尾砂粒度對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

李洪寶 甘德清 鄂鑫雨 陳 超 劉志義 張友志

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063200；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009；3.河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山063000）

尾砂膠結(jié)充填能夠起到保護(hù)采場(chǎng)的作用，降低地表沉降導(dǎo)致的次生危害，并降低尾砂堆排量［1-2］。限制膠結(jié)充填采礦應(yīng)用的因素主要是充填成本以及充填體的性能，尤其是早期強(qiáng)度，應(yīng)盡快使充填料漿硬化并達(dá)到要求強(qiáng)度，以縮短采充的工作周期［3-4］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)充填體進(jìn)行了大量研究，但多數(shù)研究針對(duì)的是具體礦山，不具有代表性，尤其是尾砂粒度對(duì)充填體強(qiáng)度特性的研究愈發(fā)迫切［5-11］。

目前許多學(xué)者針對(duì)尾砂膠結(jié)充填進(jìn)行了研究，取得大量的科研成果。李立濤等［12］、董培鑫等［13］以砂漿沉降速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了超細(xì)全尾砂沉降規(guī)律；王帥等［14］、陳秋松等［15］針對(duì)全尾砂料漿的輸送，研究了充填料漿的流變和流動(dòng)特性，提出了ELM臨界速度預(yù)測(cè)模型；康志強(qiáng)等［16］結(jié)合礦山L型管道充填現(xiàn)狀，研究了降低管道底部磨損的最佳管徑、流速及料漿配比方案；杜慧慧等［17］利用釩鈦礦渣、鋼渣及脫硫石膏，研究了不同釩鈦礦渣和不同養(yǎng)護(hù)溫度下新型膠凝材料的水化機(jī)理；楊超等［18］以銅鎳冶煉渣為試驗(yàn)材料，在測(cè)定冶煉渣的物化特性基礎(chǔ)上，制備了SC型新型膠凝材料；張慶松等［19］采用水泥熟料、煤矸石、粉煤灰和脫硫石膏為膠凝材料，研究了膠凝材料顆粒粒徑對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。上述研究主要針對(duì)尾砂絮凝沉降、充填料漿流變和輸送特性，以及新型膠凝材料制備等，關(guān)于尾砂粒度對(duì)水泥膠結(jié)充填早期強(qiáng)度影響的研究較少。

因此，本研究設(shè)計(jì)了不同條件下的強(qiáng)度試驗(yàn)，分析粒度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律，建立強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，提出了適用于冀東地區(qū)尾砂膠結(jié)充填的配比方案，結(jié)合XRD和SEM，分析了粒度對(duì)水化產(chǎn)物以及微觀形貌的影響，為冀東地區(qū)尾砂高效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為冀東地區(qū)的3種鐵礦全尾砂。其化學(xué)成分主要是SiO2和CaO以及少量的Fe2O3、Al2O3和MgO，含量基本一致。3種尾砂的粒度分布和級(jí)配關(guān)系見圖1和表1，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》可知，3種尾砂分別為超細(xì)尾砂、細(xì)尾砂和粗尾砂，不均勻系數(shù)分別為9.12、13.22和9.04，曲率系數(shù)分別為1.46、0.90和0.61，級(jí)配良好。試驗(yàn)所用的膠結(jié)劑為波蘭特水泥（325#）。試驗(yàn)材料攪拌用水為普通市政用水［20］。

1.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)要求，并綜合考慮礦山充填應(yīng)用現(xiàn)狀，選擇灰砂比為1∶6、1∶12和1∶20，料漿濃度為 65%、70%、75%。本研究主要分析早期強(qiáng)度，因此確定養(yǎng)護(hù)齡期為3 d。按照試驗(yàn)方案，將提前準(zhǔn)備好的波蘭特水泥和尾砂混合，加入拌合水后攪拌以充分活化，制備成充填料漿。然后將制備后的料漿均勻置入長(zhǎng)寬高均為7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)立方體模具內(nèi)，經(jīng)搗實(shí)、抹平后，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)（溫度20℃，濕度90%），24 h后經(jīng)脫模、編號(hào)、貼簽，待測(cè)試試件置于養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。將達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試件放置于WAW-2000型充填體壓力測(cè)試平臺(tái)，得出充填體單軸抗壓強(qiáng)度，相同配比試件測(cè)3次，取平均值。

1.3 XRD測(cè)定和SEM掃描

取壓力試驗(yàn)后試件樣品放入盛有無水乙醇密封瓶?jī)?nèi)，停止充填體內(nèi)部的水化反應(yīng)。取少量密封瓶?jī)?nèi)試樣，自然風(fēng)干后磨至-200目，通過X-射線衍射儀測(cè)定充填體能譜（角度5°～70°，速度10°/min，步長(zhǎng)0.02°）。取密封瓶?jī)?nèi)塊度完整試樣，自然風(fēng)干后，通過JSM-6390A掃面分析原始斷裂面微觀形貌和水化產(chǎn)物（加速電壓15 kV）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 尾砂粒度對(duì)早期強(qiáng)度的影響

通過壓力試驗(yàn)測(cè)得不同配比的充填試件的強(qiáng)度值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了關(guān)于充填體強(qiáng)度柱狀圖，如圖2和圖3所示。

由圖2、圖3可知：不同粒徑尾砂做充填體骨料，其早期強(qiáng)度變化符合普遍規(guī)律，即早期強(qiáng)度隨著灰砂比增大和質(zhì)量濃度提高而增強(qiáng)。尾砂粒徑對(duì)早期強(qiáng)度的影響顯著，超細(xì)尾砂制備的充填體的早期強(qiáng)度最大，其次是細(xì)尾砂以及粗尾砂，充填體早期強(qiáng)度隨著粒度的降低呈增大趨勢(shì)，說明尾砂顆粒達(dá)到一定細(xì)度時(shí)，與水泥水化膠結(jié)的契合度能有效提高。

分析圖2知：質(zhì)量濃度相同時(shí)，早期強(qiáng)度隨灰砂比變化呈先慢后快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，不同粒度下早期強(qiáng)度變化趨勢(shì)具有差異。當(dāng)質(zhì)量濃度為75%時(shí)，超細(xì)尾砂充填體早期強(qiáng)度隨灰砂比的變化量分別為0.446、0.729、1.765 MPa，增幅 63.5%～141.43%，對(duì)應(yīng)的細(xì)尾砂和粗尾砂的早期強(qiáng)度增幅分別為8.1%～266.5%和11.8%～145.9%。說明當(dāng)尾砂粒度增加到一定范圍，較低灰砂比范圍內(nèi)早期強(qiáng)度變化較小，反映出該灰砂比區(qū)間內(nèi)早期強(qiáng)度對(duì)于灰砂比的變化敏感度較低，但是繼續(xù)增大灰砂比，能夠顯著提高早期強(qiáng)度對(duì)灰砂比的敏感度。

由圖3可知：控制灰砂比不變，尾砂粒度對(duì)早期強(qiáng)度的影響差異性大，隨著尾砂粒度的增大以及濃度的提高，早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率呈加快的趨勢(shì)。在灰砂比1∶6時(shí)，3種尾砂的早期強(qiáng)度平均增加了0.63、0.29、和 0.17 MPa，增長(zhǎng)率分別為 87.7%、43.3% 和34.3%，說明尾砂粒度越小，早期強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量濃度改變的敏感程度越大。

2.2 充填體早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

尾砂屬于顆粒集合體，因此對(duì)尾砂的描述通常用級(jí)配特征指標(biāo)表達(dá)。根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，考慮尾砂粒度、灰砂比和質(zhì)量濃度3個(gè)因素，進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得到了不同尾砂特征指標(biāo)的早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，

式中，Sd10、Sd50和Sd[4,3]分別為基于有效粒徑（d10）、中值粒徑（d50）和加權(quán)平均粒徑（d[4，3]）的充填體早期強(qiáng)度，MPa；x1為尾砂特征指標(biāo)，mm；x2為水泥含量；x3為尾砂含量。

3組預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)R、P值見表2，基于不同級(jí)配特征指標(biāo)預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)以及擬合程度符合要求。通過表3可知，早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的誤差率平均值小于2%，誤差率低，能夠根據(jù)礦山實(shí)際要求準(zhǔn)確計(jì)算出配比方案。

根據(jù)回歸預(yù)測(cè)模型，計(jì)算得出基于不同級(jí)配特征指標(biāo)的充填體早期強(qiáng)度最大值分別為2.09 MPa（Sd10）、2.13 MPa（Sd50）和2.14 MPa（Sd[4,3]），對(duì)應(yīng)的配比為d102 μm、d5014.3 μm、d[4，3]18.7 μm、水泥 10.69%、尾砂71.34%?？紤]到礦山充填對(duì)質(zhì)量濃度、工藝以及成本的要求，推薦冀東地區(qū)礦山充填灰砂比為1∶6～1∶8，并采用全尾砂膠結(jié)充填，質(zhì)量濃度依據(jù)充填系統(tǒng)實(shí)際狀況取值越高越好。

2.3 尾砂粒徑對(duì)水化產(chǎn)物和孔隙的影響

尾砂膠結(jié)充填體主要由3類物質(zhì)組成，分別是未水化的水泥熟料、惰性物質(zhì)和水化產(chǎn)物。由圖4可知：充填體SiO2含量最高，其組成物質(zhì)為各種水化產(chǎn)物，主要為C—S—H凝膠、氫氧化鈣晶體和鈣礬石（AFt）。充填體水化早期，C3A在攪拌過程中即進(jìn)行水化反應(yīng)，生成AFt晶體，呈針狀或棒狀，長(zhǎng)度為1～3 μm，多生長(zhǎng)于各種顆粒表面；其次進(jìn)行C3S的水化反應(yīng)，生成結(jié)晶程度較低的C—S—H凝膠，并包裹在各種顆粒表面，呈纖維狀和網(wǎng)絡(luò)狀，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而生長(zhǎng)，C3A和C3S水化時(shí)同時(shí)產(chǎn)生大量Ca2+離子和OH-離子，導(dǎo)致溶液的Ca（OH）2過飽和，從而析出六方板狀Ca（OH）2晶體。

由圖4和圖5可知：在XRD能譜中，2θ為20°～45°之間的衍射峰存在寬泛的凸包背景，即無定形結(jié)晶C—S—H，超細(xì)尾砂充填體凸包面積較大，而且衍射峰較多，在SEM掃描圖像上能夠明顯看出，隨著尾砂粒度降低，生成的C—S—H凝膠數(shù)量越多，而增加早期強(qiáng)度的主要水化產(chǎn)物為C—S—H凝膠，因此，尾砂粒度越低，配比參數(shù)相同的早期強(qiáng)度越高。

由圖5可知：隨著尾砂粒度降低，充填體內(nèi)部的大孔隙逐漸減少，在粗尾砂充填體內(nèi)部可見尺寸在10 μm以上的孔隙，超細(xì)尾砂充填體內(nèi)部多為亞微米和納米級(jí)的微空隙。充填體內(nèi)孔隙的尺寸和數(shù)量同樣影響其強(qiáng)度，因此，隨著尾砂粒徑降低，充填體內(nèi)部的孔隙在尺寸和數(shù)量上均呈降低趨勢(shì)，所以充填體的強(qiáng)度隨之增大。

3 工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證充填體早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的可靠性，選擇冀東地區(qū)某充填礦山進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)尾砂進(jìn)行取樣分析，確定尾砂特征指標(biāo)：d10為2.6 μm、d50為16.9 μm、d[4，3]為0.034 1μm，充填料漿灰砂比為 1∶6，充填料漿質(zhì)量濃度為66%，采用自流輸送。圖6為采場(chǎng)充填現(xiàn)場(chǎng)，可知料漿濃度低，流動(dòng)性好。

通過預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到該礦山早期強(qiáng)度值，并與礦山充填實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)比分析，具體計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知：不同尾砂特征參數(shù)計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值略大于實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)誤差分別為0.46%、6.98%和3.03%，平均誤差為3.49%，表明所構(gòu)建的模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)充填體早期強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

（1）膠結(jié)充填的早期強(qiáng)度決定了礦山采充的工作周期，針對(duì)全尾砂的物化特性，從宏觀強(qiáng)度規(guī)律和微觀形貌特征方面分析了粒度對(duì)充填體早期強(qiáng)度的影響，構(gòu)建了不同特征指標(biāo)下的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

（2）尾砂粒徑對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響顯著，隨著尾砂粒度的降低，尾砂顆粒與水泥水化膠結(jié)的契合度越高，強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，并且強(qiáng)度對(duì)灰砂比和料漿濃度的變化越敏感。從微觀角度分析，隨著尾砂粒度降低，水化產(chǎn)物C—S—H凝膠增多，充填體內(nèi)部孔隙的尺寸和數(shù)量呈降低趨勢(shì)?；谖采疤卣髦笜?biāo)，建立了關(guān)于粒度、灰砂比和濃度的早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，相關(guān)系數(shù)R＞0.95，平均誤差＜2%，準(zhǔn)確性高。結(jié)合礦山實(shí)際條件，提出了合理的灰砂比取值范圍為1∶6～1∶8，選擇全尾砂膠結(jié)充填，在冀東地區(qū)某礦山進(jìn)行了試驗(yàn)，誤差為3.49%，效果良好。

（3）尾砂粒度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響機(jī)理、水泥和尾砂顆粒耦合關(guān)系等方面亟待開展深入研究。