甲瑪銅礦膠結(jié)充填體低溫水化特征及其強(qiáng)度規(guī)律

關(guān)士良，李宗楠，許文遠(yuǎn)，李 欣

(1.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850200； 2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160； 3.國(guó)家金屬礦綠色開采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

0 引 言

在礦山膏體充填采礦中，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的膠結(jié)劑是硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥為由水硬性硅酸鈣的熟料和少量的一種或幾種類型硫酸鈣共同磨細(xì)制成的一種水硬性膠凝材料，水泥顆粒發(fā)生水化后，生成了一系列的凝膠狀膠體，這些膠體與充填顆粒一起形成膠凝體，增大了充填料漿中顆粒的內(nèi)聚力，形成具有宏觀強(qiáng)度的充填體，其中，對(duì)充填強(qiáng)度影響較大的是水泥熟料中的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)，水泥熟料在水化反應(yīng)過(guò)程中形成水化產(chǎn)物(C—S—H凝膠)的質(zhì)量和數(shù)量直接影響膠結(jié)充填體的質(zhì)量，其中，充填體單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)是表征充填體質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一[1-3]。影響充填體強(qiáng)度的因素包括內(nèi)因和環(huán)境因素，其中內(nèi)部因素如水泥含量(砂灰比)、尾砂粒度、料漿濃度等，環(huán)境因素包括溫度和應(yīng)力場(chǎng)等。對(duì)影響充填體質(zhì)量的內(nèi)因，眾多科研工作者做了大量工作。劉超等[3]針對(duì)高寒地區(qū)破碎膠結(jié)充填體的物理力學(xué)特征開展了研究，探索了充填體強(qiáng)度與砂灰比、濃度、骨料粒度等之間的關(guān)系；趙國(guó)彥等[4]研究了低溫高寒環(huán)境下尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度規(guī)律，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法探究了充填體強(qiáng)度對(duì)灰砂比、料漿質(zhì)量濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間等控制變量的敏感程度，表明了充填體強(qiáng)度隨著灰砂比、料漿質(zhì)量濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大而增大，影響充填體強(qiáng)度的最主要因素為灰砂比的內(nèi)在規(guī)律；姜海強(qiáng)[5]圍繞膏體的流動(dòng)性、力學(xué)特性、大尺寸膏體充填體凍結(jié)特性以及含鹽膏體流動(dòng)與力學(xué)性能四個(gè)方面展開了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了膏體在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中其內(nèi)部溫度場(chǎng)多場(chǎng)耦合作用的復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)，探索了低溫環(huán)境下膏體性能的尺寸效應(yīng)等。盡管國(guó)內(nèi)外研究工作具有一定的借鑒意義和工程應(yīng)用價(jià)值，但是，對(duì)于低溫環(huán)境對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律，現(xiàn)階段的研究工作仍然不足，尤其是低溫條件下充填體強(qiáng)度損傷程度、原因、機(jī)理等的研究有待探明。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)多年凍土區(qū)面積約為2.1×106km2，占國(guó)土面積的20%左右，凍土區(qū)域主要集中在我國(guó)西部高海拔地區(qū)[2,6-8]，因此，研究低溫環(huán)境對(duì)充填體質(zhì)量的影響規(guī)律，揭示膠結(jié)充填體低溫水化特征及其強(qiáng)度規(guī)律對(duì)我國(guó)眾多礦山具有實(shí)際意義。以西藏甲瑪銅多金屬礦為例，該礦山是典型的高海拔寒冷低溫礦井，井下溫度年均3～4個(gè)月處于10 ℃以下，局部中段5 ℃以下；礦山采用膠結(jié)充填，低溫條件下，膠結(jié)充填體水化程度低、效率慢，其充填采場(chǎng)實(shí)際強(qiáng)度特征與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的充填體存在一定差異，為保障充填體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開采，需要對(duì)低溫充填體強(qiáng)度形成過(guò)程及環(huán)境溫度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律開展研究，為探究合適的低溫充填體物料配合與強(qiáng)度需求提供參考和依據(jù)。

1 礦山概況

研究以西藏甲瑪銅多金屬礦充填物料為對(duì)象，該礦位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內(nèi)，為西藏已探明的大型銅多金屬礦床之一。礦區(qū)屬于高海拔地區(qū)，海拔標(biāo)高范圍4 350～5 407 m，區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷拇箨懜吆０涡詺夂颍昙境睗窈?，冬季酷寒干燥，晝夜溫差較大，礦區(qū)年平均氣溫6.0 ℃，極端最高氣溫為28.3 ℃，極端最低氣溫為-23.1 ℃；空氣密度0.8 kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)狀況下的60%左右[7]。該礦井下溫度年均3.5個(gè)月處于10 ℃以下，井下極端最低溫度-5 ℃，充填體長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境之中，是典型的高海拔寒冷低溫礦井[5,7-9]。礦山采用兩步驟嗣后充填采礦法回采礦石，充填體質(zhì)量直接影響整個(gè)礦山的安全、高效生產(chǎn)，對(duì)礦山可持續(xù)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，因此，深入研究低溫條件下礦山充填體強(qiáng)度特征規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)礦山充填設(shè)計(jì)、合理選定充填工藝參數(shù)以及研究礦巖-充填體低溫力學(xué)狀態(tài)，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全高效采礦具有重要的實(shí)用價(jià)值[10-13]。

2 低溫UCS試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

1) 尾砂。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用比重瓶法測(cè)定尾砂相對(duì)密度為3.19，采用容砂法測(cè)定尾砂堆積密度為1.39 g/cm3，計(jì)算孔隙率為56.5%。采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(ICP)，對(duì)尾砂中所含的金屬元素進(jìn)行半定量分析，結(jié)果顯示：尾砂中Fe元素含量相對(duì)較高，約8%，依次為Mg、Al、Ca、Mn等元素；根據(jù)半定量測(cè)試結(jié)果，對(duì)主要化學(xué)元素開展了定量化學(xué)元素分析，結(jié)果顯示：尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，分別達(dá)到了42.73%和8.27%；通過(guò)XRD圖譜分析出該尾砂的礦物組成以二氧化硅、方解石為主，此外還含有一定量的磁綠泥石和少量的氫氧化鎂鋁水化物、硅灰石[14-16]。粒度測(cè)試采用馬爾文激光粒度測(cè)試儀，測(cè)得結(jié)果為：尾砂比表面積0.890 m2/g，0.037 mm以下尾砂顆粒占比49.81%，0.074 mm以下尾砂顆粒占比65.26%，測(cè)試結(jié)果見表1。

2) 水泥。試驗(yàn)用膠凝材料為普通硅酸鹽水泥PC42.5，為礦山實(shí)際生產(chǎn)用水泥。

3) 充填水。取背景礦山生產(chǎn)用水用于室內(nèi)配比試驗(yàn)，試驗(yàn)前開展充填水物理指標(biāo)測(cè)試，測(cè)得充填水pH值為7.62，評(píng)定為弱堿性水，水中硫酸根離子含量較高，為308.6 mg/L;其次為氯離子，含量為7.59 mg/L，硝酸根和亞硝酸根離子含量不足0.5 mg/L。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

開展充填試塊室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)溫度、砂灰比與充填料漿質(zhì)量濃度2×4×4全系列試驗(yàn)，具體包括：①養(yǎng)護(hù)溫度：20±2 ℃、5±1 ℃；②砂灰比：4、6、8、10；③充填料漿質(zhì)量濃度：68%、70%、72%、74%。

試驗(yàn)制備8組樣，每組澆筑3件同型立方體試塊，試塊規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。試件澆筑好后，按設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)溫度開展恒溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)濕度均設(shè)定為90%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，采用WHY-200型萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)。每組試塊在完成UCS試驗(yàn)后，取試塊中間部分局部試樣烘干24 h，噴金后做掃描電鏡分析，掃描電鏡試驗(yàn)采用美國(guó)FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡。

2.3 UCS測(cè)試結(jié)果及分析

據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》開展單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試工作，測(cè)得不同濃度下試塊抗壓強(qiáng)度，并繪制20 ℃和5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下UCS測(cè)試結(jié)果強(qiáng)度對(duì)照?qǐng)D(圖1)。

表1 尾砂粒度測(cè)試結(jié)果Table 1 Tailings particle size

圖1 低溫養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度對(duì)照?qǐng)DFig.1 Strength contrast under low temperature curing condition

測(cè)試結(jié)果可以看出，5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，充填試塊強(qiáng)度普遍降低，5 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)20 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境，試塊單軸抗壓強(qiáng)度見表2。

從圖1和表2可以看出，5 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件下，充填試塊強(qiáng)度整體降低，不同程度的強(qiáng)度減少，減幅5%～30%不等，且試塊強(qiáng)度絕對(duì)值越高，降幅越大。具體表現(xiàn)：與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境相比，5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的單軸抗壓強(qiáng)度降低情況，以濃度68%系列為例，砂灰比為4時(shí)，降低0.85 MPa，平均降幅27%；砂灰比為6時(shí)，降低0.54 MPa，平均降幅25%；砂灰比為8時(shí)，降低0.26 MPa，平均降幅18%；砂灰比為10時(shí)，降低0.02 MPa，平均降幅5%。

表明水泥含量越高，強(qiáng)度損失越大，主要原因是充填試塊固結(jié)過(guò)程中，水泥水化過(guò)程受低溫環(huán)境影響，抑制了鈣礬石(AF3)和C—S—H凝膠的生成，進(jìn)而影響充填試塊強(qiáng)度的宏觀表現(xiàn)，表2中4個(gè)濃度系列下的強(qiáng)度損失情況充分說(shuō)明了這一規(guī)律。整體強(qiáng)度規(guī)律特征如圖2所示。

圖2可以直觀反映不同水泥含量條件下的強(qiáng)度損失情況，其中，砂灰比為4時(shí)，平均強(qiáng)度損失26.9%；砂灰比為6時(shí)，平均強(qiáng)度損失18.4%；砂灰比為8時(shí)，平均強(qiáng)度損失16.3%；砂灰比為10時(shí)，平均強(qiáng)度損失8.4%。

3 充填體微觀結(jié)構(gòu)

影響強(qiáng)度的主要因數(shù)是充填體中水泥的水化反應(yīng)，而水化反應(yīng)受養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)齡期、料漿質(zhì)量濃度和灰砂比控制或制約。水泥水化過(guò)程一般過(guò)程為：水泥加水后，硅酸三鈣(C3S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁四鈣(C4AF)均很快水化，同時(shí)石膏迅速溶解，形成Ca(OH)2與CaSO4的飽和溶液，水化產(chǎn)物首先出現(xiàn)六方形板狀的Ca(OH)2與針狀的AFt相以及無(wú)定形的C—S—H凝膠。隨后由于不斷生成AFt相，溶液中硫酸根粒子不斷減少，繼而形成六片狀A(yù)Fm相及C—A—H晶體和C4(AF)H13晶體，從而產(chǎn)生強(qiáng)度。

表2 低溫環(huán)境下強(qiáng)度降低情況Table 2 Strength loss under low temperature curing condition

圖2 低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下充填試塊強(qiáng)度損失情況Fig.2 Contrast of strength loss underlow temperature curing condition

圖3 1∶10充填體微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Microscopic characteristic of filling body with cement rate 1∶10

圖4 1∶4充填體微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Microscopic characteristic of filling body with cement rate 1∶4

以20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度為基準(zhǔn)，開展5 ℃養(yǎng)護(hù)溫度強(qiáng)度試驗(yàn)，設(shè)定齡期為28 d，按照前面試驗(yàn)設(shè)計(jì)開展充填體試塊UCS試驗(yàn)與SEM試驗(yàn)，其中，SEM試驗(yàn)分別觀察兩組(2 000倍和10 000倍標(biāo)尺下)充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育特征，其中2 000倍標(biāo)尺下主要分析充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密性，而10 000倍標(biāo)尺下主要分析充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物。由于篇幅限制，僅給出濃度為72%，1∶4和1∶10兩種灰砂比的充填體微觀結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4綜合分析可得如下結(jié)論。

1) 圖3(a)與圖3(b)對(duì)照分析可知，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的充填體微觀結(jié)構(gòu)比5 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的充填體較為致密，水化產(chǎn)物較多；在圖3(c)與圖3(d)對(duì)照分析可知：20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的充填體微觀結(jié)構(gòu)比5 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的充填體更為致密，水化產(chǎn)物更多。圖4中水泥含量較高，5 ℃養(yǎng)護(hù)條件與20 ℃養(yǎng)護(hù)條件下微觀結(jié)構(gòu)的致密性同圖3規(guī)律，晶體質(zhì)量(晶體成型、粗細(xì)度等)、致密性均比圖3好很多。

2) 試驗(yàn)現(xiàn)象整體分析表明，在20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性和水化產(chǎn)物均高于5℃的養(yǎng)護(hù)溫度，說(shuō)明低溫環(huán)境抑制了水泥的水化反應(yīng)，使充填體內(nèi)部的水化產(chǎn)物少，微觀孔隙結(jié)構(gòu)加大，造成宏觀強(qiáng)度降低。

3) 水泥含量越多，充填體強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)溫度影響越明顯，從微觀結(jié)構(gòu)致密性和水化產(chǎn)物分析，灰砂比1∶4充填體比1∶10的充填體更容易受養(yǎng)護(hù)溫度的影響。

4) 測(cè)試結(jié)果表明，甲瑪?shù)V區(qū)充填體強(qiáng)度受溫度影響明顯，相同物料配合條件下，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)至少需考慮30%左右的安全富裕，在二步驟回采設(shè)計(jì)過(guò)程中，井下采場(chǎng)所需充填體強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中均需考慮溫度的影響。

4 結(jié) 論

1) 對(duì)高寒地區(qū)甲瑪?shù)V尾砂開展了低溫充填體單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，在5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，試塊單軸抗壓強(qiáng)度總體降低，強(qiáng)度降低幅度在5%～30%之間，水泥含量越高，降幅越大，其中，砂灰比為4時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度降低值最高，平均降低達(dá)27.0%。

2) 對(duì)低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的充填體試塊強(qiáng)度降低的宏觀規(guī)律進(jìn)行了分析，根據(jù)SEM試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)水泥水化產(chǎn)物晶體的分布、發(fā)育等情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，水化產(chǎn)物Ca(OH)2與針狀的AFt相以及無(wú)定形的C—S—H凝膠數(shù)量較少，晶體微觀致密性總體較差，解釋了充填體宏觀強(qiáng)度折減的根本原因在于低溫抑制了水泥水化進(jìn)程。