全尾砂胶结充填料浆最优配比试验研究

《全尾砂胶结充填料浆最优配比试验研究》论文发表期刊：《矿业研究与开发》；发表周期：2021年03期

《全尾砂胶结充填料浆最优配比试验研究》论文作者信息：王文涛（1994—），男，江西吉安人，硕士研究生，从事矿山岩土技术和矿山充填理论研究等工作

　　摘要：为了确定充填料浆的最优配比，结合某萤石矿充填实际，以全尾砂和普通硅酸盐水泥为充填材料，采用3因素3水平正交试验研究灰砂比、料浆质量浓度和养护时间对充填料浆性能的影响规律，并运用极差分析法选出最优配比。结果表明：随灰砂比增大，坍落度呈现出先减小后增大的变化趋势，随料浆浓度增大，坍落度呈现反向变化;影响全尾砂充填体强度的最主要因素为灰砂比。根据试验结果，推荐充填料浆配比最优方案为灰砂比1：4，料浆浓度75%，养护龄期28 d。

　　关键词：全尾砂胶结充填;正交试验;灰砂比;坍落度

　　随着人类对矿产资源大规模开发和使用，浅部矿产资源逐渐枯竭，矿产资源开发正在向地层深部推进[-2。充填采矿法已成为应用最广泛的采矿方法之一，是未来矿山深部采矿的趋势，其具有控制深部地压、保护矿区资源、贫损率低、安全环保等优点[-。其中，全尾砂充填采矿法不仅可以充分利用废弃的尾砂，降低采矿成本，变废为宝，保护环境，还可以维护采空区的稳定，有效控制地表塌陷以及保障井下人员安全作业[)，已在矿山得到广泛的推广应用。

　　某萤石矿井水寨矿区的开采始于2007年，现需用充填采矿法对采空区大量残矿进行开采。本文通过室内试验获得全尾砂的物理力学性质，并利用正交试验法优化充填配比，给矿山开采提供参考依据。

　　1全尾砂物理力学性质试验

　　1.1 原材料

　　试验选择全尾砂为充填骨料，全尾砂取自该矿选矿厂，水泥选用32.5级普通硅酸盐水泥。

　　1.2 全尾砂物理力学性质测定

　　根据《土工试验方法》测定全尾砂物理力学性质[9-10]，试验结果见表1。

　　由表1可知，该萤石矿全尾砂渗透系数为8.89710-5(cm.s-1)，有利于充填体快速脱水和硬化[11]。

　　用激光粒度分析仪测定该萤石矿全尾砂粒径组成，如图1所示。

　　根据图1可知：全尾砂粒径集中在10pm~100um之间。尾砂颗粒的均匀系数C.=6.07，该尾砂均匀系数大于5，表明尾砂形成的充填体密实程度良好，尾砂级配良好[12。

　　采用全自动 射线衍射仪(XRD)测定全尾砂的矿物组分，尾砂样品的X射线衍射谱如图2所示，采用ICP-MS分析主要元素成分，结果见表2.

　　从图2可以看出：该全尾砂的矿物组成以SiO2(石英)为主，属于高硅型尾矿。由表2可知：矿物成分元素中氧元素和硅元素含量最多，分别占了33.08%和31.85%.Al，K，Ca，Fe含量相对较少。

　　2充填料浆最优配比试验

　　2.1 正交试验设计

　　充填料浆灰砂比、质量浓度和养护龄期对充填体强度影响很大，本试验采用3因素3水平正交试验研究3个因素对充填体强度的影响规律[13]，选取正交表L，(3)，即做9组胶结配比试验，再列一组。

　　水平空白列作对比试验。因素及水平值取值见表3，全尾砂胶结正交配比试验设计见表4

　　2.2 试件的制备与养护

　　试验采用直径50 mm、高100mm与直径50mm、高50mm两种圆柱形试模，在试模内进行充填料浆浇筑，常温养护72 h，再进行试件脱模、编号，并放入湿度为95%(模拟井下湿度)的恒温恒湿养护箱中定期洒水养护，试样浇注制备如图3所示。

　　测试前，用砂纸将充填体打磨平整，保持试块受压均匀，并测量试块尺寸和质量，采用RMT-150C型岩石力学伺服压力机对试块进行力学性能试验。

　　3试验结果与分析

　　3.1 料浆坍落度测定

　　坍落度可以衡量充填料浆的流动性[1]，料浆的流动性反应了料浆的输送性能，坍落度越小料浆流动性越差[13]。测得各组坍落度平均值见表5，充填料浆坍落度与质量浓度的关系如图4所示，与灰砂比的关系如图5所示。

　　从图4可以看出：

　　(1)当料浆质量浓度在68%~75%时，全尾砂流动性随料浆质量浓度的增大而减小，当料浆质量浓度在75%~82%时，全尾砂坍落度减小的速度最快。(2)当料浆质量浓度在68%~75%时，料浆流动性虽好，但析水量大，对充填体的初凝强度和充填体的排水都有不利影响。当料浆质量浓度在75%~82%时，析水量较少，沉降、离析少，没有出现水泥与尾砂分离的现象，适合高浓度井下充填。

　　从图5可以看出：当灰砂比在(1：9)~(1：6)内时，料浆坍落度随着灰砂比的增大而减小，质量浓度越大坍落度减小的速率越快;当灰砂比在(1：6)~(1：4)时，坍落度随灰砂比的增大而增大，质量浓度越大坍落度增大的速率越快。这是因为水泥的粒径极小，当料浆中掺入水泥后，充填料浆的粒径级配发生变化，尾砂颗粒表面逐渐黏附水泥，从而变成粒径较大的颗粒，进而使得坍落度增大[句。

　　3.2 充填体力学参数的测定

　　对充填体进行力学参数测定，试验结果见表6。

　　在全尾砂充填采矿中，为掌握料浆质量浓度、灰砂比和养护龄期3个因素对充填材料的敏感性程度，通过正交试验分析，即分别选取3种灰砂比(1：4，1：6和1：8)、养护龄期(7d.14d和28d)和料浆质量浓度(68%、75%和82%)，进行各因素对充填体各力学参数的敏感性研究。

　　通过MATLAB2016a软件进一步对正交试验数据进行极差分析，得出3个因素对充填体力学性能影响的敏感性。试验结果极差分析见表7。

　　分析表7可知：

　　(1)胶结充填体单轴抗压强度影响因素的极差最大值A是极差最小值B的1.226倍;胶结充填体弹性模量影响因素极差值A是极差最小值C的1.306倍;胶结充填体泊松比影响因素极差最大值B是极差最小值C的2倍，极差最大值B与极差中值A相差0.004，相差较小;胶结充填体内聚力影响因素极差最大值A是极差最小值B的1.594倍;胶结充填体内摩擦角影响因素极差最大值A是极差最小值B.的2.213倍;胶结充填体抗拉强度影响因素极差最大值A是极差最小值C的1.323倍;胶结充填体抗拉强度影响因素极差最大值B是极差最小值A的1.758倍。

　　(2)胶结充填体的泊松比极差值A与B相差不大，说明灰砂比与料浆质量浓度均对全尾砂充填体的泊松比有影响。

　　(3)对充填料浆流动性影响最大的因素是料浆质量浓度，因此矿山应根据自身实际充填需要选择合适的料浆质量浓度。

　　4结论

　　(1)该矿全尾砂粒径大，属于粗尾砂范畴，相对利用率高，与水泥胶结能力强，有利于提高充填体强度。

　　(2)当灰砂比一定时，不同质量浓度的料浆坍落度变化较大。全尾砂料浆的坍落度随浓度的增大而减小。

　　(3)全尾砂渗透系数良好，在充填过程中能较快排出尾砂中的重力水，基本满足井下正常生产的脱水要求。

　　(4)水泥用量是影响全尾砂胶结充填体强度的最主要因素，因此在实际生产过程中应考虑增大水灰比。

　　(5)最终选择充填体的最优配比为：灰砂比1：4、料浆浓度75%和养护龄期28 d.

　　参考文献(References)：

　　[1]张钦礼，李谢平，杨伟，基于BP网络的某矿山充填料浆配比优化[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(7)：2867-2874.

　　[2]付建新，杜翠凤，宋卫东全尾砂胶结充填体的强度敏感性及破坏机制[J.北技大报，2014，36(9)：1149-1157.

　　[3]洪训明，饶运章，刘炜鹏，等，某铁矿全尾砂胶结充填配比优化研究[J].业研究与开发，2017，37(11)：34-36.

　　[4]付自国，乔登攀，郭忠林，等.基于RSM-BBD的废石-风砂胶结体配合比与强度试验研究[J].煤炭学报，2018，43(3)：694-703.

　　[5]周爱民.中国充填技术概述[C].中国有色金属学会.第八届际议文集，2004：9-15.

　　[6]杨啸，杨志强，高谦，等，混合充填骨料胶结充填强度试验与最优配比决策研究[J].岩土力学，2016，37(S2)：635-641.

　　[7]饶运章，舒太镜，郑长龙，等会宝岭铁矿全尾砂胶结充填最优配比试验研究[J].中国矿业，2014，23(3)：97-100.

　　[8]李一帆，张建明，邓飞，等深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究[J].岩土力学，2005(6)：865-868.

　　[9]张丹，郭利杰，刘光生，某新型矿用胶结剂对尾砂胶结充填体强度的影响研究[J].有色金属工程，2016，6(4)：84-90.

　　[10]梁冰，董擎，姜利国，等，铅锌尾砂胶结充填材料优化配比正交试验[J].中国安全科学学报，2015，25(12)：81-86.

　　[11]王伟男，徐曾和，胶结充填体渗透性试验研究[J].矿业研究与开发，2018，38(7)：56-60.

　　[12]舒太镜.会宝岭铁矿全尾砂废石复合充填体沉降规律研究[D].赣州：江西理1大学，2014.

　　[13]刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等，正交试验设计和分析方法研究[J].实验技术与管理，2010，27(9)：52-55.

　　[14]祝丽萍，倪文，黄迪，等·粉煤灰全尾砂胶结充填[J].北京科报，2011，33(10)：1190-1196.

　　[15]郑娟荣，吕杉杉，赵振波.全尾砂膏体料浆流动性的测定方法[J].采矿技术，2013，13(5)：23-25+37.

　　[16]杨宁，尹贤刚，肖木恩，等，某矿山充填料浆坍落度试验研究[J.i冶，2018，27(3)：28-30+55.

　　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