自膨脹材料在充填采場(chǎng)接頂中的應(yīng)用

自膨脹材料在充填采場(chǎng)接頂中的應(yīng)用

隨著采礦業(yè)深度的增加和環(huán)境保護(hù)的社會(huì)意識(shí)的提高，將充分利用采礦方法應(yīng)用于礦山的應(yīng)用比例不斷增加，并有其他發(fā)展趨勢(shì)。然而，礦山為了保證充填料漿能依靠重力自流輸送，料漿濃度不宜過(guò)高，使得充填料漿在采場(chǎng)中泌水沉縮，從而導(dǎo)致充填體無(wú)法接頂。同時(shí)，由于充填料漿自流坡度的影響、采場(chǎng)頂板本身不規(guī)則性、人為等因素，均會(huì)造成充填無(wú)法接頂。為提高充填采場(chǎng)接頂率，胡國(guó)宏等本文旨在研究充填體主動(dòng)接頂技術(shù)，在充填料漿中添加與其相匹配的自膨脹材料，利用其自膨脹功能使充填體體積增大，從而實(shí)現(xiàn)充填體主動(dòng)接頂。通過(guò)開展自膨脹充填料漿的流動(dòng)性能和自膨脹充填體的強(qiáng)度測(cè)試研究，并利用掃描電鏡（SEM）分析充填體的微觀結(jié)構(gòu)，確定了廣東某鉛鋅礦接頂充填的最佳充填技術(shù)參數(shù)。1待膨脹充填料漿在充填料漿中添加生石灰及一種金屬粉末作為自膨脹材料，金屬粉末與水在堿性環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氣體。充填體膨脹的動(dòng)力來(lái)源于氣泡內(nèi)壓力，而阻力來(lái)源于其自重壓力及自身剪切應(yīng)力。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氣體越來(lái)越多，氣泡內(nèi)的壓力也越來(lái)越大，這些氣泡能夠均勻地懸浮在充填料漿中，迫使充填料漿體積增大。待氣泡內(nèi)壓力與充填料漿自重壓力與料漿的極限剪切應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，膨脹過(guò)程停止。若膨脹率較小，則難以克服充填料漿的自重及料漿的極限剪切應(yīng)力，導(dǎo)致充填體達(dá)不到膨脹效果；若發(fā)膨脹率較大，則氣體會(huì)逸出充填料漿，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度大幅度降低。通過(guò)充填料漿自膨脹原理分析可知，充填料漿的自膨脹過(guò)程中雖然伴隨著化學(xué)反應(yīng)，但膨脹材料并沒(méi)有參與充填料漿中水泥的水化反應(yīng)，因此，在充填料漿中添加膨脹材料使充填體體積膨脹實(shí)際上是一個(gè)物理過(guò)程。2基本物理參數(shù)、化學(xué)元素分析試驗(yàn)所用分級(jí)尾砂取自廣東某鉛鋅礦，其基本物理參數(shù)見表1，化學(xué)元素分析見表2，粒級(jí)組成見圖1。由表2可知，分級(jí)尾砂中主要非金屬氧化物為SiO該分級(jí)尾砂d3膨脹率的測(cè)定自膨脹充填體最重要的一項(xiàng)特性就是具有體積膨脹，此特性決定其在充填接頂中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了獲得更好的充填體質(zhì)量，應(yīng)將充填體膨脹率（膨脹后體積與未膨脹體積之差除以未膨脹體積）控制在20%～25%之間。充填體膨脹率測(cè)試方法為在2000mL的量筒內(nèi)配置料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4的充填料漿，再添加一定量（充填料漿質(zhì)量的1%、3%、5%）的自膨脹材料，用橡膠網(wǎng)孔攪拌棒攪拌均勻，然后靜置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并開始計(jì)時(shí)，記錄不同時(shí)間下的液面位置及沉縮面位置，最終計(jì)算膨脹率，計(jì)算方法為：通過(guò)測(cè)量量筒直徑及膨脹前充填料漿及膨脹后充填體在量筒中的高度，按照（膨脹后體積-膨脹前體積）/膨脹前體積的計(jì)算方法即得膨脹率。在自膨脹材料不同添加量條件下，膨脹率相差較大。當(dāng)添加量為1%時(shí)，膨脹率僅為2%，分析原因在于濃度為73%、灰砂比1∶4的充填料漿經(jīng)過(guò)24h水化固結(jié)，具有一定的強(qiáng)度，而產(chǎn)生的氣體較少，氣體無(wú)法使充填體膨脹；當(dāng)添加量為5%時(shí)，膨脹率達(dá)到29.9%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，膨脹率偏大，不利于充填體強(qiáng)度的發(fā)展；當(dāng)添加量為3%時(shí)，膨脹率達(dá)到23.7%，該膨脹率在合理的范圍內(nèi)。但自膨脹材料3%的添加量能否滿足充填要求，需要開展自膨脹充填料漿性能的試驗(yàn)研究。4結(jié)合自膨脹和填充性能的研究4.1充填體膨脹率隨充填料漿濃度的變化本文開展了充填濃度為71%、73%、75%，灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6，自膨脹材料添加量為3%時(shí)的充填料漿膨脹率測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。根據(jù)表4可繪制料漿濃度對(duì)充填體體積膨脹率的影響規(guī)律，見圖2。由圖2可知，在相同灰砂比條件下，充填體膨脹率隨充填濃度的增加略有降低，主要原因是在灰砂比一定的條件下，充填體強(qiáng)度隨充填料漿濃度的增加而增大，由于產(chǎn)生的氣體量一定，導(dǎo)致充填體膨脹效果減弱?？傮w而言，充填料漿濃度對(duì)充填體自膨脹性能的影響較弱。為了獲得相對(duì)高強(qiáng)度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時(shí)，充填濃度在73%～75%之間。由圖3可知，在相同濃度下，灰砂比為1∶2時(shí)，充填體膨脹率較??；灰砂比為1∶4和1∶6時(shí)，充填體體積膨脹率變化較小。為了獲得相對(duì)高強(qiáng)度充填體，推薦廣東某鉛鋅礦接頂充填時(shí)，灰砂比應(yīng)不低于1∶4。4.2充填料漿流動(dòng)性能試驗(yàn)本試驗(yàn)采用目前較通用的“擴(kuò)散筒法”，開展充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)。擴(kuò)散度試驗(yàn)采用小型坍落筒在一塊標(biāo)有刻度的玻璃上進(jìn)行，其坍落筒上下口徑分別為3.5cm、6.0cm，筒高6.0cm。試驗(yàn)首先用布把坍落筒內(nèi)部擦拭干凈，并將其放在水平的玻璃板上，將配比好的充填料漿從坍落筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將坍落筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上形成一個(gè)圓，通過(guò)測(cè)定二個(gè)垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴(kuò)散度值。試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)濃度為71%、73%、75%；灰砂比為1∶2、1∶4、1∶6；自膨脹材料添加量為0%、3%。依據(jù)以上試驗(yàn)參數(shù)開展流動(dòng)性能試驗(yàn)，共計(jì)18組，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知，當(dāng)充填料漿的濃度與灰砂比相同時(shí)，添加自膨脹材料的充填料漿的擴(kuò)散度值比未添加時(shí)略小，主要是充填料漿中添加3%的自膨脹材料使?jié)舛嚷晕⒃龃?，?dǎo)致擴(kuò)散度值減小，但減小量很小，說(shuō)明添加3%的自膨脹材料對(duì)充填料漿的流動(dòng)性能影響不大。4.3充填體強(qiáng)度降低充填材料配比試驗(yàn)參數(shù)與擴(kuò)散度試驗(yàn)參數(shù)一致，養(yǎng)護(hù)齡期為7d和28d。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，充填料漿中添加3%的自膨脹材料后，充填體單軸抗壓強(qiáng)度均降低。主要是因?yàn)樽耘蛎洸牧仙傻臍怏w使充填體內(nèi)產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，充填體體積膨脹，導(dǎo)致充填體密實(shí)度降低，從而降低充填體強(qiáng)度。采用在充填料漿中添加自膨脹材料的主動(dòng)接頂工藝，在提高接頂率的同時(shí)，還需要保證一定的強(qiáng)度，根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，73%～75%濃度、灰砂比1∶4的充填料漿添加3%的自膨脹材料，強(qiáng)度可達(dá)到1.8～3MPa，膨脹率介于22%～23%之間，滿足充填接頂?shù)囊蟆?.4尾砂膠結(jié)充填體微觀形貌為了解膨脹材料的加入對(duì)充填體結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)膨脹充填體進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）檢測(cè)測(cè)試，采用的測(cè)試設(shè)備為MLA(MineralLiberationAnalyser）礦物自動(dòng)分析儀。對(duì)充填料漿濃度為73%、灰砂比為1∶4、養(yǎng)護(hù)齡期為28d的添加膨脹材料與未添加膨脹材料的充填體切割利用顯微鏡對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，然后取樣開展SEM測(cè)試，在分別在放大100倍、500倍、2000倍時(shí)對(duì)微觀形貌進(jìn)行拍照，結(jié)果如圖6～8所示。由圖6可知，添加了膨脹劑的試樣表面比未添加膨脹劑的試樣表面更加粗糙，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組試樣內(nèi)部微泡和微孔數(shù)量顯著多于對(duì)照組，這是由于膨脹劑發(fā)生反應(yīng)是生成的氣體被硬化的水泥漿體固定而造成的。由圖7可知，加入膨脹材料和不加膨脹材料的充填體的微觀形貌幾乎完全一樣，其硅酸鹽凝膠和少量的鋁酸鹽凝膠、鈣礬石互相包裹的情況也大致相同，即添加自膨脹材料的充填體沒(méi)有生產(chǎn)新的膠凝產(chǎn)物，未改變充填體內(nèi)的水化產(chǎn)物種類。由圖8可知，加入膨脹材料的充填體試樣內(nèi)鈣礬石的結(jié)晶體長(zhǎng)度要普遍大于未加膨脹材料的充填體試樣，這是由于在添加膨脹材料的充填體試樣中，由于膨脹效應(yīng)，充填體內(nèi)部自由水形成的通道更加發(fā)育，鈣礬石有更加大的生長(zhǎng)空間。由上述結(jié)果可知，尾砂膠結(jié)充填體中加入膨脹材料后，沒(méi)有改變充填體水化產(chǎn)物類型，只是改變了充填體中孔結(jié)構(gòu)的分布。在不同放大倍數(shù)的視野內(nèi)，均可觀察到膨脹充填體內(nèi)不同尺寸的氣泡形貌，而且氣泡和微孔分布均勻，說(shuō)明膨脹效果達(dá)到預(yù)期狀態(tài)。5充填參數(shù)選取為驗(yàn)證前期試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，開展了充填體自膨脹小型物理模擬試驗(yàn)，測(cè)定充填體的膨脹率及充填體強(qiáng)度分布特征等參數(shù)，為后續(xù)確定采場(chǎng)接頂充填參數(shù)提供依據(jù)。本文采用木板制作小試試驗(yàn)箱，尺寸為：長(zhǎng)600mm、寬600mm和高900mm，中間用隔板隔開，方便對(duì)照添加與未添加自膨脹材料的試驗(yàn)效果，一側(cè)面采用有機(jī)玻璃，以方便觀察。模擬試驗(yàn)采用的充填配比參數(shù)見表5。5.1充填體體積膨脹率的變化根據(jù)物理模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型內(nèi)充填體膨脹過(guò)程如圖9所示。由圖9可知，未添加膨脹材料的充填料漿在停止攪拌后開始出現(xiàn)較大的分層現(xiàn)象，并且充填料漿出現(xiàn)較大幅度的體積減小，而添加了膨脹材料的充填料漿在開始階段會(huì)出現(xiàn)料漿的離析分層，在60min左右充填體體積膨脹率顯著上升；充料漿主要的膨脹大致發(fā)生在60～300min之間，18h后相對(duì)自身體積膨脹率為22.4%，與前期試驗(yàn)結(jié)果（22.7%）基本吻合。5.2單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試待充填體養(yǎng)護(hù)28d后，按圖10所示取樣位置，對(duì)模型內(nèi)的充填體進(jìn)行切割取芯，利用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖11。由圖11可知，充填料漿濃度為73%，灰砂比1∶4，養(yǎng)護(hù)齡期28d，在不添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓強(qiáng)度為3.68MPa，在添加膨脹劑充填試樣單軸抗壓