不同灰砂比和料浆浓度下充填体强度特性研究

聂亚林，陈智宏，王晓军，黄惟盛

（1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；3.江西铜业集团公司 武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

充填采矿技术可以有效控制采场地压、防止地表沉降、预防深井岩爆、提高矿石回收率和促进矿山绿色化，加之国家对矿山企业安全、环保方面的要求，充填采矿法将成为以后矿山开采方法的新常态。

近年来，国内外学者在充填体稳定性和强度方面进行了大量研究，其中，Kesimal A［1］研究了脱泥铜铅锌尾砂与膏体强度的关系，发现尾砂颗粒大小分布对胶结充填体强度有较大的影响；Fall［2］等人研究了养护温度对尾砂胶结充填体的强度的影响；Wolfgang-Helm［3］研究了水泥种类和掺量、骨料的成分和级配、拌合用水的水质和用水量、添加剂、搅拌时间、养护龄期、环境温度等含细骨料的胶结充填体的影响；李兴尚［4］等人通过多元回归分析的研究方法，得出影响胶结充填体强度的主要因素为尾砂的颗粒组成及其粒径大小等;曹帅［5］等人利用单轴压缩试验研究分层尾砂胶结充填体力学特性变化规律及破坏模式，发现强度与相关因素的关系；付建新［6］等人采用单因素五水平设计试验研究了全尾砂胶结充填体强度与灰砂比、料浆中固相质量分数、龄期之间的关系，并且分析了其敏感性；徐文彬［7］等人通过内部微观结构演化及其强度模型试验，研究充填体内部水化反应产物的类型及形态对其强度发展规律的影响。

上述学者在充填体受压变形破坏过程中的强度方面，取得了不少有益的成果，但不同灰砂比和料浆质量浓度对全尾砂胶结充填体单轴抗压强度影响方面的研究涉及较少。笔者进行了全尾砂胶结充填体单轴压缩试验研究，综合分析充填体单轴抗压强度与灰砂比和料浆质量浓度之间的关系，研究结果对金属矿山地下开采作业安全具有一定的指导作用。

2 试验内容

2.1 试样制备

试验所用的全尾砂取自武山铜矿选矿厂，将全尾砂放置在阳光充足的环境下晾晒一段时间，待水分完全挥发之后，用作全尾砂胶结充填体的骨料；胶结充填体的胶凝材料选用标号325的水泥。将水泥、全尾砂、水按一定灰砂比和浓度混合并充分搅拌均匀，随后倒入规格为7.07×7.07×7.07cm3的标准模具内，为了便于脱模，预先在模具内涂抹一层润滑油，在达到一定时间后进行脱模，脱模后放置在湿度为95%、温度为（21±1）℃的养护箱中恒温恒湿养护。

2.2 试验设备及原理

本试验采用RMT-150C型液压伺服控制系统作为加载系统，利用该系统进行单轴压缩试验；单轴压缩试验加载控制模式为行程控制，且加载速率为0.01mm/s。受压试样的抗压强度采用轴心受压形式，如图1所示，利用RMT-150C型液压伺服控制系统测定其单轴抗压强度。计算公式为：

式中：P—破坏载荷，N；S—承压面积，m2。

缺钼矫正技术：叶面喷施0.01%-0.1%浓度的钼酸铵或钼酸钠溶液，一般在抽梢后的新叶期或幼果期进行喷施为宜。对酸性土壤，增施石灰，调节pH值，保持土壤pH5.5-6.5。

图1 单轴抗压强度测试

3 强度特性分析

试验设计的背景是依托矿山科研项目，根据项目研究内容的需要，选取灰砂比1∶4、1∶6、1∶8和1∶10；料浆质量浓度70%、72%、74%和76%，一共16组48个试样进行单轴压缩试验，选取充填体试样的养护龄期均为28d（根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002，养护龄期28d已达到混凝土强度的95%，之后随着龄期的增加，强度增加缓慢；因为充填体类似于混凝土材料可参照选取养护龄期）。测得试验结果并取其平均值作为每组试样的单轴抗压强度。试验结果如表1所示。

表1 充填体试样28d单轴抗压强度

由于此次试验主要是为了研究不同灰砂比和料浆浓度下充填体强度变化规律，因此每组试验除了灰砂比和料浆质量浓度不同外，其余条件（尾砂粒度、温度、养护环境等）均保持一致。试验结果表明不同的灰砂比或料浆质量浓度对充填体强度具有很大的影响。由表1可得料浆质量浓度与充填体试样28d单轴抗压强度之间的关系，如图2所示，以及灰砂比与充填体试样28d单轴抗压强度之间的关系，如图3所示。灰砂比和料浆质量浓度同时影响充填体的强度，研究单一因素对强度的影响，需保持另一因素不变。

3.1 料浆质量浓度对长期强度的影响

充填体灰砂比一定条件下，充填体的料浆质量浓度是影响充填体强度的关键因素。由图2可以看出，在其它影响因素不变的情况下，随着料浆质量浓度的增大，充填体的强度逐渐提高，尤其是当浓度大于74%时，充填体的强度显著提高。当灰砂比为1∶6时，质量浓度为70%的充填体试块抗压强度为1.717MPa，质量浓度为76%的充填试块强度为3.906MPa，充填体试块强度提高了1.27倍。充填体的强度增加量与质量浓度也有密切的联系，质量浓度从72%增大到74%时强度的增加量，相比较于质量浓度从70%增大到72%时强度的增加量有所增大，随着质量浓度的提高，充填体强度增加量也随之增大。但是当灰砂比为1∶10时，质量浓度从74%增大到76%充填体强度的增加量反而减小，呈现出降低的趋势，说明灰砂比降低到一定程度之后，料浆质量浓度对充填体强度的影响不显著，灰砂比对充填体强度的影响比料浆质量浓度对强度的影响大。

图2 强度及强度增加量与质量浓度的关系

3.2 灰砂比对单轴抗压强度的影响

料浆质量浓度一定条件下，充填体灰砂比是影响充填体强度的关键因素。由图3可以看出，在其它影响因素不变的情况下，随着灰砂比的减小，充填体的强度明显降低，尤其是灰砂比从1∶4减小到1∶6时，相对于其他灰砂比充填体强度大幅降低。料浆浓度为74%时，灰砂比为1∶8的充填体的强度为1.875MPa，同龄期灰砂比为1∶4的充填试块强度为4.462MPa，充填体强度提高了1.38倍。充填体的强度降低量与灰砂比有密切的联系，随着灰砂比的减小，充填体强度降低量也随之减小。灰砂比小于1∶10之后，充填体的强度很低并且充填体强度的降低量很小，若继续减小灰砂比，对充填体强度的影响越来越小。

图3 强度及强度降低量与灰砂比的关系

4 结论

（1）在其余试验条件相同的前提下，全尾砂胶结充填体单轴抗压强度与灰砂比、料浆质量浓度正相关；强度的增量随着灰砂比、料浆质量浓度的增大增幅也随之加大；

（2）综合分析单轴抗压强度增量与灰砂比、料浆质量浓度关系曲线可知，灰砂比较料浆浓度对全尾砂胶结充填体影响更加显著。