矿山施工过程膏体充填性能因素分析

荆晓东，桑来发，杨纪光

（山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司，山东 烟台 261441）

近些年中我国矿产资源的可开采量有不断减少的趋势，矿产开采阶段容易发生地表塌陷与生态环境破坏等问题，据记载当下国内采矿沉陷区面积已达到20000km2。矿山内填充开采时应用充填材料去置换矿产资源，能有效控制覆岩沉降问题、减少地表位移量，以上是应对当下矿山开采环境问题、处理“三下”压矿现象、提升资源利用效率、减少开采费用的有效方法之一[1，2]。在现实生产中，应科学调整填充材料内各指标之间的关系，设定科学的配比并兼顾经济性，促进该项技术推广过程。

1 设计试验方案

本课题开展了均匀试验，选择普通32.5均匀试验、某矿山电厂粉尘和二级破碎矸石作为原材料。

1.1 确定试验指标、因素和水平

对膏体性能形成影响的因素较多，包括矸石、粉尘灰与水泥的含量以及膏体自身的质量浓度。本试验选择了三个因素[A(粉尘：水泥)：B(矸石：水泥)与C（质量浓度）]。结合既往总结的配比试验，以上三项试验因素的取值范围分别是2～8、4～10、71%～78%[3]。本试验设计时应用了混合水平方式，因素A、B、C分别取7、7、4个水平。

1.2 编制试验方案

使用统一设计软件中的混合层次设计形式，制定了合适的测试计划。见表1所示。选择的均匀设计表是U28（7×7×4），设计偏差（D）为0.2454。具体设计方案如下[4]：准确称出所需量的水泥、粉尘和废石，放入搅拌机中继续干燥3分钟，加入所需量的水搅拌2分钟，由搅拌机导出料浆后，快速检测其塌落度与分层度，而后把料浆导入标准三联试模（7.06cm×7.06cm×7.07cm），安放在养护箱中进行管养，抵达设计温度后检测膏体的初终凝时间，管养到规定龄期后提拿出来，使用压缩试验机测定不同年龄的单轴抗压强度值。部分试验结果见表2[5]。

表1 膏体配比设计方案表

表2 部分试验结果统计表

2 分析不同因素对膏体塌落度形成的影响

2.1 矿山下粉尘含量

参考试验结果的统计，构建了具有含尘和灰分含量的浆体不同质量浓度的沉降数值分析。对上表进行分析后发现，在质量浓度等同时，膏体的塌落度大小和粉尘含量之间呈正相关性，主要原因是加入粉尘后，脉石颗粒之间的摩擦力减弱，浆液流动性增加。当质量浓度不同时，粉尘和灰分含量对浆体坍落度的影响较大，质量浓度越高，粉尘和灰分含量越高，浆体坍落度会显著增加。粉尘和灰烬对高浓缩污泥的形成影响很大。

2.2 质量浓度

伴随料浆质量浓度的提升过程，膏体的塌落度不增反减，相比之下，悬浮液的高质量稠度对沉积物的形成有更大的影响。膏体输送介质的坍落度应>20cm，根据统计试验结果，质量浓度为71%，75%满足试验要求。

2.3 粉尘灰含量、质量浓度

伴随粉尘灰含量的增多，膏体的分层度优逐步减少的趋势，对其成因进行分析，主要是由于粉尘和灰分的比表面积增加，其屈服点和塑性粘度都比较高[6]。

伴随质量浓度的增加，膏体料浆的分层度有逐步降低的趋势，和高质量浓度粉尘灰相比，低质量浓度形成的影响较大。

这就意味着通过提升粉尘灰含量，这可以显著提高浆料的流动性，从而降低分层程度。结合膏状填充介质对分层程度的要求，一般要求分层程度小于2cm，综合测试结果，质量浓度为75%时，达到最佳效果。

2.4 凝结时间变化规律

膏体凝结时间对矿山充填作业效果形成的影响是十分显著的，但是针对膏体的凝结时间，迄今为止当下国内外尚未制定统一的检测标准。实践中，可以参照检测纯水泥凝结时间的方法去测定，维卡仪的检测结果能较好的满足矿山生产的现实要求[7]。

综合分析后，不难发现，水泥含量和浆体的固有质量浓度对凝结时间的形成有明显的影响。当质量浓度一定时，伴随胶结材料含量的增加，膏体的凝结时间有短缩趋势，这主要是因为当粘合剂含量较高时，在初始阶段会形成更多的水化产物，进而短缩了凝结时间。

2.5 单轴抗压强度变化规律

决定浆体单轴抗压强度的因素并不是唯一的：比较常见的是水泥含量、粉尘含量、质量浓度、骨料级配和特殊养护条件。整体分析试验结果后，发现和粉尘含量相比较，粘结剂含量对膏体强度的影响较大，当多种因素综合作用时，很难概括出粉尘含量对膏体强度的影响。在相同质量浓度下，随着保温时间的增加，所有试块的抗压强度都会随着水泥含量的增加而增加。

2.6 泌水率改变规律

泌水被定义为当膏体体积已固化，然而，水在凝结前的向上运动通常是由于新混合的糊状骨料颗粒不能完全吸收混合水造成的。质量浓度、颗粒级配、细粒级含量是影响泌水高低的主要因素[8]。伴随膏体内细粒级含量的增长过程，出血率有自然下降的趋势。分析膏体质量浓度对泌水率形成的影响，伴随膏体的质量浓度的上升，泌水率有规律性的降低。

3 结语

综合本文的研究数据，不难发现，矿下含尘量是影响浆体沉降和分层的主要因素之一，胶凝材料的含量主要影响凝结时间和抗压强度。可以选择因子10作为此实验的最佳因子。胶结料、粉尘、矸石三者的配比是1：4：6，质量浓度选定为75%。

基于本试验研究形成的最佳配比，被成功用于某金矿膏体充填现场、鉴于膏体充填材料构成成分复杂多样的现状，不同类型矸石的胶结含量存在差异，新灰和老灰两者持有的活性有差异，外加环境温度、空气相对湿度形成的影响，推测配比试验仅能对现场作业过程形成一定指导作用，各次充填前要遵照现配制、再填充的规则，进而将充填物料的实用价值充分发挥出来。