尾砂胶结充填体在多因素影响下的强度试验研究

王永霞

(内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰 024005)

随着六十多年的强化开采，我国陆地资源的开发程度相当成熟，浅地表的资源已经开采殆尽，深部开采增加了资源开采的成本和难度，我国沿海及其大陆架为主体的海基类金属资源为我国资源开发提供了新的出路和方向[1-4]。近海和海下矿床资源的开发有其特殊性，由于海水中含有很高的盐分，海水通过破裂带、岩石裂隙渗入井下，对井下充填体、设备等造成腐蚀，对海下矿床的开采造成一定的安全威胁[5-7]。

三山岛金矿是国家黄金工业“七五”期间重点建设项目，位于中朝地台胶辽台隆的郯庐断裂带的东侧，有较为复杂的区域地质背景。矿区地表水体有渤海和王河，渤海三面环绕矿区，矿区地下水中包括第四系孔隙水和基岩裂隙水，根据矿山勘探时期的钻孔取样分析资料，多数基岩水的水质为高矿化度的卤水，矿化度最高达到92.75 g/L，故称之为基岩卤水。矿山开拓生产后，该含水带未有取样的记录，但由于该含水带水位下降不大，可以推测出水质不会有大的改变。基岩卤水与海水及第四系水混合后，以裂隙涌水的方式进入矿山的水循环系统，正是该矿山充填用水中盐卤离子的主要来源。本文基于以上背景，对三山岛金矿卤水条件下的充填体强度规律及其影响因素进行研究，为井下提高充填体强度、改善充填效果提供指导。

1 充填搅拌水及尾砂粒径分析

1.1 充填搅拌水

在充填站对充填搅拌用水取样，按照相关要求进行充填用水的水质分析，取样过程中保证充填搅拌用水的水质不受到人为污染，为了防止充填搅拌用水由于放置时间过长改变其化学性质，其水质化验全部项目检验在取样后7 d内完成。

1.2 尾砂

尾砂取样是在尾砂仓进行，按照检验分析要求，对全尾砂和分级尾砂都进行了取样，采用MS-30激光粒度分布测试仪对尾砂的粒度分布进行测试，测试结果见表2、图1和图2。由分析结果可以看出，全尾砂的细度明显低于分级尾砂，比表面积分级尾砂远小于全尾砂。从图1可以看出，分级尾砂的粒径分布相对集中，主要粒径分布范围在12.119～173.40 μm之间，占到总重量的80%以上。从图2可以看出，全尾砂的粒径分布相对较为均匀，但尾砂颗粒相对偏细，粒径在39.744 μm以下的尾砂颗粒占到中质量的50%。

从理论上说，尾砂颗粒越细，其充填料浆的含水量就越高，从而导致井下采场脱水较难。因此，在采用管道自流输送的充填料浆其质量浓度均偏低，达不到采场充填强度的要求，国内大部分充填自流输送矿山均采用分级尾砂，以保证料浆脱水速度，更有利于充填体的固结。

表1 充填搅拌用水成分分析Table 1 Composition analysis of filling water

表2 尾砂粒级分析数据统计表Table 2 StatisticalTable for grain size analysis of tailings

图1 分级尾砂粒级分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of grading tailings

图2 全尾砂粒级分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of full tailings

2 卤水对充填体强度的影响

2.1 试验方案

为了探究卤水对充填体强度的影响规律及机制，按照灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶16五种配比制作充填体试块，同时每种配比充填体试块采用卤水和自来水分别制作，自来水作为对比实验与卤水进行比较。浇筑充填体的充填料浆质量浓度为70%，采用磨具在实验室内制作成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm正方体试块，为了保证养护条件与现场环境相同，充填体试块的养护温度为28±1 ℃，相对湿度为90%。

为了探究不同养护龄期对于充填体强度的影响，分别对养护龄期为3 d、7 d、14 d、28 d下的充填体试块强度进行测试。

2.2 尾砂胶结充填体强度变化规律

当充填体试块达到设计的养护龄期后进行强度试验，测试其单轴抗压强度，每种配比测试3个试样，取其平均值。表3为强度测试结果。采用数据回归的方法对不同充填搅拌用水条件下不同灰砂比的充填体试块在不同养护龄期下的抗压强度进行分析，得到充填体强度的拟合曲线(图3～7)。

表3 充填在不同龄期下的强度试验结果Table 3 Strength test results of filling at different ages

图3 灰砂比为1∶6的充填体试块强度拟合曲线Fig.3 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶6

图4 灰砂比为1∶8的充填体试块强度拟合曲线Fig.4 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶8

图5 灰砂比为1∶10的充填体试块强度拟合曲线Fig.5 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶10

图6 灰砂比为1∶12的充填体试块强度拟合曲线Fig.6 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶12

图7 灰砂比为1∶16的充填体试块强度拟合曲线Fig.7 Strength fitting curve of filling body specimen with cement-sand ratio 1∶16

从图3～7可以看出，随着养护龄期的增长，充填试块的强度呈增长趋势。通过拟合发现，充填体试块强度与养护龄期呈乘幂函数关系，函数关系式为Rc=atb,从图中可以看出，各灰砂比配比下曲线拟合优度R2均在0.98以上，说明拟合精度较高。

相同充填搅拌水条件下，随着灰砂比的提高，充填体强度随养护龄期的增长增加的速度越快。将拟合函数Rc=atb中的a为拟合曲线的斜率，其物理意义可看作强度增长的速率大小。当充填搅拌用水为卤水时，随着灰砂比的增大，其a值迅速增大，当灰砂比为1∶16时，a值仅为0.070；灰砂比1∶6时，a的值达到了0.4069。当搅拌用水为自来水时，与卤水条件下表现出相同的变化规律。

在相同灰砂比条件下，当搅拌用水为卤水时，在早期龄期养护下(7 d以下)，其充填体强度高于搅拌用水为自来水条件下的充填体强度，但二者相差不大。随着养护龄期的增长，自来水拌合的充填体试块强度大于卤水拌合试块的强度。

结合矿山实际情况，采用分层胶结充填法的矿山，通常在充填体充至井下7 d左右，用于采矿的凿岩设备和出矿设备将进入采场，在充填体上进行采矿作业，因此，将卤水作为充填搅拌用水，有利于提高充填体的早期强度，有利于充填体的早期稳定。

2.3 充填体强度影响因素极差分析

上述充填体强度试验中，充填体试块的强度主要受充填体搅拌用水、养护龄期及配合比这3个因素的影响，为了对上述3个因素的影响程度进行分析，采用极差分析的方法对影响充填体强度的3个因素进行分析，对3个影响因素的重要程度进行排序，为井下提高充填体强度、改善充填效果提供指导。

不同龄期、不同充填搅拌用水、不同灰砂比下的充填体强度试验结果见表3。对表3中的数据进行极差分析，由于3个影响因素的水平数不相同，水平数多的因素其极差R往往更大一些，因而直接采用极差R进行分析其结果难易保证其准确性，采用折算系数d对不同影响因素水平数的极差R进行折算处理，折算系数见表4。

表4 折算系数表Table 4 Conversion coefficient

根据表3，灰砂比(A因素)为5水平，因此dA=0.40，养护龄期(B因素)为4水平，因此dB=0.45，充填搅拌用水(C因素)为2水平，因此dC=0.71，通过对表2的数据进行极差计算，得出RA=0.795，RB=1.630，RC=0.564，将表3中的折算系数对计算的极差R按照式(1)进行折减。

(1)

式中：R′为折算后的极差；d为折算系数；r为因素水平数；R为折算前的极差。

将数据带入式(1)可得灰砂比(A因素)、养护龄期(B因素)和充填搅拌用水(C因素)折算的极差，分别见式(2)、式(3)和式(4)。

(4)

图8 XRD衍射图Fig.8 XRD diffraction pattern

2.4 卤水对充填体强度的影响机理

水泥的水化产物主要为C—S—H凝胶、氢氧钙石(Ca(OH)2)和钙矾石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，其中C—S—H凝胶提高胶结强度起关键作用，而Ca(OH)2能促进水泥的水化反应，从而提高充填体的早期强度，而CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的产生则对充填体的长期强度产生不利影响。

图9为灰砂比为1∶6、1∶10拌合水为自来水和卤水条件下养护28 d的充填体电镜扫描图片。从图9中可以看出，用灰量不同对于其微观形貌特性的影响比较明显，水泥用量大的试样针状和絮凝状物质明显，而水泥用量小的试样不能看出针状物，仅有少量絮状物。

图9 充填体试块的扫描电镜图Fig.9 Scanning electron micrograph of the filling block

3 结 论

1) 卤水有利于提高充填体早期强度，但对其长期强度造成影响。

2) 通过研究充填体试块强度与养护龄期的关系，得出二者呈乘幂函数关系。

3) 通过极差分析，养护龄期为影响充填体强度的主要因素，配合比影响最小。

4) 通过XRD衍射分析得出，在充填体试块养护龄期早期，卤水条件下C—S—H凝胶和Ca(OH)2的衍射峰数量较多是造成充填体早期强度较高的原因。