《全尾砂膠結充填料漿最優(yōu)配比試驗研究》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

《全尾砂膠結充填料漿最優(yōu)配比試驗研究》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，結合某螢石礦充填實際，以全尾砂和普通硅酸鹽水泥為充填材料，采用3因素3水平正交試驗研究灰砂比、料漿質量濃度和養(yǎng)護時間對充填料漿性能的影響規(guī)律，并運用極差分析法選出最優(yōu)配比。結果表明：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度的最主要因素為灰砂比。根據(jù)試驗結果，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)護齡期28 d。

　　關鍵詞：全尾砂膠結充填;正交試驗;灰砂比;坍落度

　　隨著人類對礦產資源大規(guī)模開發(fā)和使用，淺部礦產資源逐漸枯竭，礦產資源開發(fā)正在向地層深部推進[-2。充填采礦法已成為應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、保護礦區(qū)資源、貧損率低、安全環(huán)保等優(yōu)點[-。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，保護環(huán)境，還可以維護采空區(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)大量殘礦進行開采。本文通過室內試驗獲得全尾砂的物理力學性質，并利用正交試驗法優(yōu)化充填配比，給礦山開采提供參考依據(jù)。

　　1全尾砂物理力學性質試驗

　　1.1 原材料

　　試驗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 全尾砂物理力學性質測定

　　根據(jù)《土工試驗方法》測定全尾砂物理力學性質[9-10]，試驗結果見表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程度良好，尾砂級配良好[12。

　　采用全自動 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

　　2.1 正交試驗設計

　　充填料漿灰砂比、質量濃度和養(yǎng)護齡期對充填體強度影響很大，本試驗采用3因素3水平正交試驗研究3個因素對充填體強度的影響規(guī)律[13]，選取正交表L，(3)，即做9組膠結配比試驗，再列一組。

　　水平空白列作對比試驗。因素及水平值取值見表3，全尾砂膠結正交配比試驗設計見表4

　　2.2 試件的制備與養(yǎng)護

　　試驗采用直徑50 mm、高100mm與直徑50mm、高50mm兩種圓柱形試模，在試模內進行充填料漿澆筑，常溫養(yǎng)護72 h，再進行試件脫模、編號，并放入濕度為95%(模擬井下濕度)的恒溫恒濕養(yǎng)護箱中定期灑水養(yǎng)護，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量，采用RMT-150C型巖石力學伺服壓力機對試塊進行力學性能試驗。

　　3試驗結果與分析

　　3.1 料漿坍落度測定

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

　　從圖4可以看出：

　　(1)當料漿質量濃度在68%~75%時，全尾砂流動性隨料漿質量濃度的增大而減小，當料漿質量濃度在75%~82%時，全尾砂坍落度減小的速度最快。(2)當料漿質量濃度在68%~75%時，料漿流動性雖好，但析水量大，對充填體的初凝強度和充填體的排水都有不利影響。當料漿質量濃度在75%~82%時，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：當灰砂比在(1：9)~(1：6)內時，料漿坍落度隨著灰砂比的增大而減小，質量濃度越大坍落度減小的速率越快;當灰砂比在(1：6)~(1：4)時，坍落度隨灰砂比的增大而增大，質量濃度越大坍落度增大的速率越快。這是因為水泥的粒徑極小，當料漿中摻入水泥后，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，進而使得坍落度增大[句。

　　3.2 充填體力學參數(shù)的測定

　　對充填體進行力學參數(shù)測定，試驗結果見表6。

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

　　通過MATLAB2016a軟件進一步對正交試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，得出3個因素對充填體力學性能影響的敏感性。試驗結果極差分析見表7。

　　分析表7可知：

　　(1)膠結充填體單軸抗壓強度影響因素的極差最大值A是極差最小值B的1.226倍;膠結充填體彈性模量影響因素極差值A是極差最小值C的1.306倍;膠結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相差0.004，相差較小;膠結充填體內聚力影響因素極差最大值A是極差最小值B的1.594倍;膠結充填體內摩擦角影響因素極差最大值A是極差最小值B.的2.213倍;膠結充填體抗拉強度影響因素極差最大值A是極差最小值C的1.323倍;膠結充填體抗拉強度影響因素極差最大值B是極差最小值A的1.758倍。

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

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

　　4結論

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

　　(2)當灰砂比一定時，不同質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的脫水要求。

　　(4)水泥用量是影響全尾砂膠結充填體強度的最主要因素，因此在實際生產過程中應考慮增大水灰比。

　　(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