楊家溝鋁土礦充填材料配比優(yōu)化研究

許良發(fā)，姚 維，黃騰龍，鄧高嶺，林順才，楊 鑫

( 1. 國(guó)家電投集團(tuán)鋁電投資有限公司，北京 100032；2. 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3. 國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410012 )

鋁具有重量輕、無(wú)毒、性能好、耐腐蝕、易回收等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空、輕工業(yè)等領(lǐng)域，擁有“萬(wàn)能金屬”之譽(yù)。據(jù)2017年國(guó)際鋁業(yè)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)原鋁生產(chǎn)量高達(dá)9.78 萬(wàn)t/d，占全世界的57.87%，已成為世界第一大鋁生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。目前我國(guó)主要依靠房柱法、全面法對(duì)鋁土礦進(jìn)行開采，受成礦條件( 圍巖軟弱、傾角平緩、厚度變化大 )的制約，需要留設(shè)大量礦柱來(lái)保證回采安全，礦石損失率一般在40%～50%[2-3]，造成大量資源的浪費(fèi)。膠結(jié)充填采礦因充填體能有效改善采場(chǎng)應(yīng)力分布，減少圍巖冒落，同時(shí)能獲得可觀的礦石貧損率和有效降低地表固廢堆存給礦山企業(yè)帶來(lái)的環(huán)境壓力等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為礦山開采的首選方法[4]。

楊家溝鋁土礦二系統(tǒng)頂?shù)装鍑鷰r為黏土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦、鐵質(zhì)黏土巖，屬軟弱半堅(jiān)硬巖層，礦體傾角平均10°，埋深100～260 m，厚度平均2.63 m，且地表分布著蘇家吉、郭家吉和郝家溝3個(gè)村莊，總壓礦量達(dá)49.23 萬(wàn)t。為了充分回收礦產(chǎn)資源、保障回采安全和控制地表沉降，擬采用條帶進(jìn)路充填法回收礦石，設(shè)計(jì)充填能力為80～100 m3/h。由于礦山采用脈內(nèi)開拓，存在可作為充填骨料的廢石量不足的問題。斜溝煤礦位于楊家溝鋁土礦西北方向，直線距離小于20 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500 萬(wàn)t/a，產(chǎn)生的煤矸石遠(yuǎn)大于楊家溝鋁土礦所需量( 15 萬(wàn)t/a )，因此，可利用煤矸石作為該礦的充填粗骨料。

煤矸石膠結(jié)充填技術(shù)是將煤矸石、粉煤灰、煙道渣、石膏等固體廢棄物在地面充填站加工成無(wú)需脫水或泌水量極低的膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓，通過管道輸送至井下，煤矸石膠結(jié)充填體具有密實(shí)度高、充填體強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，能夠有效保障回采的安全性和地表的穩(wěn)定性[5]。十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)煤矸石膠結(jié)充填開展了大量研究，除充填開采技術(shù)和充填工藝的開發(fā)與應(yīng)用外，重點(diǎn)研究了煤矸石充填材料力學(xué)特性、充填體與采場(chǎng)圍巖的力學(xué)作用機(jī)理以及充填料漿輸送性能等[6-9]。但針對(duì)煤矸石顆粒尺寸對(duì)充填料漿輸送性能和強(qiáng)度發(fā)展尚待進(jìn)一步的研究[10]，粗骨料尺寸對(duì)充填成本和整個(gè)充填工藝均至關(guān)重要，合理的骨料尺寸能在保證充填體強(qiáng)度的前提下，減少充填成本，降低膠凝材料的用量。筆者通過單軸抗壓強(qiáng)度、坍落度2個(gè)主要指標(biāo)，研究了不同顆粒尺寸的煤矸石與粉煤灰、脫硫灰渣、水泥之間不同的組合對(duì)充填體力學(xué)性能和流動(dòng)性能的影響，尋找滿足楊家溝鋁土礦充填要求的最優(yōu)配比。

1 室內(nèi)充填試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 煤矸石

試驗(yàn)所用煤矸石取自斜溝煤礦矸石山，原始粒徑不大于150 mm，密度為2.07 g/cm3。根據(jù)充填工藝及試驗(yàn)要求，先將煤矸石利用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)篩( 8，15，20 mm )進(jìn)行預(yù)篩分，篩上煤矸石再利用MPE-100×250型密封破碎機(jī)進(jìn)行破碎至相應(yīng)粒徑，充填材料主要化學(xué)成分見表1，煤矸石粒徑分布見表2～4。由表1可知，煤矸石中硅、鋁含量較高，CaO含量?jī)H有1.100%，活性較低，表明其組分穩(wěn)定，適宜作為充填骨料。

表1 充填材料主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of filling material %

表2 0～8 mm 煤矸石粒徑分布Table 2 Particle size distribution of 0～8 mm coal gangue

表3 0～15 mm 煤矸石粒徑分布Table 3 Particle size distribution of 0～15 mm coal gangue

表4 0～20 mm 煤矸石粒徑分布Table 4 Particle size distribution of 0～20 mm coal gangue

1.1.2 膠凝材料

試驗(yàn)所用膠凝材料為P. O42.5水泥和粉煤灰，分別取自岢嵐晉湘水泥廠和華興鋁廠，粒徑分布如圖1所示，化學(xué)成分見表1。粉煤灰品質(zhì)為Ⅱ級(jí)，密度為1.95 g/cm3，其主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，CaO占比為1.930%，屬于活性較差的低鈣粉煤灰[11]。

圖1 膠凝材料粒徑分布Fig. 1 Particle size distribution of cementitious material

1.1.3 脫硫灰渣

脫硫灰渣取自華興鋁廠，呈深灰色不規(guī)則顆粒狀，密度為2.12g /cm3，其主要化學(xué)成分和粒徑分布 見表1和表5。

表5 脫硫灰渣粒徑分布Table 5 Particle size distribution of desulfurization ash

混凝土領(lǐng)域?qū)橇系膭澐謽?biāo)準(zhǔn)為：粒徑大于4.750 mm的為粗骨料，粒徑0.074～4.750 mm的為細(xì)骨料，粒徑小于0.074 mm的為粉料，合理的骨料搭配不僅能夠減少充填料漿離析引發(fā)的堵管事故，還能提高充填體的強(qiáng)度[12-13]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能

試塊制備和強(qiáng)度測(cè)試參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》( GB/T 17671—1999 )、《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( JGJ/T70—2009 )進(jìn)行。稱量好的試驗(yàn)材料利用強(qiáng)力攪拌機(jī)攪拌2 min，使用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的充填料漿模具制作試件，試件初凝后進(jìn)行刮模，在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)1 d后脫模放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、濕度為95%，養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d后利用NYL-300D型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試[14]，如圖2( a )所示。

1.2.2 流動(dòng)性能

料漿的流動(dòng)性能利用坍落度試驗(yàn)進(jìn)行表征，依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T 50080-2016 )進(jìn)行，如圖2( b )所示。

圖2 試驗(yàn)方法Fig. 2 Test method

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)前期大量探索性試驗(yàn)結(jié)果，為減少水泥用量，最大化利用其他固廢材料，滿足工程經(jīng)濟(jì)性、材料適用性和充填體強(qiáng)度可靠性的要求，尋求不同煤矸石顆粒尺寸下充填料漿的流動(dòng)性能和力學(xué)性能之間的關(guān)系，試驗(yàn)方案設(shè)置見表6。

表6 試驗(yàn)方案Table 6 Test plan

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 充填料漿流動(dòng)性分析

2.1.1 粉煤灰摻量對(duì)充填料漿流動(dòng)性的影響

為了降低充填成本，利用粉煤灰代替部分水泥是一種較好的手段。圖3為灰矸比為1∶4，以0～8 mm煤矸石作為粗骨料，在不同粉煤灰摻量下充填料漿坍落度隨料漿質(zhì)量濃度的變化情況。由圖3可知，料漿坍落度隨著質(zhì)量濃度的增加而減小，大致以質(zhì)量濃度84%為界限，超過此濃度后，料漿坍落度極速下降。粉煤灰對(duì)煤矸石充填料漿流動(dòng)性有一定影響，當(dāng)濃度低于84%時(shí)，坍落度隨著粉煤灰摻量的增加而增大，增加幅度為0.8%～3.0%，流動(dòng)性的增加主要得益于粉煤灰的球狀外形，在料漿流動(dòng)過程中發(fā)揮了“滾珠”效應(yīng)[8]。

圖3 粉煤灰對(duì)充填料漿流動(dòng)性的影響Fig. 3 Influence of fly ash on the fluidity of filler paste

2.1.2 煤矸石尺寸和脫硫灰渣摻量對(duì)充填料漿流動(dòng)性的影響

在配制充填料漿過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤矸石最大尺寸增加至15，20 mm時(shí)，與0～8 mm煤矸石充填料漿相比( 試驗(yàn)配比一致 )，在僅有粉煤灰和水泥作為細(xì)骨料時(shí)，表現(xiàn)出粗骨料極易沉淀，這勢(shì)必在輸送過程中出現(xiàn)堵管、管道加速磨損等問題，同時(shí)在采場(chǎng)易出現(xiàn)粗細(xì)骨料分層，對(duì)充填體強(qiáng)度增加極為不利，因此通過增加脫硫灰渣來(lái)提高充填料漿的輸送質(zhì)量。

圖4為水泥∶粉煤灰為1∶1、灰矸比為1∶6時(shí)，摻入不同比例灰渣后的坍落度試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可知，在煤矸石尺寸相同時(shí)，基本以質(zhì)量濃度82%為界限，濃度小于82%的料漿的坍落度隨著灰渣摻量的增加而增大，大于此濃度的料漿坍落度值正好相反，這可能是因?yàn)榛以鼡饺牒筇畛湓诖止橇系目p隙之間，在濃度較高時(shí)，灰渣摻量增加使得拌合水在其表面沒有形成足夠厚的水膜，而水膜厚度與流動(dòng)性呈正相關(guān)[15]，同時(shí)由于灰渣為表面粗糙、不規(guī)則顆粒，薄的水膜未能更好地抵消其與煤矸石之間的摩擦力，當(dāng)濃度降低時(shí)，水膜厚度增加，潤(rùn)滑作用加強(qiáng)，同時(shí)灰渣摻量的增加導(dǎo)致填充作用的加強(qiáng)，減少了粗骨料之間的接觸機(jī)會(huì)，從而表現(xiàn)為流動(dòng)性增加。

圖4 煤矸石尺寸和脫硫灰渣摻量對(duì)充填料漿流動(dòng)性的影響Fig. 4 Influence of coal gangue size and desulfurization ash content on the fluidity of filler paste

當(dāng)煤矸石∶灰渣為4∶1時(shí)，0～15，0～20 mm煤矸石充填料漿的坍落度值相近；當(dāng)煤矸石∶灰渣為5∶1時(shí)，表現(xiàn)出料漿坍落度隨煤矸石尺寸的增大而減小，這可以理解為煤矸石尺寸的增加導(dǎo)致粗骨料之間的空隙增大，需要更多的細(xì)骨料來(lái)填充空隙才能保證料漿在流動(dòng)過程中粗骨料之間不會(huì)頻繁接觸，從而降低摩擦力來(lái)提高料漿的流動(dòng)性。

充填料漿泵壓輸送與混凝土不同，前者屬于長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間輸送，填充的面積一般較大，因此在考慮充填料漿輸送性的同時(shí)還要注意流平性，流平性較好的充填料漿可以提高采場(chǎng)充滿率，為下一步開采提供安全保障[16]。根據(jù)GB50164-92對(duì)混凝土坍落度的分級(jí)，通過泵壓輸送的大流動(dòng)性混凝土，其坍落度值應(yīng)不小于16 cm，考慮礦山充填相較于混凝土輸送的差異性，同時(shí)結(jié)合其他礦山采用碎石充填方面的工程經(jīng)驗(yàn)( 表7 )，推薦楊家溝鋁土礦泵壓輸送的充填料漿坍落度值為24～27 cm。因此，在后續(xù)的強(qiáng)度配比試驗(yàn)中，0～8 mm煤矸石作為骨料時(shí)，料漿質(zhì)量濃度固定為82%；0～15，0～20 mm煤矸石作為骨料時(shí)，料漿質(zhì)量濃度固定為80%。

表7 其他礦山坍落度值[14,17-18]Table 7 Slumps value of other mines[14,17-18]

2.2 充填體力學(xué)強(qiáng)度分析

2.2.1 粉煤灰摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

圖5( a )為灰矸比為1∶4，0～8 mm煤矸石作為骨料的充填體強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果；圖5( b )為灰矸比為1∶4，煤矸石∶灰渣為4∶1，0～15和0～20 mm煤矸石作為骨料的充填體強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響Fig. 5 Influence of fly ash content on the strength of backfill

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同尺寸煤矸石作為粗骨料的充填體強(qiáng)度均隨粉煤灰替換水泥摻量的增大而減小，摻量從33.33%增大至80%時(shí)，0～8 mm煤矸石充填體各齡期對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度下降了74%～82%；摻量從33.33%增大至66.66%時(shí)，0～15和0～20 mm煤矸石充填體各齡期對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度分別下降了51%～66%和61%～70%。這是因?yàn)榉勖夯宜俾事?，活性較低，大摻量情況下( ＞30% )在早期基本只起填充作用，JIANG H[19]在其研究中也發(fā)現(xiàn)類似情況，即粉煤灰摻量小于30%時(shí)對(duì)充填體強(qiáng)度有一定增強(qiáng)，超過此摻量后表現(xiàn)為對(duì)強(qiáng)度的弱化。但煤矸石充填體不同于全尾砂充填體，得益于粗骨料的骨架作用，在粉煤灰大摻量情況下依舊具有較高的強(qiáng)度，能夠滿足安全回采的需要。

2.2.2 煤矸石尺寸及灰渣摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

圖6為固定灰矸比1∶4，水泥∶粉煤灰為1∶1，煤矸石∶灰渣為4∶1時(shí)，不同齡期的充填體強(qiáng)度隨煤矸石尺寸的變化情況。

圖6 煤矸石尺寸對(duì)充填體強(qiáng)度的影響Fig. 6 Influence of coal gangue size on the strength of backfill

由圖6可知，增大煤矸石尺寸對(duì)充填體強(qiáng)度有一定的提升，但早期強(qiáng)度與28 d的強(qiáng)度相比增長(zhǎng)不明顯，這可能是由于充填體早期強(qiáng)度產(chǎn)生于膠結(jié)料的膠結(jié)程度，試件內(nèi)骨料的含量等因素對(duì)其影響不大，而充填體后期因?yàn)槟z凝材料水化程度較高，大顆粒骨料的硬度優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)，從而表現(xiàn)出強(qiáng)度有所升高；同時(shí)隨著骨料粒徑的增加，單位充填體內(nèi)需要膠結(jié)的面積減少，水化產(chǎn)物與骨料之間交互程度更大，膠結(jié)性更強(qiáng)[20]。0～15和0～20 mm煤矸石充填體在各齡期強(qiáng)度相差不大，強(qiáng)度增長(zhǎng)率為0.98%～3.16%，但0～20 mm煤矸石作為充填骨料能夠降低破碎成本，表現(xiàn)出更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

圖7為灰矸比為1∶4，0～20 mm煤矸石作為充填骨料時(shí)灰渣摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響情況。由圖7可知，灰渣代替煤矸石摻量從16.67%增加至20%后對(duì)任意配比的充填體強(qiáng)度均有一定的增強(qiáng)作用，強(qiáng)度增長(zhǎng)比例為3.29%～16.41%；此外，20%灰渣摻量的充填料漿比16.67%的料漿懸浮性更好，更適宜于長(zhǎng)距離泵送。

圖7 脫硫灰渣摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響Fig. 7 Influence of desulfurization ash content on the strength of backfill

2.3 充填配比推薦

充填體強(qiáng)度通常按照理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)法和礦山類比法進(jìn)行選擇，本文利用礦山類比法進(jìn)行充填體強(qiáng)度確定，進(jìn)而選取合理的充填配比。前期考察發(fā)現(xiàn)，利用條帶進(jìn)路充填開采的礦山多為煤礦，其充填體強(qiáng)度大多為3～5 MPa，金屬礦山充填體強(qiáng)度一般小于3 MPa，其中挑水河磷礦的開采條件與楊家溝鋁土礦類似，開采條件類比見表8。

表8 類似礦山開采條件類比Table 8 Analogy of mining conditions in similar mines

考慮到礦山差異性，取1.2的安全系數(shù)，因此推薦1步驟充填體強(qiáng)度不小于3 MPa，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析，推薦采用0～20 mm煤矸石作為充填骨料，1步驟采用配比為水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶

1∶6.4∶1.6，料漿質(zhì)量濃度為80%的配比進(jìn)行充填，該配比28 d強(qiáng)度為3.28 MPa，坍落度為26.2 cm；2步驟充填體由于受1步驟充填體、圍巖和擋墻的約束，無(wú)暴露面情況，因此可采用低配比進(jìn)行充填，28 d強(qiáng)度大于0.5 MPa即可，推薦配比為水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶2∶14.4∶3.6，料漿質(zhì)量濃度為80%，該配比28 d 強(qiáng)度為0.76 MPa，坍落度為25.7 cm。

3 結(jié) 論

( 1 ) 粉煤灰摻量的增加對(duì)煤矸石充填料漿的流動(dòng)性具有一定的改善作用，這主要得益于其球形外表在料漿流動(dòng)過程中發(fā)揮了“滾珠”效應(yīng)；但是由于粉煤灰活性較低，在大摻量情況下由于填充骨料的空隙作用，表現(xiàn)出充填體強(qiáng)度隨其增加而降低，摻量從33.33%增大至66.66%時(shí)，0～15，0～20 mm煤矸石充填體各齡期對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度分別下降了51%～66%和61%～70%。

( 2 ) 在單一增大煤矸石尺寸的過程中發(fā)現(xiàn)，由于缺乏細(xì)骨料導(dǎo)致料漿極易離析，不利于長(zhǎng)距離輸送和強(qiáng)度增長(zhǎng)，因此加入脫硫灰渣進(jìn)行調(diào)節(jié)。固定灰矸比為1∶6，水泥∶粉煤灰為1∶1，當(dāng)煤矸石∶灰渣為4∶1時(shí)，0～15和0～20 mm煤矸石充填料漿的坍落度值相近；當(dāng)煤矸石∶灰渣為5∶1時(shí)，表現(xiàn)出料漿坍落度隨著煤矸石尺寸的增大而減小，這可能是因?yàn)榛以枯^小時(shí)沒能充分包裹煤矸石表面，料漿在流動(dòng)過程中粗骨料之間接觸機(jī)率增加，導(dǎo)致摩擦力增加而降低了料漿的流動(dòng)性。

( 3 ) 當(dāng)其他充填材料用量保持一致時(shí)，煤矸石尺寸和灰渣摻量的增加均能提高充填體的強(qiáng)度，0～15和0～20 mm煤矸石充填體在各齡期強(qiáng)度相差不大，強(qiáng)度增長(zhǎng)率為0.98%～3.16%，但0～20 mm煤矸石作為充填骨料能降低破碎成本，表現(xiàn)出更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。與灰渣摻量為16.67%相比，20%灰渣摻量的充填料漿骨料的懸浮性更好，更適宜于長(zhǎng)距離泵送。

( 4 ) 通過與挑水河磷礦開采條件類比，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，推薦楊家溝鋁土礦充填配比為：1步驟為水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶1∶6.4∶1.6，料漿質(zhì)量濃度為80%，該配比28 d強(qiáng)度為3.28 MPa，坍落度為26.2 cm；2步驟配比為水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶灰渣=1∶2∶14.4∶3.6，料漿質(zhì)量濃度為80%，該配比28 d強(qiáng)度為0.76 MPa，坍落度為25.7 cm。

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