废石掺量对胶结充填体强度及变形破坏的影响_于恩毅.pdf

收稿日期2019-12-20 作者简介于恩毅 （1998） ， 男， 本科生。 废石掺量对胶结充填体强度及变形破坏的影响 于恩毅 1 黄旭东 1 王珍岐 1 黄晢航 1 龚甲桂 21 （1. 北京科技大学高等工程师学院， 北京 100083； 2. 中国冶金地质总局山东正元地质勘察院， 山东 济南， 250014） 摘要用一定量的粗骨料替代部分全尾砂进行胶结充填， 不仅能够提高充填体的强度， 还能减小充填体在载荷 作用下的变形， 满足了部分矿山较高的充填要求。胶结充填体的强度主要取决于充填料浆的配比， 即骨料、 胶凝材料、 水的配比。本研究拟采用控制变量的试验方法， 基于SEM电镜扫描和XRD试验， 探究在废石全尾砂混合骨料下胶 结充填体强度及变形特性， 探究废石掺量 （≥40） 因素对胶结充填体强度以及变形破坏的影响规律和机理。研究表 明 随着粗骨料的增加， 充填体试样的单轴抗压强度逐渐减小。由于粗骨料含量太多， 所形成的骨架太大， 水化产物相 对较少未能充分填满产生较多孔隙， 对提高充填体强度产生了不利的影响。此外， 随着废石掺量的增加， 其强度有所 下降， 其破坏时的总应变量基本相同； 其应力应变曲线在初期基本重合， 主要在端部裂隙闭合阶段之后逐渐分开。 关键词废石掺量废石全尾砂胶结充填体SEM电镜扫描XRD微观结构强度和变形 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-044-05 DOI10.19614/ki.jsks.202008008 Effect of Waste Rock-aggregate Ratio on Strength and Deation of Cemented Backfill Yu Enyi1Huang Xudong1Wang Zhenqi1Huang Zhehang1Gong Jiagui22 （1. School of Advanced Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083 ， China； 2. Shandong Zhengyuan Geological Survey Institute of General Administration of Metallurgical Geology of China， Jinan 250014， China） AbstractUsing a certain amount of coarse aggregate for exchanging part of the full tailings for cemented filling can not only improve the uniaxial compressive strength of the filling body，but also reduce the deation of the filling body under the load，which meets the higher filling requirements of some mines． The uniaxial compressive strength of cemented backfill mainly depends on the concentration of filling slurry，that is，the ratio of aggregate，cementing material and water． This study intends to use the test of controlled variables，based on SEM electron microscopy and XRD tests，to explore the strength and deation characteristics of the cemented filling under the waste rock-full tailings mixed aggregate，and to investigate the strength and deation of the cemented filling by the amount of waste rock（≥40） ． With the increase of amount of the coarse aggregate，the uniaxial compressive strength of the filling sample gradually decreased． Because the amount of the coarse aggregate is too large，the ed skeleton is too large，the hydration products are relatively less，and relatively few hydration products fail to fill up sufficiently and produce more pores，which has an adverse effect on improving the strength of the filling． In addition， with the increase of the waste rock-aggregate ratio， its strength decreases， and its total strain at the time of failure is basically the same；its stress-strain curves basically coincide at the initial stage，and gradually separate after the end of crack closure stage． KeywordsWaste rock-aggregate ratio， Waste rock- full tailings cemented backfill， SEM scan with electric mirror， XRD， Microstructure， Strength and deation 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 绿色采矿是当今矿山开采的发展方向， 尾砂的 地表堆存以及尾矿坝的稳定性是当今各个矿山重点 关注的问题。尾砂胶结充填不仅能够保证井下安全 开采， 还能解决矿山尾砂的堆存问题， 从而实现绿色 开采 ［1-4］。目前， 采用全尾砂胶结充填已经不能满足 部分矿山的充填要求和经济要求， 从而提出用一定 量的粗骨料替代部分全尾砂进行胶结充填。粗骨料 的刚性骨架作用， 能够提高充填体的强度， 并且能够 提高充填体的弹性模量， 减小在载荷作用下的变形。 此外， 粗骨料由于内部存在裂纹而具有一定的吸水 44 ChaoXing 率， 吸附的水在一定程度上能够改善充填体的后期 养护 ［1］。在混凝土及混凝土集料相关术语的定义中， ASTM将粗骨料定义为集料中粒径大于4.750 mm的 颗粒， 但全尾砂颗粒较细， 与定义粒径相比差距较 大， 会造成粒径效应， 从而影响试验结果的准确性， 基于此， 本次研究拟订粗细骨料界限为1.000 mm， 即 矿山废石作粗骨料的最小掺入粒径为1.000 mm。 本研究采用控制变量的实验思路， 结合SEM电 镜扫描与XRD试验手段， 探究在废石全尾砂混合 骨料下胶结充填体强度特性， 探明废石掺量对全尾 砂废石胶结充填体强度及变形特性的影响规律以 及机理。通过研究， 可以揭示废石最优掺入量或掺 入范围， 对实现矿山的经济开采具有十分重要的理 论价值与突出的现实意义。 1试验原材料 1. 1混合骨料 全尾砂是指没有经过分级脱泥的尾砂。全尾砂 含有较多细粒级颗粒， 细颗粒有较大的比表面积和 较好的吸水性， 与水吸附之后均匀填充在粗颗粒之 间， 保证了充填料浆的和易性、 塑性和结构面上固体 颗粒间的稳定性 ［5］。 废石集料主要来源于井下开拓与生产所产生的 废石。本实验所用废石的最大粒径为10 mm， 不超过 管道直径的1/5， 能够满足管道输送要求， 并且其级配 能构成良好的骨架结构， 可以作为充填料浆。 通过试验与分析， 表1列举了全尾砂与废石的 有关物理参数。使用LMS-30型激光粒度分析仪测 定全尾砂与废石的粒级分布， 测试结果见图1。表2 为XRD矿物组分分析结果。 分析图 1， 表 2 可知， 尾砂的主要成分为 SiO2、 MgO， 其中含有部分 Fe2O3、 CaO、 Al2O3、 SO3、 K2O、 TiO2 等成分。尾砂主要为粒径小于100 μm的颗粒， 其中 10～80 μm的占多数， 有利于料浆制备与采场充填脱 水。 1. 2胶凝材料 胶凝材料选用水泥标号为 R32.5 级增强复合 水泥， 比重为 3.1 t /m3， 密度为 1.1 t /m3， 比表面积为 3 100～3 300 cm2/g， 化学成分如表2所示， 主要成分为 CaO和SiO2。 2充填料浆配比实验 2. 1试验设计 充填体的强度主要取决于充填料浆的配比， 即 骨料、 胶凝材料、 水的配比。本实验采用控制变量的 实验思路， 控制灰砂比1 ∶ 5、 料浆浓度75、 废石掺量 分别为40～80 （梯度为5） ， 探究废石掺量对3 d、 7 d、 28 d龄期充填体的抗压强度的影响规律， 并作28 d龄期的应力应变曲线探究其变形特性。 根据试验方案， 将称量好的充填物料 （全尾砂、 废石、 水泥、 水） 倒入混合容器内， 强力搅拌形成均匀 充填料浆。将搅拌好的料浆注入ϕ50 cm100 cm标 准圆柱形模具， 采用人工振捣的方法装模， 将制作好 的试块放至养护箱养护， 养护温度为22 ℃， 养护湿度 为95。每种配比条件下制作试块9个， 使用压力试 验机分别在规定龄期测试充填体单轴抗压强度， 加 荷速度为0.2 kN/s。 2. 2试验结果 废石全尾砂胶结充填体试样在恒温恒湿养护箱 中分别养护3 d、 7 d、 28 d后， 使用抗压强度试验仪测 定其单轴抗压强度， 用Y1、 Y2、 Y3分别表示3个龄期的 2020年第8期于恩毅等 废石掺量对胶结充填体强度及变形破坏的影响 45 ChaoXing 抗压强度， 实验结果如表3所示。 2. 2. 1强度特性 以废石掺量为x坐标， 28 d龄期单轴抗压强度、 破坏时总应变量为y轴， 绘制出散点图并对其进行线 性拟合， 结果分别如图2、 图3所示。由图可知 ①随 着废石掺量的提高， 充填体的单轴抗压强度呈逐渐 减小的趋势； ②随着废石掺量的提高， 充填体破坏时 的最大应变量变化不大。根据矿山充填开采对充填 体具体强度、 减沉和经济效应等因素的要求， 可以选 择不同废石掺量的充填体。 由线性回归方法可得， 试件单轴抗压强度y1和废 石掺量x的特征关系式 y1 -0．041x 6．626.（1） 试件破坏时的总应变量y2和废石掺量x的特征 关系式 y2 -0．0 x 0．029.（2） 2. 2. 2变形特性 制备浓度为75、 灰砂比为1 ∶5、 废石掺量分别 为40、 60、 80的3组充填试件， 对保养28 d的试 样进行单轴抗压强度试验， 得到应力应变曲线如 图4所示。 由图4可知， 试件压缩过程中主要经过了7个阶 段 ［6-8］ ①微裂隙闭合阶段， 应力应变曲线呈明显的 下凹特征， 由试样内部孔隙逐渐压密导致； ②短暂线 弹性阶段， 应力应变关系近乎出现正相关； ③端部 裂隙扩展破坏阶段， 应力应变曲线出现应力平台， 试件出现较大应变， 约占总应变的15～20， 由试件 端部应力集中及平整度不高导致应力集中， 致使端部 部分优先破坏导致； ④端部裂隙闭合阶段， 应力应 变曲线再次出现下凹特征， 主要由于端部破裂后产生 的新裂隙被逐渐压密导致； ⑤线弹性阶段， 应力应 变近乎正相关； ⑥微裂纹扩展阶段， 应力应变曲线呈 明显的上凸特征， 由试样内部软弱部分应力值已经达 到承载极限， 逐渐产生裂隙导致； ⑦裂纹贯通破坏阶 段， 由于裂隙的产生， 导致试样内部裂隙周围应力集 中， 裂纹快速扩展， 贯穿， 直至充填体完全失稳破坏。 从图4中可以看出来， 在较高浓度条件下， 试件 弹性较好， 应力应变曲线没有很明显的屈服过程； 随着废石掺量的增加， 其强度有所下降， 其破坏时的 总应变量基本相同； 其应力应变曲线在初期基本 重合， 主要在端部裂隙闭合阶段之后逐渐分开。 3影响机理 废石掺量主要通过混合骨料堆积密实度影响充 填体的强度 ［9-10］。粗骨料在充填体中主要起到骨架 支撑的作用， 水泥的水化产物充填在其孔隙之中， 起 到粘结加固的作用。在一定范围内， 充填体中废石 金属矿山2020年第8期总第530期 46 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ 4结论 （1）随着废石掺量 （≥40） 的增加， 充填体试样 的单轴抗压强度逐渐减小。 （2） 随着废石掺量 （≥40） 的增加， 微观结构更 加疏松， 针状物质明显增多， 絮状物与块状物明显减 少， 孔隙比例也明显增加， 水化反应不充分， 充填体 强度也逐渐降低。由于粗骨料含量太多， 所形成的 骨架太大， 水化产物相对较少未能充分填满产生较 多孔隙， 对提高充填体强度产生了不利的影响。 （3） 试件压缩过程中主要经过了7个阶段。在 较高浓度条件下， 试件弹性较好， 应力应变曲线没 有很明显的屈服过程； 随着废石掺量的增加， 其强度 有所下降， 其破坏时的总应变量基本相同； 其应力 应变曲线在初期基本重合， 主要在端部裂隙闭合阶 段之后逐渐分开。 参 考 文 献 吴爱祥， 王洪江．金属矿膏体充填理论与技术 ［M］ ．北京科学出 版社， 2015． Wu 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