基于级配分析的充填强度优化研究

同树锋，李宏业，胡亚飞

(1.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100;2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

骨料级配是固体颗粒混合物体系的一个重要性质，其定义为组成骨料的不同粒径颗粒的比例关系。充填料浆中的所有骨料占到充填体积的三分之二以上，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙，进而减少骨料中的空隙率，提高密实度[1]，利用骨料充分发挥强度效应，因而骨料级配是影响充填体强度的关键因素[2]。研究表明，骨料级配越好，则骨料之间的填隙效应越显著，可使骨料之间处于紧密嵌锁状态[3]。Fuller级配曲线是一种最大密度理想曲线，一般认为骨料级配曲线越接近Fuller曲线，则级配越好[4-6]。何建元[7]等针对废石全尾砂混合骨料粒径级配展开分析，发现这两种骨料级配差无法单独使用，当废石与全尾砂配比为6∶4与7∶3时，其粒度曲线与Fuller曲线接近，堆积密实度达到最大；张磊[8]等通过对粗骨料级配进行研究指出，可用Talbol法对骨料级配进行优化，且骨料级配对强度的影响非常显著；李明琛[9]等通过分析骨料孔隙率对混凝土强度的影响，发现通过不同粒径的骨料混合来降低孔隙率优化骨料级配，可以提高混凝土的强度，且降低骨料孔隙率是优化骨料级配的关键路径。骨料级配对充填体强度有较大影响，而矿山在应用充填技术时往往采用经验法，选取的配比相对粗略。因此，有必要基于级配分析对充填体的强度优化开展研究。

为解决金川镍矿在使用棒磨砂胶结充填时出现的充填强度低且水泥耗量大等问题，对棒磨砂开展级配分析，并提出采用废石集料+棒磨砂为骨料的解决方案，以骨料堆积密实度为技术手段，选取最佳骨料级配，并基于现有配合比开展强度试验，得出满足强度要求下的水泥掺量等参数，对充填配比进行优化。研究结果可为同类矿山提供指导。

1 充填骨料级配分析

1.1 充填骨料

金川公司采用棒磨砂高浓度料浆管道自流输送胶结充填技术，充填骨料为棒磨砂，棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石经“两段一闭路”的破碎工艺和棒磨工艺后加工成-9.5 mm棒磨砂用以充填，其物理参数见表1。

表1 棒磨砂物理参数

1.2 骨料级配分析

测定棒磨砂的级配并与Fuller理想级配进行比较，结果见表2。

表2 棒磨砂与Fuller级配比较

根据表2绘制棒磨砂及Fuller理想级配下各粒级区间的骨料分布频度图，如图1所示。

图1 棒磨砂与Fuller级配频度比较Fig.1 Comparison of gradation frequency between bar grinding and Fuller

由表1及图1可以看出，金川棒磨砂的粒径分布呈粗粒级偏少、细粒级偏多的特征。其中0.074 mm与理想级配差别不大；但棒磨砂在0.074～0.63 mm区间颗粒含量偏多，与Fuller级配相比差值达50%；棒磨砂在2.36～4.75 mm区间的含量最高，而在区间4.75～9.5 mm内的含量与Fuller级配相比偏少，差值达41%以上。总体来看，棒磨砂粒度1 mm以下达到40%左右，5 mm以下粒径达80%以上，细粒级含量太大，而粗料含量偏少。

基于Talbol级配理论对棒磨砂的级配分布频度进行曲线拟合，该拟合曲线与Fuller曲线的对比见图2。Talbol公式如式(1)所示：

P=100×(x/D)n

(1)

式中：P—所计算的集料粒径x的通过率，%；D—集料的最大粒径，mm；n—级配指数，n=0.5时该公式即为Fuller公式。

图2 棒磨砂粒度曲线与Fuller曲线比较Fig.2 Comparison of the particle size curve of the rod grinding with the Fuller curve

由图2可知，Fuller理想级配对骨料的要求是，在连续的级配中骨料的含量随粒径的增大而增多，而棒磨砂粒径分布却没有表现出此趋势，说明棒磨砂某些组分间断或缺失，级配不良；棒磨砂拟合曲线的n值低于Fuller曲线，对比可知，棒磨砂中粗料含量偏少。这是导致金川棒磨砂高浓度自流充填水泥用量大(310 kg/m3)而充填质量差的核心原因之一。

2 充填骨料级配优化

2.1 基于骨料堆积密实度的级配优化

棒磨砂的细粒级含量太高、粗粒含量偏低。为优化骨料级配，以废石集料为粗骨料、棒磨砂为细骨料，通过开展骨料堆积密实度试验来确定两种骨料的配比，以最大化地发挥骨料间的强度效应。该试验采用称重法，试验用粗骨料为金川矿山的破碎废石集料，粒径均在12 mm以下，物理参数见表3，细骨料为棒磨砂(表1)。

表3 粗骨料物理参数

混合骨料的堆积密实度试验结果见表4。

表4 骨料堆积密实度

骨料密实度与废石集料占混合料比例的关系曲线见图3。

图3 废石集料占比与密实度的关系Fig.3 The relationship between the proportion of waste rock aggregate and compactness degree

由表4及图3可知，骨料级配决定了骨料的密实度。随着废石集料在混合料中占比的增大，骨料堆积密实度呈现先增大后减小的趋势，当废石集料所占比例为0.5(废石∶风砂=5∶5)时，混合骨料堆积密实度最大为0.728，说明此时混合料级配较好。当废石集料所占比例小于0.5时，棒磨砂在混合体系中占据主导作用，而作为粗骨料的废石颗粒随机分散在细料散体中，粗骨料与细骨料之间未嵌合而产生松动效应；随着废石破碎集料的增多，粗颗粒逐渐形成一定的“骨架”结构，这种情况下细颗粒主要起到“填隙”作用，废石集料所占比例为0.5时，“填隙”作用达到最大；随着粗骨料的进一步增多，由于细粒料减少无法完全“填隙”，导致混合料的堆集密实度逐渐降低。

根据试验结果与分析，当废石在混合料中的占比在0.4～0.6时骨料最密实，因此推荐石砂比4∶6、5∶5、6∶4三组配比开展级配分析。

2.2 混合骨料级配分析

将废石与棒磨砂分别按照4∶6、5∶5和6∶4三种配比混合后，对混合料开展级配分析，其粒级分布见表5。

表5 混合料级配与Fuller级配比较

根据表5的测试结果，使用origin软件对混合料级配进行Talbol函数曲线拟合，并与Fuller曲线进行比较，级配拟合曲线见图4。

图4 混合料级配拟合曲线Fig.4 Mixture gradation fitting curve

由表5及图4可以看出，废石+棒磨砂配比为4∶6～5∶5时的混合料级配与Fuller级配较接近，其中4∶6配比的细粒含量、5∶5配比的粗粒含量较Fuller级配稍高，但差值都在5%的范围内，级配较好；6∶4配比的粗料含量相较Fuller级配相差较大，级配稍差。另外，废石+棒磨砂配比为4∶6、5∶5和6∶4对应的级配指数n分别为0.49、0.51和0.53，即随着废石掺量的增加，级配指数表现出逐渐增大的规律。

总体来看，废石+棒磨砂5∶5混合料的堆积密实度最高，与Fuller理想级配最接近，说明其级配组分最好。

2.3 配合比试验强度测试

为研究新骨料配比对充填强度的影响，采取控制变量法，依据金川高浓度料浆充填工艺，胶凝材料选择金川公司生产的P·O42.5R高性能水泥，以水泥掺量为变量，为保证充填料浆的工作性，水泥掺量控制在240～310 kg/m3；保持料浆浓度为78%、砂石比为5∶5。试验方案见表6。

表6 配合比试验方案

选用100 mm×100 mm×100 mm钢制模具制作试件，试块拆模后在恒温恒湿标准养护箱按温度28℃、湿度85%条件对试块进行标准养护；考察试块的3、7和28 d单轴抗压强度。测试结果见表7。

表7 配合比测试结果

根据表7绘制出不同水泥掺量下试块单轴抗压强度的变化曲线，见图5。

图5 不同水泥掺量下的强度曲线Fig.5 Strength curves under different cement contents

由表7以及图5可知，随着水泥掺量的增加，充填体3 d、7 d和28 d强度逐渐提高，且28 d强度明显高于3 d和7 d强度。根据金川公司对充填体强度的要求(R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5 MPa)，在保持料浆浓度78%的条件下，采用废石+棒磨砂为骨料且砂石比为5∶5，当水泥掺量为260 kg/m3时，充填体即可达到强度要求；相对比，金川公司使用棒磨砂为骨料，同种条件下需要水泥掺量至少达到310 kg/m3才能满足强度要求，相较前者多消耗水泥20%以上。说明良好的骨料级配可以提高充填体强度、降低水泥用量。

这意味着在设计配合比时，对于特定的强度要求，可以通过优化骨料级配来降低水泥用量，节约充填成本。当充填骨料达到最大堆积密实度的配比时，骨料级配可以达到最佳状态，骨料中的粗粒和细粒相互紧密嵌合形成“骨架结构”，以最大化地发挥强度效应，进而提高充填体强度。

3 结论

1)对金川公司作为主要充填骨料的棒磨砂开展级配分析并与Fuller理想级配进行比较发现，棒磨砂的粒径分布呈细粒级偏多、粗粒级偏少的特征，级配不良，不能单独作为骨料使用。其1 mm以下粒径达到40%，5 mm以下粒径达80%以上，粗粒含量偏少，会导致粗粒与细粒无法形成嵌合结构，对较粗的颗粒造成“松动效应”，无法形成“骨架”。

2)为优化骨料级配，提出将废石集料与棒磨砂作为骨料，将骨料堆积密实度作为研究手段。在混合料中，随着废石集料的增加，混合料堆积密实度呈“拱形”先增大后减小，当砂石比为5∶5时，密实度达到最大值为0.728；对达到最大密实度的骨料配比开展级配分析发现，该级配与Fuller理想级配最接近，级配粒级分布最好。另外，混合料的粗粒含量越高，其级配指数n越大。

3)良好的骨料级配可以提高充填体强度、降低水泥用量。在保持料浆浓度78%的条件下，采用废石+棒磨砂为骨料且砂石比为5∶5(最佳级配)，当水泥掺量为260 kg/m3时，充填体即可达到强度要求。金川公司以棒磨砂为骨料，同种条件下需要水泥掺量至少达到310 kg/m3，该配合比相较前者需要多消耗水泥20%左右。