑對(duì)充填體的影響

2.1 尾砂粒徑對(duì)充填體宏觀力學(xué)性能的影響

不同尾砂粒徑充填體試件的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，由圖2可知，相同粒徑制備的膠結(jié)尾砂充填體均符合普遍規(guī)律：灰砂比、質(zhì)量濃度越大，抗壓強(qiáng)度越大。

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4的分析結(jié)果表明，不同粒徑尾砂制備的膠結(jié)充填體強(qiáng)度增量隨尾砂粒徑的大小存在以下差異：

(1)如圖3所示，相同質(zhì)量濃度下，超細(xì)尾砂和細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增幅隨灰砂比增加呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，即抗壓強(qiáng)度增量逐漸增大。例如：質(zhì)量濃度為75%時(shí)，灰砂比從1:20增加到1:12，超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增量為0.373 MPa，灰砂比從1:12增加到1:6的時(shí)，抗壓強(qiáng)度增量為1.434 MPa，其整體增幅接近3倍；與超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體相同條件下的細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增量變化分別為：0.266 MPa、1.938 MPa，其整體增幅接近7倍，說(shuō)明尾砂粒徑從超細(xì)尾砂增加到細(xì)尾砂粒徑范圍時(shí)，灰砂比的提高對(duì)抗壓強(qiáng)度增量影響顯著。由圖3(a)、圖3(b)可知粗尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增量隨灰砂比增加呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，而圖3(c)中抗壓強(qiáng)度增量的變化呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，說(shuō)明粗尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度增量，對(duì)低灰砂比的敏感度較高，抗壓強(qiáng)度增量隨灰砂比的增加而減小。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨灰砂比變化圖

(2)從圖4可知，在相同灰砂比條件下，當(dāng)粒度增大、質(zhì)量濃度增加時(shí)，充填體抗壓強(qiáng)度增量速率呈遞增趨勢(shì)，例如：在水灰比1:6時(shí)，超細(xì)、細(xì)及粗3種尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度增量隨質(zhì)量濃度(65%～70%)的變化，依次分別為2.236 Mpa、1.660 Mpa和1.964 Mpa，其中細(xì)尾砂制備的充填體抗壓強(qiáng)度增量最低。說(shuō)明在細(xì)尾砂粒徑范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量濃度的敏感性低，若降低或增加尾砂的粒徑，能夠改善抗壓強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量濃度的敏感性。

圖4 抗壓強(qiáng)度隨質(zhì)量濃度變化圖

2.2 尾砂粒徑對(duì)充填體的微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了進(jìn)一步研究宏觀力學(xué)性能中抗壓強(qiáng)度規(guī)律，從空間結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物含量2個(gè)方面，對(duì)X-射線衍射儀設(shè)備和JSM-6390A掃描電子顯微鏡得出的3種不同粒徑尾砂膠結(jié)充填體的XRD能譜和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，填充體的XRD圖譜見(jiàn)圖5，填充體SEM的觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 填充體XRD圖譜

3種不同粒徑尾砂膠結(jié)充填體的XRD能譜分析表明，主要水化產(chǎn)物為二氧化硅、C-S-H、AFt(AFm)，此外，粗尾砂膠結(jié)充填體還出現(xiàn)了Ca(OH)2晶體。由圖5可知：(1)粗尾砂膠結(jié)充填體中二氧化硅峰值最大，是由于粗尾砂所含的伴生石英含量較高所導(dǎo)致。(2)膠凝材料水化產(chǎn)物主要為C-S-H、AFt(AFm)，其中超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體在20°～45°之間存在相對(duì)較多的衍射峰凸起，即C-S-H；尾砂中含有極細(xì)顆粒，活性較低，水化反應(yīng)較慢，因此，XRD能譜顯示在28 d時(shí)仍存在少量未轉(zhuǎn)化成AFt的AFm。

3種不同粒徑尾砂膠結(jié)充填體的電鏡掃描SEM圖像(圖6)分析表明，3種尾砂膠結(jié)充填體均有纖維狀結(jié)構(gòu)的C-S-H和C-S-H包裹針、棒狀A(yù)Ft構(gòu)成的密實(shí)膠凝體。粗尾砂膠結(jié)充填體含有較大的孔隙，在空隙中有六方板狀的Ca(OH)2晶體析出，減少了孔隙的占比，使其形成強(qiáng)度整體，有助于提高充填體的抗壓強(qiáng)度。超細(xì)尾砂和細(xì)尾砂膠結(jié)充填體孔隙大小相近，但超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體中C-S-H含量明顯多于細(xì)尾砂充填體，對(duì)尾砂顆粒起到很好的粘結(jié)作用，所以，相同配比下的充填體，超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度大于細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度。

圖6 填充體SEM觀測(cè)結(jié)果

2.3 尾砂粒徑對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

根據(jù)尾砂粒徑對(duì)充填體宏、微觀的分析及粒徑累計(jì)曲線，如圖1所示，繪制膠結(jié)充填體水化產(chǎn)物生長(zhǎng)簡(jiǎn)圖，如圖7所示)。由圖7可知，在粗尾砂膠結(jié)充填體中，大粒徑尾砂占比較多，極細(xì)尾砂含量較低，為水化產(chǎn)物的成長(zhǎng)提供了生長(zhǎng)空間，有針狀和棒狀的AFt、纖維狀結(jié)構(gòu)的C-S-H及Ca(OH)2晶體出現(xiàn)，豐富的水化產(chǎn)物起到緊密連接骨料的作用，提高了膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度。超細(xì)尾砂膠結(jié)充填體中約90%的尾砂粒徑小于水泥細(xì)度，水泥顆粒之間的接觸面積增大，增強(qiáng)了C-S-H膠凝、AFt之間的相互作用，進(jìn)而包裹尾砂顆粒，形成密實(shí)整體。細(xì)尾砂膠結(jié)充填體粒徑分布范圍較大，空間結(jié)構(gòu)上更加密實(shí)，但是54%的尾砂粒徑小于水泥細(xì)度，這部分顆粒占據(jù)了水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)空間，隔絕了水泥水化產(chǎn)物之間的相互作用，產(chǎn)生弱結(jié)構(gòu)面，進(jìn)而削弱了充填體抗壓強(qiáng)度，故細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度最低。

圖7 充填體抗壓強(qiáng)度水化產(chǎn)物生長(zhǎng)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)論

(1)尾砂粒徑對(duì)膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度有著明顯的影響，相同粒徑制備的膠結(jié)尾砂充填體均符合灰砂比、質(zhì)量濃度越大，則抗壓強(qiáng)度越大的規(guī)律。

(2)相同質(zhì)量濃度下，尾砂粒徑從超細(xì)尾砂粒徑增加到細(xì)尾砂粒徑范圍時(shí)，灰砂比的增大有助于提高超細(xì)及細(xì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增量；尾砂粒徑增加到粗尾砂粒徑，降低灰砂比有助于增加粗尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度增量。相同水灰比下，細(xì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度最低，在灰砂比為1:6，質(zhì)量濃度65%～70%時(shí)，3種尾砂的強(qiáng)度增量依次為：2.236 MPa、1.66 MPa和1.964 MPa。增大或減小尾砂粒徑，能夠改善抗壓強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量濃度的敏感性，可提高膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度。

(3)細(xì)尾砂粒徑跨度較大，部分顆粒占據(jù)了水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)空間，隔絕了水泥水化產(chǎn)物之間的相互作用，產(chǎn)生弱結(jié)構(gòu)面，是導(dǎo)致細(xì)尾砂充填體強(qiáng)度最低的原因。