二次制備中充填體質(zhì)量的影響因素研究

于海清

(銅陵有色控股股份有限公司仙人橋銅礦， 安徽 蕪湖市 244000)

二次制備中充填體質(zhì)量的影響因素研究

于海清

(銅陵有色控股股份有限公司仙人橋銅礦， 安徽 蕪湖市 244000)

影響膠結(jié)充填體質(zhì)量的因素是多方面的，如充填濃度、膠凝材料、環(huán)境和充填體的完整性等。充填料漿的輸送、充填過程也是一個(gè)二次制備過程，即將高濃度膠結(jié)料漿從充填站輸送至采場(chǎng)，并經(jīng)過脫水、離析與養(yǎng)護(hù)的過程。這一將膠結(jié)充填料漿制成高質(zhì)量充填體的“成品”過程，諸多因素決定著充填體的質(zhì)量。實(shí)踐證明，二次制備中的離析和水化反應(yīng)等是影響膠結(jié)充填體質(zhì)量的重要因素，研究結(jié)果有助于提高膠結(jié)充填體品質(zhì)。

二次制備；充填質(zhì)量；膠凝材料

充填過程中，充填制備站的主要功能是將低濃度尾砂料漿提高到高濃度，將膠凝材料與高濃度的尾砂料漿均勻的混合，并進(jìn)行攪拌。然而，在膠結(jié)充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)或質(zhì)量提高的過程中，這只是第一步。實(shí)踐證明，充填體強(qiáng)度和質(zhì)量的提高是多種因素決定的，充填料漿輸送至采場(chǎng)的過程中，脫水、養(yǎng)護(hù)及強(qiáng)度提高是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，也叫料漿的二次制備。二次制備是將充填料漿從半成品到高質(zhì)量充填體“成品”的過程，影響充填體質(zhì)量是多方面的，如養(yǎng)護(hù)、脫水、溫度、濕度、膠凝材料、離析的緩解以及尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)等。因此，通過對(duì)影響二次制備料漿的因素進(jìn)行研究分析，以期達(dá)到進(jìn)一步提高充填體質(zhì)量，降低充填成本的目的。

1 影響充填體質(zhì)量的重要因素

1.1 膠凝材料是影響充填體強(qiáng)度的重要因素

金屬礦山使用的膠凝材料有水泥、膠固粉、C料、高水材料、礦渣超細(xì)微粉等。通過開展礦渣微粉、粉煤灰單摻以及礦渣微粉與粉煤灰雙摻對(duì)充填料漿流動(dòng)度和充填體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，表明：

(1) 膠凝材料的活性與膠凝材料自身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在選擇充填用的膠凝材料時(shí)，應(yīng)與尾礦的物理化學(xué)性質(zhì)相匹配，如尾礦的粒級(jí)，料漿的酸堿度、尾礦中的含硫量等。

(2) 膠凝劑的材料組合，即主材與輔材的配比要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析，做到性價(jià)比最優(yōu)。

(3) 在一定的物理化學(xué)條件下，細(xì)度對(duì)膠凝材料的活性有很大影響。研究表明礦渣微粉和粉煤灰、冶煉廢渣等都有一定的活性，細(xì)度越細(xì)，活性越高。

(4) 水化反應(yīng)生成大量的熱，在充填體產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度降低。

1.2 膠凝材料的組分對(duì)尾砂特性具有互補(bǔ)性

膠凝材料在膠結(jié)充填體中應(yīng)具備的4大效應(yīng)：火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微充效應(yīng)、疊加效應(yīng)，這與膠凝材料中的摻和料有很大關(guān)系。膠凝材料中各種組分的選擇應(yīng)有互補(bǔ)性。實(shí)踐證明，充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)過程是一個(gè)長(zhǎng)期過程。如將礦粉與粉煤灰摻合制備膠凝材料，對(duì)膠結(jié)充填體的早起強(qiáng)度和后期強(qiáng)度產(chǎn)生有益影響。礦粉對(duì)充填體的早期強(qiáng)度的影響主要在于其火山灰效應(yīng)可改善充填料漿的界面結(jié)構(gòu)；粉煤灰對(duì)充填體的后期強(qiáng)度的影響主要在于其火山灰效應(yīng)所帶來的孔徑細(xì)化作用，未反應(yīng)的粉煤灰顆粒具有“內(nèi)核作用”，從而使充填體的強(qiáng)度持續(xù)提高。

1.3 溫度對(duì)充填體質(zhì)量的影響存在兩面性

在充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)中，隨著齡期的延長(zhǎng)和溫度的變化對(duì)充填體質(zhì)量的影響相當(dāng)大，一方面水化反應(yīng)的速度和周圍的環(huán)境溫度相關(guān)，溫度較高，水化反應(yīng)的速度越快，凝結(jié)時(shí)間越短，隨首凝膠的增多，強(qiáng)度增長(zhǎng)也越快，特別是早期強(qiáng)度。另一方面，膠結(jié)充填體的熱阻較大，在硬化過程中由于水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量會(huì)聚集在充填體的內(nèi)部，但是充填體表面散熱較快，從而導(dǎo)致膠結(jié)充填體的內(nèi)外形成較大溫差，將導(dǎo)致充填體產(chǎn)生不均勻溫度變形和溫度應(yīng)力，若該應(yīng)力大于充填體的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)使充填體產(chǎn)生破壞，若產(chǎn)生的裂縫貫穿充填體，對(duì)充填體的強(qiáng)度和完整性是不利的。因此，通過一定的方法來改變充填料漿的物理化學(xué)性質(zhì)是必要的，通過添加礦粉和粉煤灰來降低膠凝材料的水化熱、料漿的流動(dòng)性和提高充填體強(qiáng)度，改善充填體質(zhì)量。

1.4 膠結(jié)體的質(zhì)量參數(shù)應(yīng)與采礦工藝和周邊環(huán)境 相結(jié)合

在回采過程中，充填體在自重作用下破壞，影響膠結(jié)充填體質(zhì)量的因素是很多的，而充填體的強(qiáng)度是采場(chǎng)高度、寬度和充填體密度的函數(shù)。另外需要研究不同采礦方法、孔邊距大小以及爆破震動(dòng)影響范圍等因素，對(duì)充填體的力學(xué)破壞和表面形狀破壞機(jī)理。最大有效垂直高度或者有效高度增加值對(duì)充填體破壞方向的研究尚不明確。充填材料特性(膠凝材料含量、孔隙率和顆粒分級(jí))和強(qiáng)度特性與變形特性(內(nèi)聚力、摩擦角、彈性模數(shù)、泊松比和塑性應(yīng)變極限)之間的一些主要相互關(guān)系被研究出來了。在這些相互關(guān)系的研究中，考慮了養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度和試樣尺寸的影響，使這些特性標(biāo)準(zhǔn)化了。

1.5 離析是充填體強(qiáng)度下降的重要因素

實(shí)踐證明，膠結(jié)料的離析對(duì)充填體強(qiáng)度的影響是相當(dāng)大的，離析與膠結(jié)料含量相比，其對(duì)控制充填體強(qiáng)度的作用更為重要。因此，對(duì)各采場(chǎng)及各類充填料的離析都要進(jìn)行認(rèn)真分析，更深入了解離析的正反兩方面的影響。

2 提高充填質(zhì)量的技術(shù)方案

(1) 改善膠凝材料的組分，調(diào)整充填體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)充填體強(qiáng)度和工作性能互補(bǔ)。膠凝材料的組分是提高充填體質(zhì)量非常重要的因素，膠凝材料對(duì)充填體強(qiáng)度的影響是較大的，如在膠凝材料中添加礦渣微粉調(diào)整充填體性能和充填體結(jié)構(gòu)，可改善充填體質(zhì)量。此外，還可通過激發(fā)礦渣的潛在活性，通過和熟料的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，再加上細(xì)粉的填充作用，增強(qiáng)充填體的強(qiáng)度[7]。

(2) 膠結(jié)充填體的質(zhì)量應(yīng)與采礦工藝相結(jié)合。根椐不同的采礦方法，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足充填及回采要求。不同的采礦方法對(duì)充填體的強(qiáng)度要求是不同的，充填體的強(qiáng)度和剛度隨采礦方法和開采深度的改變而改變。隨著深井開采的礦山增多，其廢石提升的成本也越來越大，因此，廢石充填料也是一種更通用的充填料，通過研究廢石充填和尾膠充填同步進(jìn)行的充填工藝，對(duì)廢石充填料巖塊優(yōu)化分級(jí)的研究，從而進(jìn)一步提高充填體質(zhì)量。

(3) 加強(qiáng)對(duì)充填料漿的二次制備的技術(shù)研究。露面的設(shè)計(jì)必須考慮的因素包括組份的粒度分布、含水量、充填料投放時(shí)顆粒的離析程度、不同混合物的強(qiáng)度和離析產(chǎn)生的分帶以及不同支護(hù)和采礦方法，通過對(duì)上述因素的分析研究，提高充填體質(zhì)量。

(4) 研究側(cè)向受壓充填體的剛性，限制采場(chǎng)頂?shù)装逑鄬?duì)位移和控制巖爆。由于提升和生產(chǎn)成本的壓力，緩解井下掘進(jìn)廢石出路，對(duì)剛性充填料的充填要求日益提高，這就要考慮膠結(jié)料和骨料粒級(jí)對(duì)剛性的作用。在礦柱回采期間要求作為一個(gè)自由面維持的充填體，要更充分地了解側(cè)向受壓充填體的工程技術(shù)特性。

3 結(jié) 論

(1) 二次制備是影響充填體質(zhì)量的重要因素，充填材料的離析是充填體質(zhì)量下降的重要原因。

(2) 水泥和礦渣粉的粒級(jí)組成決定了礦渣粉的填充作用，礦渣微粉的摻量對(duì)充填物料粒級(jí)組成的改變不大。礦渣粉對(duì)水泥顆粒具有分散與填充作用，分散作用使充填體的強(qiáng)度降低；相反，填充作用使充填體的強(qiáng)度增加。

(3) 膠凝材料的化學(xué)性質(zhì)是決定充填體強(qiáng)度的重要因素，細(xì)度對(duì)膠凝材料的活性有很大影響，細(xì)度越細(xì)，活性越高。

(4) 溫度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響是雙面的，一方面，適當(dāng)提高充填采場(chǎng)的溫度對(duì)膠凝材料的反應(yīng)速度和凝膠組分的提高是有幫助的，另一方面，由于充填體熱阻較大，過量的水化反應(yīng)熱對(duì)充填體質(zhì)量是有害的。

(5) 充填體強(qiáng)度要求與采礦方法、爆破參數(shù)和炮孔直徑相關(guān)聯(lián)。充填體強(qiáng)度的穩(wěn)定性隨膠結(jié)料含量的增加而提高，穩(wěn)定的暴露面高度隨暴露面寬度的增加而減小，穩(wěn)定性隨暴露面的擴(kuò)大程度而減小，表面破壞發(fā)生在嚴(yán)重破壞之前。

[1] 蘇 亮,江 波.塊石膠結(jié)充填工藝中關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的控制[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014，34(07):1￣4,53. [2] 徐黎明.廣州黃埔大橋承臺(tái)大體積混凝土溫控研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2007.[3] 周 曼,李鐵一,等.細(xì)粒鐵尾礦固化造塊及其機(jī)制的研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā),2014(02):84￣88. [4] 許青海.淺談礦渣微粉在混凝土攪拌站使用應(yīng)該注意的幾個(gè)問題[J].福建建材, 2011 (1): 52￣53.

2015￣02￣28)

于海清(1965￣ )，男，安徽蕪湖人，工程師，主要研究采礦工藝、礦山充填技術(shù),Email：csuboy520_shi@163.com。