早強(qiáng)劑對(duì)固結(jié)粉膠凝材料混合骨料充填體強(qiáng)度的影響

楊曉炳 高 謙 王永定 何建元

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.金川集團(tuán)股份公司龍首礦，甘肅金昌737100）

金川鎳礦是一座高地應(yīng)力、深埋和礦巖破碎的大型難采礦山，故而采用下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填法開(kāi)采。為了確保在膠結(jié)充填體頂板下安全作業(yè)，膠結(jié)充填體3、7、28 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度需達(dá)到1.5、2.5、5.0 MPa。針對(duì)金川礦區(qū)充填體強(qiáng)度要求，以棒磨砂為骨料，以水泥為膠凝材料，采用1∶4膠砂比和78%高濃度料漿自流輸送采礦技術(shù)，充填材料成本高達(dá)147元/m3，為國(guó)內(nèi)外少見(jiàn)。為了降低充填采礦成本，姚維信［1］和袁國(guó)斌等［2］開(kāi)展了廢石粗骨料充填技術(shù)研究。針對(duì)粗骨料料漿存在的分層離析問(wèn)題，王永定等［3］、程緯華［4］開(kāi)展了粗骨料充填料漿管道自流輸送技術(shù)研究，結(jié)果表明：骨料中含有一定比例的（15%～20%）細(xì)骨料是有效控制粗骨料料漿分層離析的必要條件；瞿亮等［5-6］、陳昱光［7］、何建元等［8］、陳寅等［9］分別開(kāi)展了廢石與粉煤灰、銅選尾砂、尾砂和冶煉渣等混合骨料的膠結(jié)充填強(qiáng)度試驗(yàn)研究?？紤]到充填膠凝材料成本占充填采礦成本的主要部分，楊志強(qiáng)等［10］、李立濤等［11］分別利用酒鋼公司礦渣和金川公司固體廢棄物，開(kāi)展了固結(jié)粉新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā)，并獲得成功，已經(jīng)在龍首礦進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用；楊志強(qiáng)等［12］、高謙等［13］在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了混合骨料充填料漿優(yōu)化配比研究。此外，楊志強(qiáng)等［14-15］對(duì)金川充填采礦中固體廢棄物資源化利用存在問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，認(rèn)為固體廢棄物在充填采礦中的應(yīng)用，是降低充填采礦成本和提高充填采礦經(jīng)濟(jì)效益的必由之路［16-20］，亟待在金川公司其他礦山推廣應(yīng)用?？紤]到金川礦區(qū)充填法采礦技術(shù)對(duì)充填體早期強(qiáng)度要求高，借鑒水泥膠凝材料添加早強(qiáng)劑的充填工藝，針對(duì)固結(jié)粉新型膠凝材料以及廢石—棒磨砂混合骨料，開(kāi)展了混合骨料優(yōu)化配比試驗(yàn)以及早強(qiáng)劑對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響研究，為固結(jié)粉和廢石骨料充填技術(shù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 充填骨料粒徑與級(jí)配分析

1.1 棒磨砂和廢石骨料粒徑分析

金川礦區(qū)采用棒磨砂和廢石混合骨料進(jìn)行充填采礦作業(yè)。通過(guò)廢石、棒磨砂進(jìn)行粒度分析，得到如圖1所示的金川礦區(qū)-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粒徑分布曲線。棒磨砂和廢石骨料的粒徑分布特征參數(shù)如表1所示。

由圖1、表1可知：1#和2#樣品顆粒分布存在差異，棒磨砂1#樣品含有0.15～2.36 mm的細(xì)顆粒較多，棒磨砂2#樣品含有3.26～9.5 mm中細(xì)顆粒較多；與散體顆粒Fuller理想級(jí)配曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，棒磨砂2#樣品-3 mm的顆粒含量偏多，而+3 mm顆粒含量偏少，其與廢石混合充填有助于提高粗骨料密實(shí)度。由棒磨砂、廢石的2#樣品ASTM標(biāo)準(zhǔn)篩和全粒徑曲線得出的泰波冪指數(shù)n存在較大差異，但其粒徑基本特征參數(shù)變化不大。由此認(rèn)為，-0.075 mm顆粒含量小于10%，導(dǎo)致d10、d30、d50、d60、d90分布在可篩分的范圍內(nèi)，根據(jù)兩種級(jí)配特征曲線插值求出的 d10、d30、d50、d60、d90沒(méi)有區(qū)別。

1.2 廢石—棒磨砂混合骨料粒徑分析

針對(duì)金川礦區(qū)廢石和棒磨砂兩種骨料，按不同配比混合進(jìn)行篩分，得到如圖2所示的混合骨料粒徑分布特征曲線，混合骨料粒徑分布特征值與棒磨砂含量的關(guān)系曲線如圖3所示。分析圖2、圖3可知：混合骨料粒徑分布特征值不均勻系數(shù)（Cc）、曲率系數(shù)（Cu）和n值均隨著棒磨砂摻量的增多呈下降趨勢(shì)。

1.3 廢石—棒磨砂混合骨料堆積密實(shí)度

針對(duì)不同配比的廢石—棒磨砂混合骨料進(jìn)行堆積密度試驗(yàn)，并根據(jù)廢石密度2.66 g/cm3、棒磨砂密度2.67 g/cm3計(jì)算混合骨料的堆積密實(shí)度。堆積密實(shí)度與廢石含量之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知：隨著廢石含量增加，混合骨料堆積密實(shí)度和泰波指數(shù)n值隨之增大。當(dāng)廢石含量為40%時(shí)，堆積密實(shí)度和泰波指數(shù)n值分別達(dá)到0.635和0.591；隨著廢石含量進(jìn)一步增加，混合骨料堆積密實(shí)度和泰波冪指數(shù)均呈降低趨勢(shì)。綜合分析混合骨料的堆積密實(shí)度和泰波冪指數(shù)可知：當(dāng)廢石摻量為40%時(shí)，廢石—棒磨砂混合骨料的粒徑級(jí)配最佳，相應(yīng)堆積密實(shí)度達(dá)到最大，其泰波分布指數(shù)n約0.6?？梢?jiàn)，廢石—棒磨砂配比為4∶6時(shí)混合骨料粒徑級(jí)配優(yōu)良，泰波理論指數(shù)為0.6，堆積密實(shí)度為0.635。

2 廢石—棒磨砂混合骨料膠結(jié)充填體強(qiáng)度

2.1 混合骨料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)方案

-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粗骨料按照廢石含量10%～50%配比混合，根據(jù)金川礦區(qū)充填系統(tǒng)與工業(yè)參數(shù)，采用膠砂比為1∶5和料漿濃度為79%～81%，開(kāi)展添加和不添加早強(qiáng)劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 無(wú)早強(qiáng)劑的混合骨料充填體強(qiáng)度

無(wú)早強(qiáng)劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。3種濃度的膠結(jié)充填體平均強(qiáng)度與廢石含量的關(guān)系曲線如圖5所示。綜合分析圖2及圖5可知：充填體早期強(qiáng)度（3 d、4 d）隨著廢石含量增加呈降低趨勢(shì)，但后期強(qiáng)度（7 d、28 d）隨著廢石含量增加而提高；當(dāng)廢石含量達(dá)到40%左右時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最高，而后隨著廢石含量增加而降低。由此可知：廢石含量為40%的混合骨料堆積密實(shí)度最大，膠結(jié)充填體強(qiáng)度達(dá)到最高。顯然，混合骨料的粒徑級(jí)配影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度。3種料漿濃度3、7、28 d平均強(qiáng)度分別達(dá)到1.23、3.79、5.98 MPa。由此可見(jiàn)，無(wú)早強(qiáng)劑固結(jié)粉混合骨料的膠結(jié)體7 d和28 d強(qiáng)度均分別大于2.5 MPa和5.0 MPa，但早期強(qiáng)度小于1.5 MPa。顯然，充填體的早期強(qiáng)度低是制約固結(jié)粉膠凝材料和廢石充填技術(shù)推廣應(yīng)用的難題。

2.3 添加早強(qiáng)劑的混合骨料充填體強(qiáng)度

添加早強(qiáng)劑固結(jié)粉膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。3種料漿濃度膠結(jié)充填體平均強(qiáng)度與廢石含量的關(guān)系曲線如圖6所示。綜合分析表3及圖6可知：混合骨料膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度（3 d和4 d強(qiáng)度）隨著廢石含量增加呈略微降低趨勢(shì)，但7 d和28 d強(qiáng)度隨著混合粗骨料中廢石含量增加而提高；但當(dāng)廢石含量達(dá)到40%（棒磨砂∶廢石=6∶4）時(shí)，膠結(jié)充填體3、7、28 d強(qiáng)度分別達(dá)到1.55、3.34、6.46 MPa，均超過(guò)金川礦區(qū)膠結(jié)充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度?？梢?jiàn)，廢石含量35%～40%的混合骨料充填料漿濃度為79%～81%時(shí)，添加早強(qiáng)劑的膠結(jié)充填體強(qiáng)度可滿足金川礦區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦作業(yè)對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的要求。

2.4 早強(qiáng)劑對(duì)膠結(jié)體強(qiáng)度的影響分析

混合骨料廢石含量為10%～50%時(shí)，添加和不添加早強(qiáng)劑固結(jié)粉混合骨料膠結(jié)體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知：添加早強(qiáng)劑顯著提高了固結(jié)粉膠結(jié)體3 d、4 d強(qiáng)度。早強(qiáng)劑對(duì)固結(jié)粉膠結(jié)體7 d強(qiáng)度的影響為先提高后減小，即當(dāng)廢石含量大于40%時(shí)，添加早強(qiáng)劑的膠結(jié)體7 d強(qiáng)度低于不添加早強(qiáng)劑的強(qiáng)度。當(dāng)廢石含量為20%～30%時(shí)，添加早強(qiáng)劑顯著降低了膠結(jié)體28 d強(qiáng)度，以致不滿足礦山充填體設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)：當(dāng)廢石含量為40%時(shí)，3、7、28 d平均強(qiáng)度分別達(dá)到1.55、3.34、6.46 MPa，滿足金川礦區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填體采礦作業(yè)對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的要求。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于金川礦區(qū)-5 mm棒磨砂和-12 mm廢石粗骨料，當(dāng)廢石與棒磨砂配比為4∶6時(shí)，混合骨料的堆積密實(shí)度達(dá)到最大值0.635，對(duì)應(yīng)的泰波冪指數(shù)n為0.591。

（2）不添加早強(qiáng)劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)充填體強(qiáng)度隨著廢石含量增加先增加后降低。即當(dāng)廢石含量為40%和料漿濃度為79%～81%時(shí)，膠結(jié)充填體3、7、28 d平均強(qiáng)度分別達(dá)到1.23、3.79、5.98 MPa，因此膠結(jié)充填體3 d強(qiáng)度不滿足礦山充填體強(qiáng)度要求。

（3）添加早強(qiáng)劑的固結(jié)粉膠凝材料混合骨料的膠結(jié)充填體強(qiáng)度隨著廢石含量的變化規(guī)律與不添加早強(qiáng)劑基本一致。在廢石含量為40%和料漿濃度為79%～81%的情況下，膠結(jié)充填體3、7、28 d平均強(qiáng)度分別達(dá)到1.55、3.34、6.46 MPa，充填體強(qiáng)度達(dá)到金川礦區(qū)充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（4）對(duì)于利用固體廢棄物開(kāi)發(fā)的固結(jié)粉膠凝材料，其混合骨料膠結(jié)充填體強(qiáng)度不僅與早強(qiáng)劑有關(guān)，而且還取決于廢石含量。當(dāng)廢石與棒磨砂配比為4∶6時(shí)，添加1%的早強(qiáng)劑有利于提高早期強(qiáng)度，達(dá)到金川礦區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦作業(yè)對(duì)充填體早期強(qiáng)度的要求，同時(shí)能夠最大限度地利用金川礦區(qū)廢石，顯著降低充填采礦成本和提高充填采礦經(jīng)濟(jì)效益，可在金川礦區(qū)推廣應(yīng)用。