《全尾砂膠結(jié)充填料漿最優(yōu)配比試驗(yàn)研究》論文發(fā)表期刊：《礦業(yè)研究與開發(fā)》；發(fā)表周期：2021年03期

《全尾砂膠結(jié)充填料漿最優(yōu)配比試驗(yàn)研究》論文作者信息：王文濤（1994—），男，江西吉安人，碩士研究生，從事礦山巖土技術(shù)和礦山充填理論研究等工作

　　摘要：為了確定充填料漿的最優(yōu)配比，結(jié)合某螢石礦充填實(shí)際，以全尾砂和普通硅酸鹽水泥為充填材料，采用3因素3水平正交試驗(yàn)研究灰砂比、料漿質(zhì)量濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對充填料漿性能的影響規(guī)律，并運(yùn)用極差分析法選出最優(yōu)配比。結(jié)果表明：隨灰砂比增大，坍落度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，隨料漿濃度增大，坍落度呈現(xiàn)反向變化;影響全尾砂充填體強(qiáng)度的最主要因素為灰砂比。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦充填料漿配比最優(yōu)方案為灰砂比1：4，料漿濃度75%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d。

　　關(guān)鍵詞：全尾砂膠結(jié)充填;正交試驗(yàn);灰砂比;坍落度

　　隨著人類對礦產(chǎn)資源大規(guī)模開發(fā)和使用，淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，礦產(chǎn)資源開發(fā)正在向地層深部推進(jìn)[-2。充填采礦法已成為應(yīng)用最廣泛的采礦方法之一，是未來礦山深部采礦的趨勢，其具有控制深部地壓、保護(hù)礦區(qū)資源、貧損率低、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[-。其中，全尾砂充填采礦法不僅可以充分利用廢棄的尾砂，降低采礦成本，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，還可以維護(hù)采空區(qū)的穩(wěn)定，有效控制地表塌陷以及保障井下人員安全作業(yè)[)，已在礦山得到廣泛的推廣應(yīng)用。

　　某螢石礦井水寨礦區(qū)的開采始于2007年，現(xiàn)需用充填采礦法對采空區(qū)大量殘礦進(jìn)行開采。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得全尾砂的物理力學(xué)性質(zhì)，并利用正交試驗(yàn)法優(yōu)化充填配比，給礦山開采提供參考依據(jù)。

　　1全尾砂物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

　　1.1 原材料

　　試驗(yàn)選擇全尾砂為充填骨料，全尾砂取自該礦選礦廠，水泥選用32.5級普通硅酸鹽水泥。

　　1.2 全尾砂物理力學(xué)性質(zhì)測定

　　根據(jù)《土工試驗(yàn)方法》測定全尾砂物理力學(xué)性質(zhì)[9-10]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

　　由表1可知，該螢石礦全尾砂滲透系數(shù)為8.89710-5(cm.s-1)，有利于充填體快速脫水和硬化[11]。

　　用激光粒度分析儀測定該螢石礦全尾砂粒徑組成，如圖1所示。

　　根據(jù)圖1可知：全尾砂粒徑集中在10pm~100um之間。尾砂顆粒的均勻系數(shù)C.=6.07，該尾砂均勻系數(shù)大于5，表明尾砂形成的充填體密實(shí)程度良好，尾砂級配良好[12。

　　采用全自動(dòng) 射線衍射儀(XRD)測定全尾砂的礦物組分，尾砂樣品的X射線衍射譜如圖2所示，采用ICP-MS分析主要元素成分，結(jié)果見表2.

　　從圖2可以看出：該全尾砂的礦物組成以SiO2(石英)為主，屬于高硅型尾礦。由表2可知：礦物成分元素中氧元素和硅元素含量最多，分別占了33.08%和31.85%.Al，K，Ca，F(xiàn)e含量相對較少。

　　2充填料漿最優(yōu)配比試驗(yàn)

　　2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　充填料漿灰砂比、質(zhì)量濃度和養(yǎng)護(hù)齡期對充填體強(qiáng)度影響很大，本試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)研究3個(gè)因素對充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律[13]，選取正交表L，(3)，即做9組膠結(jié)配比試驗(yàn)，再列一組。

　　水平空白列作對比試驗(yàn)。因素及水平值取值見表3，全尾砂膠結(jié)正交配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4

　　2.2 試件的制備與養(yǎng)護(hù)

　　試驗(yàn)采用直徑50 mm、高100mm與直徑50mm、高50mm兩種圓柱形試模，在試模內(nèi)進(jìn)行充填料漿澆筑，常溫養(yǎng)護(hù)72 h，再進(jìn)行試件脫模、編號，并放入濕度為95%(模擬井下濕度)的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中定期灑水養(yǎng)護(hù)，試樣澆注制備如圖3所示。

　　測試前，用砂紙將充填體打磨平整，保持試塊受壓均勻，并測量試塊尺寸和質(zhì)量，采用RMT-150C型巖石力學(xué)伺服壓力機(jī)對試塊進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

　　3試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1 料漿坍落度測定

　　坍落度可以衡量充填料漿的流動(dòng)性[1]，料漿的流動(dòng)性反應(yīng)了料漿的輸送性能，坍落度越小料漿流動(dòng)性越差[13]。測得各組坍落度平均值見表5，充填料漿坍落度與質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖4所示，與灰砂比的關(guān)系如圖5所示。

　　從圖4可以看出：

　　(1)當(dāng)料漿質(zhì)量濃度在68%~75%時(shí)，全尾砂流動(dòng)性隨料漿質(zhì)量濃度的增大而減小，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度在75%~82%時(shí)，全尾砂坍落度減小的速度最快。(2)當(dāng)料漿質(zhì)量濃度在68%~75%時(shí)，料漿流動(dòng)性雖好，但析水量大，對充填體的初凝強(qiáng)度和充填體的排水都有不利影響。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度在75%~82%時(shí)，析水量較少，沉降、離析少，沒有出現(xiàn)水泥與尾砂分離的現(xiàn)象，適合高濃度井下充填。

　　從圖5可以看出：當(dāng)灰砂比在(1：9)~(1：6)內(nèi)時(shí)，料漿坍落度隨著灰砂比的增大而減小，質(zhì)量濃度越大坍落度減小的速率越快;當(dāng)灰砂比在(1：6)~(1：4)時(shí)，坍落度隨灰砂比的增大而增大，質(zhì)量濃度越大坍落度增大的速率越快。這是因?yàn)樗�泥的粒徑極小，當(dāng)料漿中摻入水泥后，充填料漿的粒徑級配發(fā)生變化，尾砂顆粒表面逐漸黏附水泥，從而變成粒徑較大的顆粒，進(jìn)而使得坍落度增大[句。

　　3.2 充填體力學(xué)參數(shù)的測定

　　對充填體進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測定，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

　　在全尾砂充填采礦中，為掌握料漿質(zhì)量濃度、灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期3個(gè)因素對充填材料的敏感性程度，通過正交試驗(yàn)分析，即分別選取3種灰砂比(1：4，1：6和1：8)、養(yǎng)護(hù)齡期(7d.14d和28d)和料漿質(zhì)量濃度(68%、75%和82%)，進(jìn)行各因素對充填體各力學(xué)參數(shù)的敏感性研究。

　　通過MATLAB2016a軟件進(jìn)一步對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，得出3個(gè)因素對充填體力學(xué)性能影響的敏感性。試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表7。

　　分析表7可知：

　　(1)膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度影響因素的極差最大值A(chǔ)是極差最小值B的1.226倍;膠結(jié)充填體彈性模量影響因素極差值A(chǔ)是極差最小值C的1.306倍;膠結(jié)充填體泊松比影響因素極差最大值B是極差最小值C的2倍，極差最大值B與極差中值A(chǔ)相差0.004，相差較小;膠結(jié)充填體內(nèi)聚力影響因素極差最大值A(chǔ)是極差最小值B的1.594倍;膠結(jié)充填體內(nèi)摩擦角影響因素極差最大值A(chǔ)是極差最小值B.的2.213倍;膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度影響因素極差最大值A(chǔ)是極差最小值C的1.323倍;膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度影響因素極差最大值B是極差最小值A(chǔ)的1.758倍。

　　(2)膠結(jié)充填體的泊松比極差值A(chǔ)與B相差不大，說明灰砂比與料漿質(zhì)量濃度均對全尾砂充填體的泊松比有影響。

　　(3)對充填料漿流動(dòng)性影響最大的因素是料漿質(zhì)量濃度，因此礦山應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際充填需要選擇合適的料漿質(zhì)量濃度。

　　4結(jié)論

　　(1)該礦全尾砂粒徑大，屬于粗尾砂范疇，相對利用率高，與水泥膠結(jié)能力強(qiáng)，有利于提高充填體強(qiáng)度。

　　(2)當(dāng)灰砂比一定時(shí)，不同質(zhì)量濃度的料漿坍落度變化較大。全尾砂料漿的坍落度隨濃度的增大而減小。

　　(3)全尾砂滲透系數(shù)良好，在充填過程中能較快排出尾砂中的重力水，基本滿足井下正常生產(chǎn)的脫水要求。

　　(4)水泥用量是影響全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的最主要因素，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)考慮增大水灰比。

　　(5)最終選擇充填體的最優(yōu)配比為：灰砂比1：4、料漿濃度75%和養(yǎng)護(hù)齡期28 d.

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　　Abstract: In order to determine the optimal ratio of filling slurry, combined with the filling practice of a fluorite mine, full tailings and ordinary portland cement were taken as the filling material. Orthogonal tests with three factors and three levels were used to study the influence law of cement-sand ratio, mass concentration of slurry, as well as curing time on the properties of filling slurry. And the range analysis method was used to select the best ratio. The results show that with theincrease of cement-sand ratio, slump presents a trend of decreasing first and then increasing, but changes inversely with the slurry concentration. The most important factor affecting the strength of full-tailings filling body is cement-sand ratio. Based on the test results, the optimal filling ratio is recommended as cement-sand ratio of 1 : 4, slurry concentration of 75%, and curing time of 28 days.

　　Key words: Ful-tailings cemented filling, Orthogonal experiment, Cement-sand ratio, Slump, The optimal ratio