早强剂对固结粉胶凝材料混合骨料充填体强度的影响_杨晓炳.pdf

收稿日期2019-07-24 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0602903） 。 作者简介杨晓炳 （1985） ， 男， 在站博士后， 博士。通信作者高谦 （1956） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 早强剂对固结粉胶凝材料混合骨料充填体强度 的影响 杨晓炳 1 高谦 1 王永定 2 何建元 21 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2. 金川集团股份公司龙首矿， 甘肃 金昌 737100） 摘要为实现废石和固结粉胶凝材料在金川矿区充填采矿中的应用， 首先开展了不同配比废石棒磨砂混 合骨料粒径级配分析， 获得废石与棒磨砂配比为 4 ∶6混合骨料的堆积密实度为 0.635和泰波幂指数 n为 0.591； 然 后， 针对废石含量为10～50的混合骨料， 分别开展了添加和不添加早强剂的固结粉胶结充填体强度试验。结果 表明 充填体强度随着废石含量增加呈现先提高后降低趋势。当废石含量为40， 料浆浓度为79～81时， 不添 加早强剂的固结粉胶结充填体3、 7、 28 d平均强度分别达到1.23、 3.79、 5.98 MPa， 其早期强度低于矿山设计强度； 添 加早强剂时， 胶结充填体3、 7、 28 d平均强度分别达到1.55、 3.34、 6.46 MPa， 满足金川矿区下向分层进路胶结充填采 矿作业对胶结充填体强度的要求。由此确定， 胶砂比 1 ∶5、 废石∶棒磨砂 4 ∶6、 浓度 79～81、 添加 1早强剂的固 结粉胶凝材料混合骨料可在金川矿区推广应用。 关键词充填开采早强剂固结粉混合骨料堆积密实度充填体强度 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-048-06 DOI10.19614/ki.jsks.202009006 Effects of Early Strength Accelerators on the Strength of Filling Body Comprised of Consolidated Powder and Mixed Aggregate YANG Xiaobing1GAO Qian1WANG Yongding2HE Jianyuan22 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Longshou Mine， Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang 737100， China） AbstractFor the utilization of waste rock and consolidated powder in Jinchuan mining area， firstly， the particle size grading analysis of mixed aggregate was carried out with different ratio of waste rock to rod mill sand.The results show that the packing density and Talbol power index n of the mixed aggregate with ratio of 4 ∶6 were 0.635 and 0.591 respectively.Then， as the ratio of waste rock in mixed aggregate increasing from 10 to 50， unconfined compressive strength tests were taken for the filling body with and without early strength accelerators respectively.The study results show that the strength of fill body increases firstly and then decreases as the increasing of waste rock content.When the ratio of waste rock is 40 and the slurry mass concentration is 79～81， the average strength of fill body without early strength accelerators in three curing pe- riods（3 d， 7 d and 28 d）was 1.23 MPa， 3.79 MPa and 5.98 MPa respectively， and its early strength is lower than the mine designed strength.By adding early strength accelerators， the average strength of filling body in three curing periods reached 1.55 MPa， 3.34 MPa and 6.46 MPa respectively， meeting the needs of cemented backfill strength by the downward slicing drift mining operation in Jinchuan mining area.Therefore， with cement-aggregate ratio of 1 ∶5， waste rock-rod mill sand ratio of 4 ∶6， slurry mass concentration of 79～81， the mixture comprised with consolidation powder， mixed aggregate and 1 early strength accelerators could be widely applied in Jinchuan mining area. Keywordsfilling mining， early strength accelerators， consolidation powder， mixed aggregate， packing density， strength of filling body 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 金川镍矿是一座高地应力、 深埋和矿岩破碎的大型难采矿山， 故而采用下向分层进路胶结充填法 48 开采。为了确保在胶结充填体顶板下安全作业， 胶 结充填体3、 7、 28 d设计强度需达到1.5、 2.5、 5.0 MPa。 针对金川矿区充填体强度要求， 以棒磨砂为骨料， 以 水泥为胶凝材料， 采用1 ∶ 4胶砂比和78高浓度料浆 自流输送采矿技术， 充填材料成本高达147元/m3， 为 国内外少见。为了降低充填采矿成本， 姚维信 ［1］和袁 国斌等 ［2］开展了废石粗骨料充填技术研究。针对粗 骨料料浆存在的分层离析问题， 王永定等 ［3］、 程纬 华 ［4］开展了粗骨料充填料浆管道自流输送技术研究， 结果表明 骨料中含有一定比例的 （15～20） 细骨 料是有效控制粗骨料料浆分层离析的必要条件； 瞿 亮等 ［5-6］、 陈昱光［7］、 何建元等［8］、 陈寅等［9］分别开展了 废石与粉煤灰、 铜选尾砂、 尾砂和冶炼渣等混合骨料 的胶结充填强度试验研究。考虑到充填胶凝材料成 本占充填采矿成本的主要部分， 杨志强等 ［10］、 李立涛 等 ［11］分别利用酒钢公司矿渣和金川公司固体废弃 物， 开展了固结粉新型充填胶凝材料开发， 并获得成 功， 已经在龙首矿进行了工业化应用； 杨志强等 ［12］、 高谦等 ［13］在此基础上， 进一步开展了混合骨料充填 料浆优化配比研究。此外， 杨志强等 ［14-15］对金川充填 采矿中固体废弃物资源化利用存在问题进行了分 析， 并对该领域的发展趋势进行了展望， 认为固体废 弃物在充填采矿中的应用， 是降低充填采矿成本和 提高充填采矿经济效益的必由之路 ［16-20］， 亟待在金 川公司其他矿山推广应用。考虑到金川矿区充填法 采矿技术对充填体早期强度要求高， 借鉴水泥胶凝 材料添加早强剂的充填工艺， 针对固结粉新型胶凝 材料以及废石棒磨砂混合骨料， 开展了混合骨料 优化配比试验以及早强剂对胶结充填体强度的影响 研究， 为固结粉和废石骨料充填技术推广应用奠定 基础。 1充填骨料粒径与级配分析 1. 1棒磨砂和废石骨料粒径分析 金川矿区采用棒磨砂和废石混合骨料进行充填 采矿作业。通过废石、 棒磨砂进行粒度分析， 得到如 图1所示的金川矿区-5 mm棒磨砂和-12 mm废石粒 径分布曲线。棒磨砂和废石骨料的粒径分布特征参 数如表1所示。 由图 1、 表 1 可知 1和 2样品颗粒分布存在差 异， 棒磨砂1样品含有0.15～2.36 mm的细颗粒较多， 棒磨砂2样品含有3.26～9.5 mm中细颗粒较多； 与散 体颗粒 Fuller 理想级配曲线对比发现， 棒磨砂 2样 品-3 mm的颗粒含量偏多， 而3 mm颗粒含量偏少， 其与废石混合充填有助于提高粗骨料密实度。由棒 磨砂、 废石的2样品ASTM标准筛和全粒径曲线得出 的泰波幂指数n存在较大差异， 但其粒径基本特征参 杨晓炳等 早强剂对固结粉胶凝材料混合骨料充填体强度的影响2020年第9期 49 数变化不大。由此认为， -0.075 mm 颗粒含量小于 10， 导致d10、d30、d50、d60、d90分布在可筛分的范围内， 根据两种级配特征曲线插值求出的d10、d30、d50、d60、d90 没有区别。 1. 2废石棒磨砂混合骨料粒径分析 针对金川矿区废石和棒磨砂两种骨料， 按不同 配比混合进行筛分， 得到如图 2所示的混合骨料粒 径分布特征曲线， 混合骨料粒径分布特征值与棒磨 砂含量的关系曲线如图 3 所示。分析图 2、 图 3 可 知 混合骨料粒径分布特征值不均匀系数 （Cc） 、 曲 率系数 （Cu） 和n值均随着棒磨砂掺量的增多呈下降 趋势。 1. 3废石棒磨砂混合骨料堆积密实度 针对不同配比的废石棒磨砂混合骨料进行堆 积密度试验， 并根据废石密度2.66 g/cm3、 棒磨砂密度 2.67 g/cm3计算混合骨料的堆积密实度。堆积密实度 与废石含量之间的关系曲线如图4所示。由图4可 知 随着废石含量增加， 混合骨料堆积密实度和泰波 指数n值随之增大。当废石含量为40时， 堆积密实 度和泰波指数n值分别达到0.635和0.591； 随着废石 含量进一步增加， 混合骨料堆积密实度和泰波幂指 数均呈降低趋势。综合分析混合骨料的堆积密实度 和泰波幂指数可知 当废石掺量为40时， 废石棒 磨砂混合骨料的粒径级配最佳， 相应堆积密实度达 到最大， 其泰波分布指数n约0.6。可见， 废石棒磨 砂配比为4 ∶ 6时混合骨料粒径级配优良， 泰波理论指 数为0.6， 堆积密实度为0.635。 2废石棒磨砂混合骨料胶结充填体强度 2. 1混合骨料胶结体强度试验方案 -5 mm棒磨砂和-12 mm废石粗骨料按照废石 含量10～50配比混合， 根据金川矿区充填系统与 工业参数， 采用胶砂比为 1 ∶5 和料浆浓度为 79～ 81， 开展添加和不添加早强剂的固结粉胶凝材料混 合骨料的胶结体强度试验。 2. 2无早强剂的混合骨料充填体强度 无早强剂的固结粉胶凝材料混合骨料胶结体强 度试验结果如表2所示。3种浓度的胶结充填体平均 强度与废石含量的关系曲线如图5所示。综合分析 图2及图5可知 充填体早期强度 （3 d、 4 d） 随着废石 金属矿山2020年第9期总第531期 50 含量增加呈降低趋势， 但后期强度 （7 d、 28 d） 随着废 石含量增加而提高； 当废石含量达到40左右时， 强 度达到最高， 而后随着废石含量增加而降低。由此 可知 废石含量为40的混合骨料堆积密实度最大， 胶结充填体强度达到最高。显然， 混合骨料的粒径 级配影响胶结充填体强度。3种料浆浓度3、 7、 28 d 平均强度分别达到1.23、 3.79、 5.98 MPa。由此可见， 无早强剂固结粉混合骨料的胶结体7 d和28 d强度 均分别大于2.5 MPa和5.0 MPa， 但早期强度小于1.5 MPa。显然， 充填体的早期强度低是制约固结粉胶凝 材料和废石充填技术推广应用的难题。 2. 3添加早强剂的混合骨料充填体强度 添加早强剂固结粉胶结体强度试验结果见表3。 3种料浆浓度胶结充填体平均强度与废石含量的关 系曲线如图6所示。综合分析表3及图6可知 混合 骨料胶结充填体早期强度 （3 d和4 d强度） 随着废石 含量增加呈略微降低趋势， 但7 d和28 d强度随着混 合粗骨料中废石含量增加而提高； 但当废石含量达 到40 （棒磨砂 ∶ 废石6 ∶ 4） 时， 胶结充填体3、 7、 28 d 强度分别达到1.55、 3.34、 6.46 MPa， 均超过金川矿区 胶结充填体设计强度。可见， 废石含量35～40的 混合骨料充填料浆浓度为79～81时， 添加早强剂 的胶结充填体强度可满足金川矿区下向分层进路胶 结充填采矿作业对胶结充填体强度的要求。 2. 4早强剂对胶结体强度的影响分析 混合骨料废石含量为10～50时， 添加和不添 加早强剂固结粉混合骨料胶结体强度与养护龄期的 关系如图7所示。 杨晓炳等 早强剂对固结粉胶凝材料混合骨料充填体强度的影响2020年第9期 51 由图7可知 添加早强剂显著提高了固结粉胶结 体3 d、 4 d强度。早强剂对固结粉胶结体7 d强度的 影响为先提高后减小， 即当废石含量大于40时， 添 加早强剂的胶结体7 d强度低于不添加早强剂的强 度。当废石含量为20～30时， 添加早强剂显著降 低了胶结体28 d强度， 以致不满足矿山充填体设计 要求。由此可见 当废石含量为40时， 3、 7、 28 d平 均强度分别达到1.55、 3.34、 6.46 MPa， 满足金川矿区 下向分层进路胶结充填体采矿作业对胶结充填体强 度的要求。 3结论 （1） 对于金川矿区-5 mm棒磨砂和-12 mm废石 粗骨料， 当废石与棒磨砂配比为4 ∶ 6时， 混合骨料的 堆积密实度达到最大值 0.635， 对应的泰波幂指数n 为0.591。 （2） 不添加早强剂的固结粉胶凝材料混合骨料 的胶结充填体强度随着废石含量增加先增加后降 低。即当废石含量为 40 和料浆浓度为 79～81 时， 胶结充填体 3、 7、 28 d 平均强度分别达到 1.23、 3.79、 5.98 MPa， 因此胶结充填体3 d强度不满足矿山 充填体强度要求。 （3） 添加早强剂的固结粉胶凝材料混合骨料的 胶结充填体强度随着废石含量的变化规律与不添加 早强剂基本一致。在废石含量为40和料浆浓度为 79～81的情况下， 胶结充填体3、 7、 28 d平均强度 分别达到1.55、 3.34、 6.46 MPa， 充填体强度达到金川 矿区充填体设计强度要求。 （4） 对于利用固体废弃物开发的固结粉胶凝材 料， 其混合骨料胶结充填体强度不仅与早强剂有 关， 而且还取决于废石含量。当废石与棒磨砂配比 为4 ∶ 6时， 添加1的早强剂有利于提高早期强度， 达 到金川矿区下向分层进路胶结充填采矿作业对充填 体早期强度的要求， 同时能够最大限度地利用金川 矿区废石， 显著降低充填采矿成本和提高充填采矿 经济效益， 可在金川矿区推广应用。 参考文献 姚维信.矿山粗骨料高浓度充填理论研究与应用 ［D］ .昆明 昆 明理工大学， 2011. 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