基于正交試驗的充填體強度演化規(guī)律及配比優(yōu)化研究

張 明

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司）

礦業(yè)開發(fā)為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但礦山開采的同時也產(chǎn)生了大量的地下采空區(qū)和尾砂等固體廢棄物，導致一系列安全和環(huán)保問題［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國礦山開采產(chǎn)生的地下采空區(qū)體積超過12.8億m3，尾砂量超過150億t［2］。大量的井下采空區(qū)容易造成地表塌陷、水土流失和采場頂板沖擊災害等問題，而大量尾砂以低濃度形式儲存在尾礦庫中則容易造成潰壩等嚴重事故。充填采礦法可有效消除地下采空區(qū)危害和地表尾礦庫危害，同時充填采礦法還具有提高資源回收率、降低采礦貧化率等優(yōu)點［3］，目前已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用。隨著淺部資源的枯竭，越來越多的礦山進入深部開采階段，然而深部開采面臨高應力、高地溫、高滲透壓等挑戰(zhàn)，需要采用更高的充填體強度［4］。

為了降低充填成本，通過充填體強度試驗來優(yōu)化充填料漿配比是有效的方法之一。盡管充填體強度方面已有大量的研究成果［5-8］，但每個礦山由于材料和強度需求的差異等原因，相關(guān)研究結(jié)果很難直接推廣。新疆某銅礦采用充填采礦法，每年礦石產(chǎn)量達200萬t，產(chǎn)生大量地下采空區(qū)。同時，礦山采深已達到1 000 m，對充填體強度要求較高。為此，開展充填配比試驗，研究充填濃度、砂灰比、粗骨料含量和養(yǎng)護齡期等關(guān)鍵因素對充填體強度的影響規(guī)律，以期優(yōu)化充填配比，在保證充填強度和回采安全的同時盡量降低水泥添加量和充填成本，為礦山充填實踐提供指導。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

全尾砂取自礦山選礦廠，粗骨料取自礦山附近產(chǎn)銷點，膠凝材料為32.5硅酸鹽水泥。采用激光粒度儀測試全尾砂粒徑，篩分法測試粗骨料粒徑，結(jié)果如圖1所示。

采用土工測試相關(guān)方法，獲得全尾砂和粗骨料的基本物理參數(shù)，如表1所示。

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1.2 試驗設(shè)計

選擇粗骨料含量（粗骨料占尾砂和粗骨料總干重的質(zhì)量百分比）、質(zhì)量濃度（充填料漿中干料的質(zhì)量占比）、砂灰比（尾砂和粗骨料總干重與水泥質(zhì)量的比值）和養(yǎng)護齡期4個因素，研究其對充填體單軸抗壓強度的影響規(guī)律。其中，粗骨料含量、料漿濃度和砂灰比對充填體強度的影響規(guī)律采用正交試驗方法進行研究，試驗設(shè)計如表2所示。由于尾砂中硫含量超過28%，因此，設(shè)計添加較多的粗骨料來降低充填體中的硫含量，以避免可能出現(xiàn)的充填體強度劣化現(xiàn)象。

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充填體試塊采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)模具澆筑，24 h后拆模，在溫度20±1℃、相對濕度90%以上的環(huán)境中進行標準養(yǎng)護。每個齡期澆注3個試塊，取試驗結(jié)果的平均值。

1.3 試驗結(jié)果分析

試塊到達3，7，28和60 d齡期后，分別進行強度測試，結(jié)果如表3所示。

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1.3.1 充填體強度演化規(guī)律

采用DPS軟件對表3中的試驗結(jié)果進行處理。首先計算充填體強度的K值，K值的變化趨勢即為充填體強度的變化趨勢［5］。充填濃度、砂灰比和粗骨料含量對充填體3，7，28和60 d強度的K值計算結(jié)果如圖2～圖5所示。

1.3.1.1 濃度對充填體強度的影響

由圖2～圖5可知，隨充填濃度的增加，充填體3，7，28和60 d強度均逐漸增加。一方面是因為提高濃度可以提高充填料漿的抗離析能力，料漿濃度越高，其屈服應力和塑性黏度也越高，對粗骨料沉降的阻滯作用也越強，可有效避免粗細顆粒的自然沉降分級，使得粗細骨料的空間分布更加均勻，因而充填體強度提高。另一方面，充填料漿濃度的提高意味著拌合水量的減少，水泥水化作用消耗一部分拌和水后，剩余的拌和水蒸發(fā)量減少，充填體中因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的微孔隙、裂隙體積也減少，相當于充填體中固相排列更加緊密，宏觀上表現(xiàn)為充填體抗壓強度提高［6］。此外，提高濃度可以降低充填料漿的泌水率，減少料漿泌水過程中的水泥流失量，進而保證充填體硬化后的強度。

1.3.1.2 砂灰比對充填體強度的影響

由圖2～圖5可知，隨砂灰比的增加（水泥含量的減少），充填體3，7，28和60 d強度均逐漸降低，即隨灰砂比的增加（水泥含量的增加），充填強度也逐漸增加。充填體作為水泥基復合材料，水泥水化反應產(chǎn)生的C-S-H凝膠量是充填體固化后具有強度的關(guān)鍵原因，隨著水泥摻量的增加，水化反應所產(chǎn)生的C-S-H凝膠量也逐漸增加，因此，水泥含量的增加能夠有效地提高充填體的強度［7］。

1.3.1.3 粗骨料含量對充填體強度的影響

由圖2～圖5可知，隨粗骨料含量的增加，充填體3，7，28和60 d強度均逐漸降低。一般認為，粗骨料對充填體強度有促進作用。但本研究發(fā)現(xiàn)，隨粗骨料含量的加大，充填體強度不斷降低。分析其原因，當水泥摻量及質(zhì)量濃度一定時，合理的粗骨料含量能夠增大骨料堆積密實度，形成更穩(wěn)固的充填骨架，有利于提高充填體抗壓強度。然而，粗骨料太多后，尾砂細顆粒無法有效填滿粗骨料之間的空隙，導致充填體密實度不高。因此，存在一個最佳粗骨料含量，使得充填體強度最高。在現(xiàn)有試驗范圍內(nèi)，粗骨料含量70%為較優(yōu)值。

1.3.1.4 養(yǎng)護齡期對充填體強度的影響

將表3中的數(shù)據(jù)進行整理，繪制得到充填體強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，隨著養(yǎng)護齡期的增加，充填體強度也逐漸增加，且滿足對數(shù)函數(shù)。由于數(shù)據(jù)較多，圖中僅展示了2組數(shù)據(jù)的擬合公式，擬合精度R2均在0.99以上。分析其原因，主要是隨著養(yǎng)護期齡的增加，水泥水化反應產(chǎn)生的C-S-H和鈣礬石也就越多，同時充填體內(nèi)部孔隙體積逐漸降低，內(nèi)部產(chǎn)物黏結(jié)密實，從而提高了試塊強度［7］。

1.3.2 充填體強度影響因素顯著性分析

根據(jù)圖2～圖5中K值可計算得到各因素對強度的極差，某因素的極差越大則表明其對充填體強度的影響越大［5］。以3 d強度為例，濃度的K值范圍為0.675～1.125 MPa，則極差為K值上下限之差，即0.45；砂灰比的K值范圍為0.375～1.75 MPa，則極差為1.375 MPa；粗骨料含量的K值范圍為0.8～1.025 MPa，則極差為0.225 MPa。因此，砂灰比對充填體3 d強度的影響最大。按此方法對充填體7，28和60 d強度的極差進行計算，結(jié)果如表4所示。

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由表4可知，在充填體3，7，28和60 d強度結(jié)果中，砂灰比的極差始終最大，其次是濃度和粗骨料含量，表明砂灰比對充填體強度的影響最顯著，其次是濃度和粗骨料?？蓳?jù)此結(jié)論指導礦山充填工作。

2 工程應用

粗骨料含量70%～85%時，充填體強度隨粗骨料含量的增加而降低?，F(xiàn)在試驗范圍內(nèi)，粗骨料70%為最優(yōu)值，同時可有效避免尾砂中含硫量高而可能出現(xiàn)的充填體強度劣化現(xiàn)象?？紤]到目前使用的粗骨料購置成本較高，后續(xù)可開展相關(guān)試驗來研究其他粗骨料（如礦山附近的冶煉爐渣）對充填體強度的影響。

提高充填濃度能有效地促進充填體強度增長。當70%的粗骨料摻量時，濃度75%～79%均具有極好的流動性，塌落度在28 cm以上，能夠滿足礦山自流輸送的需求。因此，充填濃度上限可取為79%。

水泥越多對充填體強度的促進作用也越明顯，但加大水泥含量，充填成本也會增加。根據(jù)礦山階段空場嗣后充填采礦［9］的現(xiàn)狀，一步驟采區(qū)空內(nèi)的充填體要作為二步驟采礦時的人工礦柱，充填體頂部和底部需再次拉開布置采準工程，而中部充填體僅需滿足自立要求即可。因此，僅需在采空區(qū)底部和頂部采用高灰砂比來實現(xiàn)較高的充填體強度，在采空區(qū)中部采用低灰砂比來實現(xiàn)節(jié)約水泥成本的目的，如圖7所示。目前，二步驟回采時，一步驟充填體穩(wěn)定性良好。

隨著養(yǎng)護齡期的增加，充填體強度呈對數(shù)函數(shù)增長。因此，通過生產(chǎn)組織優(yōu)化，合理安排采場回采計劃，盡量延長一步驟充填體的養(yǎng)護時間，可進一步提高其強度，降低水泥摻量和充填成本。

3 結(jié)論

（1）隨充填濃度、養(yǎng)護齡期和灰砂比的增大，充填體強度呈增長趨勢，但通過提高濃度、延長養(yǎng)護齡期來提高充填體強度最為經(jīng)濟。

（2）合理的粗骨料含量能夠增大骨料堆積密實度，形成更穩(wěn)固的充填骨架，有利于提高充填體抗壓強度。但是，粗骨料太多后，尾砂細顆粒無法完全填充粗骨料之間的空隙，充填體強度反而隨粗骨料含量的增加呈下降趨勢。

（3）灰砂比對充填體強度的促進效果最顯著，其次是充填濃度和養(yǎng)護齡期。實踐中應盡量提高充填濃度和養(yǎng)護齡期，對采空區(qū)的不同位置采用不同的灰砂比，以此實現(xiàn)提高充填體強度、節(jié)約水泥成本的目的。