膠結充填體抗壓強度的影響因素分析

楊安國YANG An-guo；周宗紅ZHOU Zong-hong；張秋華ZHANG Qiu-hua

（①昆明理工大學國土資源工程學院，昆明650093；②昆明理工大學管理經濟學院，昆明650093）

0 引言

開發資源和保護環境是當下人類社會面臨的兩大難題，隨著礦產資源的開發利用，在礦山資源不斷減少的同時也要越來越注重環境的保護。近幾十年來，隨著礦石開采造成的環境問題越來越多，充填采礦法在全國各大礦山特別是金屬礦山有了很大的發展。膠結充填法利用了礦山大量的尾砂、塊石，將其與膠凝劑、水混合攪拌后充入地下采空區，這種方法不僅能創造安全的作業環境，同時也將容易對環境造成破壞的尾砂輸入地下，避免尾砂對環境污染。膠結充填技術的要點是充填材料，膠結充填的效果取決于充填材料的強度。所以，對影響膠結充填體強度的因素進行分析很有必要。

1 研究現狀

尾砂膠結充填技術在國內最早始于20世紀60～70年代。隨著膠結充填技術在礦上中應用得越來越廣泛，國內外的研究都開始深入研究充填料的性質、充填料與圍巖的相互作用、充填體的穩定性和充填膠凝材料。我國的礦山在60～70年代主要采用混凝土充填，由于缺乏研究，充填料的制備幾乎是按照建筑類混凝土的要求。這種粗骨料膠結充填應用到礦山有很大的困難，因為充填輸送工藝復雜，對物料組配要求很精確。到了20世紀70～80年代，一代代礦山人對充填物料不斷地改進，出現了細沙膠結充填技術。細沙膠結充填的膠結劑主要還是水泥，其它物料有尾砂、天然砂和棒磨砂等。由于細沙膠結充填在物料組配上的改進，使其保證良好輸送特性的同時也具有滿足要求的膠結強度。目前，細沙膠結充填技術已經應用成熟，已在小鐵山鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦、銅綠山銅礦等礦山應用成功。

2 抗壓強度影響因素分析

經過大量的科研成果和生產實踐，對礦山充填技術特別是膠結充填技術的研究已經日漸深入，膠結充填作為眾多充填采礦法的一種，影響其充填體抗壓強度的因素有基本的共同點：膠凝材料、惰性材料、物料配比、料漿濃度、養護條件[2]。

2.1 膠凝材料

所謂膠結料是指在物理化學的作用下，能夠從漿體變成堅固的石狀體并能夠膠結其他物料制成具有一定機械強度的復合固體物質。水泥作為最常采用的膠凝材料，但是為了有效降低成本，也可以采用爐渣以及粉煤灰等代替水泥。影響充填體強度的最主要因素莫過于水泥型號和用量，目前普通硅酸鹽水泥使用最為廣泛。當其他條件相同時，隨著水泥用量的增加和水泥標號的增加，充填體的強度也會增加。下面主要介紹下硅酸鹽水泥[2]。

表1 各種硅酸鹽水泥的礦物組成（%）

水泥加水拌合后會發生化學反映而生成多種水化物，即水泥具有“水化”特性。水泥的水化合凝結硬化過程從水泥顆粒表面開始的，由于開始水化過程較快，因此，水泥強度增長較快；但水化物隨著水化作用的進行會在水泥顆粒周圍慢慢增多，水和水泥顆粒未水化部分接觸得不夠好，水化速度變慢，因而水泥強度增長也呈現減慢趨勢。

在礦山尾砂膠結充填采礦中，由于水泥的價格昂貴，使膠結充填法的采礦成本較高。近年來，國內外的研究者們根據膠凝作用的機理，對水泥替代品進行了廣泛的研究。出于對環保的考慮，對粉煤灰和爐渣等廢料進行了集中研究。

爐渣是指金屬冶煉生產過程中，從高爐排出的廢渣。使用爐渣作為膠凝劑有以下幾個特點：

①爐渣作為膠結劑使用時，里面SiO2的含量應不低于15%。

②爐渣里面只有玻璃質狀態的SiO2才能發揮作用。

③為使其具有反應活性，剛產出的爐渣要研磨到一定細度（比表面積約為3000cm2/g）時，才具有反應活性。

④如果是火山灰質材料的活性SiO2，需必須有CaO的存在才能與水反應生成穩定的帶膠結性的水化硅酸鈣的復鹽。而且對于各種不同的爐渣加入的CaO的含量均有一最優值。如煉銅水淬爐渣和煉鉛水淬爐渣CaO最優含量分別為2.4%和20.0%。

2.2 惰性材料 礦山使用最為普遍的是尾砂，此外還有河砂，風砂等常用建筑用料。如果礦山尾砂資源豐富而且沒有二次利用價值，可選用尾砂作為惰性材料。下面列舉某礦山全尾砂的化學性質如表2。

表2 某礦山全尾砂化學成分組成

尾砂在作為充填的材料時要經過分級脫泥處理，因為只有這樣才能使充填過程中有良好的滲透性能。經過分級脫泥使尾砂中細粒級（如-20納米）的含量能在允許的含量以內。經過脫泥的尾砂成為分級尾砂[3]。由于采用尾砂作為惰性材料過于單一，因此，在實際中經常加入廢石來保證充填體具有良好的力學特性。廢石能有效提高膠結充填體的強度，廢石尾砂膠結充填體的抗壓強度在水泥含量不變的條件下會隨著廢石含量的增加而增大。在充填體強度要求一定的情況下，廢石尾砂膠結充填能有效減少水泥用量，節約充填成本[2]。

2.3 料漿濃度

料漿濃度是指膠凝材料、惰性材料在充填體中所占的比重。根據料漿濃度的不同，膠結充填可分為三類如表3。

表3

在充填體水泥含量不變情況下，抗壓強度隨砂漿濃度的增大而增加，通過試驗證實，二者呈指數函數關系。這是由于以下幾個方面的因素造成的：

①濃度的大小直接影響到水泥的離席。漿體的濃度增加以后，水泥的離析越小，降低了水泥的流失，充填體抗壓強度增大。

②濃度的大小影響著充填體的密度，濃度降低時，水在溢流到上表面的過程中因為流體摩擦力的作用使充填體產生很多空隙，因而充填體強度變小。

③濃度的大小影響著充填體內部均勻度，砂漿濃度增加，則在水化反應時間內漿體顆粒沉降變慢，水化反應更加充分，顆粒分布更加均勻，這會增加了充填體強度。

④濃度的大小改變著充填料中的含泥量，一定量的含泥量會在充填體中起到填充顆粒間縫隙作用，這提高了充填體密度。

2.4 物料配比

膠凝材料、惰性材料以及水和添加劑在填充體中占有的比重即為物料的配比。通常而言，充填體的強度會隨著膠凝材料占得比例的增大而增大，但是也會提高成本。所謂合理的物料配比是指不僅滿足工業生產的要求，還具有良好的經濟利益。

2.4.1 水灰比

根據經驗公式：R28=ARC（C/W-B）

式中：R—膠結體在標準條件下養護28d的抗壓強度，kg/cm2；Rc—水泥標號；A—試驗系數，常取 0.4～4.5；B—試驗系數，一般取為0.5；C/W—灰水比。

從式中可看出，膠結體強度會隨著水泥標號的增加而增加。實踐證明，高標號水泥的經濟效益更好[2]。

單位體積混凝土中水和水泥的重量比即水灰比。水灰比在灰砂比以及料漿濃度等條件相同時，對膠結體的強度會產生很大的影響。實踐證明，水泥含量雖然對強度影響不大，但是對充填體的強度具有很大的影響，充填體強度與水泥含量多少成正比。此外，水灰比還會影響充填體的流動性，因此，為了滿足實際填充過程中砂泵的輸送要求，水灰比不能太低。漿體的流動性與水的用量直接相關，在實際充填過程中，一般用輸送充填料的料漿濃度表示充填體的含水量[5]。

2.4.2 骨料級配

骨料作為充填體的基本組成部分，骨料級配能夠對充填體的強度產生很大的影響。一個合理的充填體級配不僅能夠保證均勻度，更能增加密實度和強度。一般而言，在充填材料中，粗骨料占60-70%，細骨料占30-40%。由于細骨料能夠提高砂漿的輸送性能以及填充粗骨料的空隙，因此，能夠防止離析現象且能夠增加膠結強度[2]。此外，早強劑、緩凝劑以及速凝劑等的使用也會促使填充體具有不同的特性。

2.5 養護條件

充填料漿充入采場之后，要經過一段時間的養護才能產生一定的強度，養護條件直接關系到充填體強度的形成和增長，主要表現在以下幾點：①養護時間增加，充填體的強度隨之增加；②水泥用量較小時，充填體養護的最佳溫度在40℃，此時充填體強度增長最快，10℃～30℃間時對強度影響不大；③環境濕度也會影響水泥的硬化，濕度過大會降低充填體強度。

3 結語

隨著在科學技術的發展，礦山充填采礦法的應用會越來越廣泛，在充填料制備、漿體輸送設備、充填料和添加劑的開發方面會有更大的研究空間。特別是對膠凝材料的開發，研究出能夠取代水泥作用，并且廉價的新型膠凝材料是以后需重點研究達的方面。

[1]解世俊.金屬礦床地下開采[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2]孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術[M].北京：冶金出版社，2002.

[3]羅建祥.影響膠結充填體強度的因素分析[J].甘肅冶金，2005，27（2）：24-25.

[4]張海波，宋衛東.評述國內外充填采礦技術發展現狀[J].礦業快報，2009，18（12）：59-62.

[5]劉明.內蒙查干銀礦3#礦體上向進路尾砂膠結充填采礦方法試驗研究[D].長沙：中南大學，2002.