不同配比胶结充填材料的力学特性研究

不同配比胶结充填材料的力学特性研究

0充填材料特性在采矿过程中，由于技术和技术条件的限制，非支柱分散法往往导致矿石损失的贫化，影响矿山的整体经济效益。为了保障充填效果，相关学者对充填材料的基本特性进行了研究。张金等为了确定最佳配比参数，通过不同配比的水泥-尾砂充填材料力学性能实验，分析灰砂比、质量分数、养护龄期对试块强度的影响。通过实验研究，以期为后续充填系统方案设计提供依据，并为国内类似条件金属矿床胶结充填开采提供借鉴。1填充材料1.1环保事业少、环境保护,少、料源充足的原则充填材料的选择要遵循保障生产安全、投入少、保护环境、取材容易、料源充足等原则。根据国内充填开采技术经验可知，选用水泥-尾砂充填效果相对较好，具有多方面的优势1.2全尾砂物理特性及化学成分全尾砂充填材料的物理特征、化学成分及其含量对胶结充填体的强度、沉降率、渗滤水性能等参数有重要影响(1)尾砂粒度测定采用水筛筛分法由表1数据可知，所选全尾砂粒径较细，在74μm以上尾砂粒度占比为26.27%,占比较小；在37μm以下粒径占比为44.86%,占比较大，对尾砂浓缩、充填脱水及充填体的强度具有一定影响。(2)全尾砂的真密度全尾砂真密度测试使用25mL比重瓶，按照文献(3)尾砂的胶结性能对所选尾砂化学成分进行了测定，测定结果见表2。从测定结果可知，尾砂中石英质量分数达到67.03%,具有一定潜在胶结性能。硫化物对充填体的强度影响较大2实验2.1填充材料的比例方案充填材料配比主要是依据充填浆料中水泥和全尾砂的加入量来确定灰砂比、质量分数等参数。根据动态浓密沉降实验结果，底流质量分数在70%左右2.2充填料浆浇筑按设计灰砂比，使用7.07cm×7.07cm×7.07cm的三联试模，将试模的底部密封以防止料浆流出。使用搅拌器将水、水泥、全尾砂等充填料搅拌8min后形成充填浆料，最后将充填浆料倒入试模内进行浇筑，在浇筑时使用金属棒不断捣振充填料浆，使料浆密实，并将内部存留的气泡排出。使用振动器振捣成型，用刮刀将试模顶部多余浆液刮掉，抹平表面。将试模拆除以后，把做好的充填体试块轻轻地放入养护池中进行保湿养护，环境温度保持在20～23℃,在试块制作过程中严格按照试验操作规程的要求进行操作。2.3单轴抗压强度测试使用电脑控制的机械压力机测定试块的单轴抗压强度，每组实验进行预定养护时间3结果与分析3.1不同灰砂比下试块强度变化质量分数不变条件下不同灰砂比充填体单轴抗压强度测试结果如图2所示。由图2可知，在质量分数一定时，水泥添加量越多，试块凝结速度越快，各龄期试块的强度越大。试块强度随着灰砂比的增大而增大，灰砂比对试件强度的影响较大。灰砂比在1∶4时试件强度达到最大，到1∶6时试件强度明显下降，在1∶6至1∶12时试块强度接近线性下降，下降幅度较之前有所减小，灰砂比在1∶12至1∶20之间时，试块强度下降幅度降到最小，变化趋势趋于平缓。灰砂比大于1∶8时，试块的强度增长趋势明显。在同一质量分数下，1∶4灰砂比充填体强度是1∶20灰砂比强度的6.7～14.5倍，龄期越大，差距越大。灰砂比大的充填体试块水泥含量较多，水泥的胶结作用使试块内部形成较为牢固的力学结构，因此试块承受外力作用的性能大大提高在实际充填时，考虑充填成本、强度要求及后期对矿柱的回采，一般选用多种灰砂比料浆进行充填，以达到充填采空区和安全回采矿柱的要求。采场充填采用分期充填，为防止跑浆事故，减少充填体对隔墙的压力，一般先充填6～8m的高配比充填料，待初凝后再依次充填其他灰砂比料浆，直至采场充满为止。3.2单轴抗压强度对3、7和28d的养护龄期试块强度进行了对比分析，如图3所示。由图3可知，养护龄期越长，试块的单轴抗压强度越大。同为灰砂比1∶4试块，由料浆质量分数分别为76%、73%、70%制成的试块，其在28d和7d的单轴抗压强度，分别较7d和3d单轴抗压强度增加了1.21和1.10倍、1.42和1.03倍、1.43和1.23倍。对于灰砂比为1∶20的试块，由料浆质量浓度分别为76%、73%、70%制成的试块，其在28d和7d的单轴抗压强度，分别较7d和3d单轴抗压强度增加了1.12和0.63倍、12.01和0.46倍、1.02和0.75倍。实际充填后的养护期为3个月，远远超过28d龄期，可保障充填体充分达到强度要求。3.3单轴抗压强度对不同质量分数及灰砂比的3、7和28d养护龄期试块的强度值进行对比分析，如图4所示。从图4可以看出，随着水泥添加量增加充填体试块强度增大。在同一灰砂比情况下，试块的质量分数越大，试块强度越大；当水泥添加量较少时，质量分数对充填体强度影响明显增大。例如，对于灰砂比为1∶4,质量分数76%、73%的试块，其3、7、28d强度分别为质量分数73%、70%试块的1.31、1.17倍，1.35、1.07倍，1.23、1.06倍；同样的，对于灰砂比为1∶12,质量分数76%、73%的试块，其3、7、28d强度分别为质量分数73%、70%试块的1.34、1.33倍，1.46、1.11倍，1.17、1.22倍。同样的，对于1∶6、1∶8、1∶15、1∶20灰砂比的试块，随着料浆质量分数的逐渐提高，其单轴抗压强度也基本上遵循类似的强度增大的规律。由此可见，质量分数提高时试块强度有一定程度的增加，在一定的范围内质量分数对试块强度的提高极为有利。此外，根据已经完成的塌落度实验可知，质量分数76%的浆液塌落度为24.5cm,质量分数73%的浆液塌落度为27.5cm,质量分数70%的浆液为摊开状态。质量分数越大，试块强度越高，但料浆流动性越差，影响充填效果。在实际充填时，应充分考虑充填浆液的流动性对充填效果的影响，对比3种质量分数的浆液，质量分数70%的浆液流动性最好，此时的管道流动输送性能较好。3.4充填料浆质量分数根据实验数据分析结果，考虑充填料浆的强度、流动性和材料消耗，选用1∶4、1∶6和1∶8三种充填料浆，其中灰砂比为1∶4的胶结料浆占充填料浆比重为25%,灰砂比为1∶6的胶结料浆占充填料浆比重为45%,灰砂比为1∶8的胶结料浆占充填料浆比重为30%,充填料浆质量分数选择70%。考虑到对矿房充填后充填体应达到一定的强度，因此确定用1∶4的灰砂比料浆充填矿房底部和顶部，1∶6的灰砂比料浆充填矿房中下部和中上部，1∶8的灰砂比料浆充填矿房中部。4充填料浆质量分数对充填体强度的影响(1)灰砂比、质量分数是影响充填体材料力学性质的关键因素，添加水泥多的试块强度大于添加水泥少的，在一定条件下，添加水泥比例相同时，提高质量分数有利于充填体强度的提高。若需得到相同的充填体强度，可以通过减少水泥用量、提高料浆质量分数的方式来实现，既可以达到充填强度要求，也可以降低充填成本。(2)较高灰砂比的充填料浆试块凝结硬化性能正常，24h后均能够拆模，试块手感较好。对于质量分数较高的水泥-尾砂充填料浆，其固结沉缩较质量分数低的水泥-