充填采矿法能够最大限度地回收矿产资源，保护地表、地下环境，因而在矿山得到了广泛的应用，特别是近几年来，充填材料、充填工艺、管道输送装备和输送技术在不断进步。充填采矿法中，充填成本是成本中占比较大的部分，充填成本又分为直接成本(材料成本)和其他成本(人工、设备损耗、能耗等),充填材料成本中，胶结剂(如水泥)等占材料成本的70%左右，因此在保证充填体单轴抗压强度和料浆流动性的前提下降低胶结剂成本是一条可行的降本增效路线。大量学者通过研究发现，往充填料浆中添加外加剂可以改善料浆的流动性、缩短凝结时间[1,2,3,4,5,6,7]。郑娟荣等[8]研究得出由引气剂和超塑化剂复合而成的泵送剂对胶结膏体料浆的分层度、坍落度、泌水性有明显改善。姜关照等[9]研究了柠檬酸减水剂对高硫尾砂充填体性能的影响，结果表示外加剂有利于提高充填体后期强度。王新民等[10]对高效减水剂的作用原理进行了深入的研究，发现减水剂中的R—SO3基团能够与水分子中的—H键发生缔合反应，附着在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂水膜，阻碍水泥颗粒间的相互接触，起到润滑的作用。卫亚儒等[11]进行了外加剂对水泥、矿物组分、可溶碱等的作用机理和适应性研究，分析了外加剂在尾矿膏体充填中的作用，并对发展方向进行了评析。宋中强等[12]采用极差分析与反差分析揭示各因素与充填体强度之间的关系。

添加外加剂是目前用于优化充填配合比的一种重要手段，本文以充填体强度为考察目标，以不同外加剂掺量条件下能够达到的充填料浆质量浓度为基准，开展在该质量浓度条件下不同水泥掺量与充填体单轴抗压强度之间的配合比试验，探究在此充填料浆质量浓度值下，达到目标充填体单轴抗压强度时所需的水泥掺量，换言之，在达到预期充填体目标强度的前提下，可以降低胶凝材料掺量，从而给矿山提供了一条降低胶结材料用量的技术路径。

1、试验设计

1.1 试验材料

试验所用充填骨料为龙首矿西一充填料仓的棒磨砂、河砂、破碎废石，胶凝材料为水泥(P·O 32.5)。棒磨砂来自戈壁集料；河砂来源于干枯河床；废石为矿山开拓以及采场产出的废石。外加剂采用MF505,该种外加剂能够有效提高充填料浆的流动性，因而在相同流动性的前提下，可以提高料浆的质量浓度。图1为充填骨料的级配分布。

图1 充填骨料粒级组成   

砂石的粗细对于充填料浆的流动性及水泥用量有重要影响，其粗细程度用细度模数来表示，细度模数越大，表示砂石越粗。根据砂石细度模数定义，经计算，矿山充填骨料废石细度模数为3.5,为粗砂；河砂细度模数为2.95,为中砂；棒磨砂细度模数为3.48,为粗砂。

1.2 方案设计与试验过程

根据金川龙首矿的生产要求，充填体人工假顶强度标准为3 d单轴抗压强度达到1.5 MPa以上，7 d单轴抗压强度达到2.5 MPa以上，28 d单轴抗压强度达到5 MPa以上。

本次探索性试验，以金川龙首矿现用配合比及质量浓度下的充填料浆坍落度及扩散度作为衡量充填料浆流动性的标准。通过往现有充填骨料(灰砂比为1∶4)中添加不同掺量的外加剂和拌合水，找出在目前矿山充填料浆流动性(即相同扩散度)条件下能够达到的充填料浆质量浓度值。

试验以金川龙首矿现用充填料浆的扩散度作为基本比对组，其余各组配合比试验均以该组为参照，通过调整充填料浆质量浓度，来探究不同外加剂掺量条件下，适用于矿山流动性为前提的各种充填配合比。充填配合比试验设计见表1,充填骨料中棒磨砂、河砂、废石三者的比例为60∶17∶23。

表1中AB组为基础对照组，是目前金川龙首矿现用的充填配比参数，通过试验，找出现行配合比下的充填料浆扩散度值d,A1至A4试组，分别添加不同掺量的外加剂，在达到扩散度值d时，各试验组对应的充填料浆质量浓度为W1～W4。利用A1-1至A1-4、A2-1至A2-4、A3-1至A3-4、A4-1至A4-4,共16组试验来探究在充填料浆扩散度值为d,质量浓度为W1,外加剂为900 mL/t时，水泥添加量与充填体各龄期单轴抗压强度之间的关系，以此来寻找同时满足充填料浆流动性和充填体单轴抗压强度要求的合理水泥掺量，并以此考察添加外加剂的技术经济可行性。

表1 充填外加剂试验方案

根据试验方案，在实验室制作70 mm×70 mm×70 mm的试块，并放入恒温箱中养护，恒温箱养护温度为20 ℃,湿度为95%,检测试块的7 d、28 d单轴抗压强度，每个龄期试块制作3个，取其平均值作为该龄期的强度值。

2、试验结果与分析

2.1 试验结果

金川龙首矿充填配合比试验测定的单轴抗压强度结果见表2。

表2 龙首矿充填配合比试验单轴抗压强度测定结果

2.2 外加剂掺量与充填料浆质量浓度的关系

充填料浆的扩散度是其流动性的测量指标[13],表征充填料浆的流动性能。扩散度与坍落度可同时进行测量，扩散度测量的是充填料浆的流动范围，即充填料浆从坍落度桶流出后，其流动面积的直径。测得AB、A1、A2、A3、A4组扩散度平均值分别为91 cm、91 cm、90 cm、89.5 cm、89.5 cm。AB组为基础对照组，未添加外加剂。为更加明确对比外加剂对料浆流动性的影响，在质量浓度为83.6%,灰砂比为1∶4的条件下，开展了添加外加剂与未添加外加剂的比对试验。

由于采空区的特殊性，要求充填料浆有非常好的流动性，以满足管道自流或者泵送要求，同时还要求能在采场自流平，以便于更好地接顶，从而有力地支撑顶板，保证采场安全。金川龙首矿目前使用的质量浓度为78.0%、灰砂比为1∶4的充填料浆能够满足管道自流输送和采场自流的要求，通过测试，该料浆的扩散度为91.0 cm×91.0 cm, 坍落度为29.0 cm。充填配合比试验以此流动性参数值为标准，找出在相同流动性下，不同外加剂掺量与充填料浆质量浓度之间的关系，如图2所示。

图2 外加剂掺量与充填料浆质量浓度的关系   

由图2可知，在充填料浆扩散度与基础比对组相同时，料浆质量浓度随着外加剂添加量的增大而增大，二次多项式拟合结果为：

2.3 外加剂掺量与充填体单轴抗压强度的关系

交叉分组两因素单独观测值的试验中，每次观测值同时受到这两个因素及随机误差的作用。因此全部观测值的总变异可以剖分为水泥掺量水平间变异、料浆质量浓度水平间变异及试验误差三部分；自由度也相应剖分。平方和与自由度的剖分式如下：

SST=SSA+SSB+SSe

dfT=dfA+dfB+dfe

式中，SST为总平方和；SSA、SSB为组间平方和；SSe为误差平方和；dfT为总自由度；dfA、dfB为组间自由度；dfe为误差自由度。

各项平方和与自由度的计算公式见表3,矫正数C=x2/(ab)。

表3 方差分析

本次试验考察水泥掺量和充填料浆质量浓度两个因素，水泥掺量分别为14.0%,15.5%,17.0%,18.5%,20.0%;充填料浆质量浓度分别为82.4%,82.9%,83.2%,83.6%。利用SPSS软件对试验结果进行方差分析，分析结果见表3,表3中F值为各因素水平与误差平均平方和的比值。因此，当F值统计量小于1,说明各因素对指标的影响与试验误差越接近，因素水平之间没有显著差异，强度影响不显著，指标波动可能由试验误差造成。当某因素的F值大于1时，说明该因素对强度有影响，但是否影响显著还需要在给定的显著水平下，通过查询F分布临界值表来判定，当F值大于临界值时，说明因素对强度影响显著[14,15,16]。分析结果见表4、表5。

表4 7 d单轴抗压强度方差分析主体间效应检验

表5 28 d单轴抗压强度方差分析主体间效应检验

查询F分布表，发现自由度a=0.05显著水平，F临界值为3.84,表中7 d, 28 d的外加剂掺量F统计量均大于临界值，所以外加剂的掺量对充填体强度的影响显著。为了更明确充填料浆质量浓度与充填体单轴抗压强度之间的关系，将其绘制成图，如图3所示。

从图3可以看出，在相同水泥掺量的条件下，充填体7 d单轴抗压强度随着料浆质量浓度的提高而逐渐增大，且当水泥掺量不小于15.5%时，所有质量浓度下的充填体7 d单轴抗压强度均大于基础对照组(即矿山现用配合比)。也就是说，在保证料浆流动性不变的前提下，把料浆质量浓度提高至82.4%以上时，水泥掺量不小于15.5%的情况下，充填体7 d单轴抗压强度都不小于现用配合比下的充填体7 d单轴抗压强度，同时充填体28 d单轴抗压强度也大于现用配合比下的充填体28 d单轴抗压强度。

图3 充填料浆质量浓度与水泥掺量对充填体强度的影响   

为描述料浆质量浓度与充填体单轴抗压强度的定量关系，选用二次幂多项式进行拟合，拟合结果见表6。

表6 料浆质量浓度与充填体单轴抗压强度拟合结果

3、经济成本分析

3.1 经济合理性分析

金川龙首矿充填料浆质量浓度为78%时(试验组编号为AB),7 d单轴抗压强度为3.94 MPa, 故添加了外加剂的试验组的7 d抗压强度不小于3.94 MPa时即可满足单轴抗压强度要求。因此根据水泥掺量与单轴抗压强度的关系表(见表7)来确定7 d单轴抗压强度不小于3.94 MPa的各个质量浓度下的最小水泥掺量，就是该质量浓度下最合理的充填料浆配合比，见表8。根据表8求得各个质量浓度下的最佳水泥掺量及该配合比下的充填料浆直接成本(材料成本),见表7,其中质量浓度为78%试验组是基本对比组。

表7 不同质量浓度下最优配合比及其直接成本

由表7可知，在满足充填料浆流动性前提下，达到现用质量浓度78.0%的单轴抗压强度时，通过提高料浆质量浓度，可以将水泥掺量降低至15.16%～16.05%,其成本为111.60～126.89元/m3。从数据上看，水泥掺量降低了近5个百分点，但是其成本却降低不明显，甚至有所升高，仅有质量浓度为82.4%、水泥掺量为15.5%的料浆配合比其成本低于现用78.0%的料浆。根本原因在于，充填料浆的质量浓度提高后，单位体积料浆的骨料量更多，这从各个质量浓度的料浆密度上也能体现出来。从表7可以看出，与现有料浆比，质量浓度越高，料浆的密度就越大，质量浓度为83.6%的料浆其密度比78.0%的料浆高235 kg/m3,因此，降低水泥掺量反而没有降低充填成本。但是从研究以及试验现象来看，质量浓度越高，料浆的泌水以及沉缩越小，降低了井下的排水排泥费用。由于充填体沉缩的减少，提高了充填体的接顶率，提高了安全性。

3.2 合理配合比推荐

根据试验结果，在保证经济性的前提下，推荐使用质量浓度为82.4%、水泥掺量为15.5%、MF505外加剂掺量为300 mL/t的料浆配合比，此配合比下的各物料配比量见表8。

表8 最优料浆配比

4、结论

(1) 充填外加剂能在保证流动性不变的前提下，有效提高充填料浆的质量浓度。试验显示，在扩散度为(91±2) cm的前提下，灰砂比为1∶4时，充填料浆的质量浓度能从78.0%提高至83.6%。

(2) 在料浆流动性不变的前提下，充填料浆的质量浓度随着外加剂掺量的增大而提高，其关系基本呈线性关系，关系式为y=0.002x+81.855。

(3) 充填体的单轴抗压强度随着料浆质量浓度的提高而增大。在流动性一致的前提下，同样配合比时，质量浓度为83.6%的充填体的7 d强度为7.04 MPa, 质量浓度78.0%的充填体的7 d强度为3.94 MPa, 由于质量浓度的提高，充填体单轴抗压强度最大提升了78.7%。

(4) 充填体的单轴抗压强度随着水泥掺量的增大而增大。在水泥掺量不小于15.5%时，质量浓度82.4%及以上的料浆配合比下的充填体单轴抗压强度均可以超过现用78.0%的充填体单轴抗压强度。

(5) 随着充填料浆质量浓度的提高，料浆泌水率以及充填体的沉缩率都减小。

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基金资助:国家重点研发计划项目(2018YFC1900603,2018YFC0604604);

文章来源:应金荣,龙卫国,王瑛等.化学外加剂对龙首矿充填料浆配合比优化的影响研究[J].矿业研究与开发,2023,43(11):33-38.