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金川二矿区充填配合比优化研究

2023-11-23 92 上传者：管理员

摘要：为进一步提高金川二矿区进路充填体强度，解决充填体强度分布不均的问题，通过开展混合料堆积密实度试验和充填配合比优化试验，分析了水泥掺量、料浆质量浓度和骨料配比三个因素对充填体强度的影响规律，基于充填体7 d强度要求和充填料浆流动性要求，通过室内试验，确定了最佳充填配合比。现场工业试验表明，采用最佳充填配合比充填进路时，充填成本降低了1.7元/m3;充填体强度整体上得到了提高，最大提高1.1 MPa,最小提高0.39 MPa;充填体的强度方差由原来的1.091减小到0.835,一定程度上改善了进路充填体强度分布不均的情况。研究结果可为同类矿山优化配合比、提高进路充填体强度、解决强度分布不均的问题提供参考。

关键词：
充填体强度
充填成本
充填配合比
堆积密实度
进路充填
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金川二矿区现行的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。但事实上，充填搅拌站制作的充填试块单轴抗压强度与井下实际的充填体单轴抗压强度之间存在差异，充填料浆制备时和其在进路流动中产生的离析分层，引流水、刷管水对充填料浆的稀释作用，以及充填体的井下现场养护条件等，都会对充填体单轴抗压强度产生一定的影响。基于以上各种因素，金川二矿区充填进路表现出来的问题主要是充填体强度分布不均，直接影响到了充填体整体稳定性；同时在深部高应力环境下充填体强度有待进一步提高。为此，提高充填体强度、解决进路充填体强度分布不均的问题变得尤为重要。

充填体强度主要受水泥掺量、混合骨料配比和料浆质量浓度等多因素影响。提高充填体强度的途径主要有优化充填配合比以及优化各项充填工艺两种方式，而第一方式是近年来研究比较多的课题。杨金维，韩斌等[1,2]基于充填配合比试验发现，混合料中河砂越多，充填体的强度越小；若此时加大水泥掺量，则充填体强度变大；充填体强度分别与水泥掺量和料浆质量浓度呈正相关。鲍敏等[3]发现添加胶凝材料后充填体强度明显提高。田波等[4]研究了分级尾砂质量浓度与充填体强度的关系。张柏春等[5]的研究表明，添加添加剂后，充填体强度明显提高；养护时间越长，充填体强度增长越快；满足充填体强度和输送性能要求的料浆质量浓度为82%～84%。荆倩婧等[6]的研究表明，充填体强度与料浆质量浓度和灰砂比呈正相关。韩斌，余溯，张征等[7,8,9]研究发现满足自流充填要求时，充填倍线为3.7～6.9,料浆质量浓度为75%,人工砂与尾砂质量比为2.9,水泥掺量为12%～20%。同树锋等[10]研究得出充填体强度满足要求时，水泥掺量为260 kg/m3,前提条件是料浆质量浓度为78%,骨料配比为5∶5。张明[11]通过研究得到充填体强度与充填料浆质量浓度呈正相关、与养护龄期呈正相关、与灰砂比呈正相关的结论。王俊新等[12]的研究表明，料浆质量浓度对充填体强度的影响最大，其次是灰砂比，然后是灰砂比与粉煤灰占比，最小的是料浆质量浓度与粉煤灰占比。大多学者主要通过室内充填配合比优化试验来研究混合料中各项掺量对充填体强度的影响规律，以得到最佳充填配合比。近年来的研究多是局限于室内试验，得到的结果缺少实践应用，而室内试验结果往往与实际应用结果存在着较大差异。

为提高金川二矿区进路充填体强度，解决充填体强度分布不均的问题，本文结合现用充填材料开展堆积密实度测定试验和充填配合比优化试验，研究水泥掺量、骨料配比和料浆质量浓度分别对充填体强度的影响规律，同时基于强度和充填料浆的塌落度要求，确定最佳充填配合比，并基于现场工业试验，对比分析最佳充填配合比的充填效果，为矿山提高充填体强度提供参考。

1、充填配合比优化

1.1 骨料堆积密实度测定

骨料的堆积密实度能全面反映骨料填隙效应，是孔隙率、颗粒粒径、形状、级配关系的综合反映，是描述骨料散体体系的重要特征参数[13]。通过对金川二矿区现用充填材料进行堆积密实度测定试验，为优化充填配合比提供研究的骨料配比范围。

1.1.1 试验方案

按骨料配比(废石∶棒磨砂)分别为0∶1、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、1∶0(即废石占混合料比为0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1)取适量骨料，每组配比取三组，测定其体积和质量，然后通过式(1)和式(2)式计算出混合料的堆积密实度，取平均值。

D=ρ0ρ (1)

ρ0=mv0 (2)

式中，D为混合料堆积密实度；ρ0为表面密度，g/cm3;ρ为密度，g/cm3;m为材料干燥状态下的质量，g; v0为材料在自然状态下的体积，cm3[14]。

1.1.2 试验结果与分析

通过试验得到不同骨料配比下混合料的堆积密实度，见表1。

表1 试验结果

从表1中可以看出，随混合料中废石占比增大，混合料的堆积密实度先增大后减小。当混合料中废石占比为0.4, 0.5, 0.6和0.7时，即骨料配比为4∶6、5∶5、6∶4和7∶3,混合料堆积密实度都比较大，则以上骨料配比下充填体骨料之间镶嵌最充分，空隙最小，该状态下混合骨料的强度效应能充分发挥[15]。

根据上述分析，选择堆积密实度最大的4个骨料配比(即4∶6、5∶5、6∶4和7∶3)开展骨料堆积密实度对充填体强度的影响规律研究，为优化充填配合比提供依据[16]。

1.2 充填配合比试验

1.2.1 充填配合比试验方案

为提高充填体强度，改善强度分布不均的现状，需进一步优化充填配合比。本次通过分别改变水泥掺量(280, 300, 315, 330 kg/m3)、料浆质量浓度(80%、81%、82%、83%)、和骨料配比(4∶6、5∶5、6∶4、7∶3)来研究单因素对充填体强度的影响。

按照配合比制备的充填料浆在满足强度要求的同时，还要具备一定流动性才能满足管道泵送要求，而塌落度是判别充填料浆可泵性能的综合性指标，塌落度高低直接反映了充填料浆的流动性能和摩擦阻力大小。塌落度太小，摩擦阻力大，需要的泵送压力大，且容易出现堵管现象；塌落度太大，料浆过稀，容易发生离析沉积。因此，为使充填料浆的流动性满足长距离管道输送，选择满足要求的充填配合比，对其进行塌落度测试[17]。根据上述不同配合比，测出塌落度和7 d单轴抗压强度。

1.2.2 充填配合比试验结果与分析

通过试验并对数据处理，得到充填体强度与水泥掺量、料浆质量浓度及骨料配比之间的关系，如图1至图3所示。

图1 水泥掺量与充填体强度之间的关系

图2 料浆质量浓度与充填体强度之间的关系

图3 骨料配比与充填体强度之间的关系

矿山要求的室内充填配合比试验的充填体7 d强度为5 MPa。从图1可看出，水泥掺量在280～330 kg/m3范围时，当水泥掺量越高，充填体单轴抗压强度越大。4种骨料配比下，满足强度要求的水泥掺量为300 kg/m3、315 kg/m3和330 kg/m3,考虑到满足强度要求时成本要小，水泥掺量以300 kg/m3或315 kg/m3为宜。由图2可知，料浆质量浓度在80%～83%范围时，充填体单轴抗压强度随料浆质量浓度增大而增大，4种骨料配比下，满足强度要求的料浆质量浓度为82%和83%。由图3可知，不论何种料浆质量浓度，随骨料配比增大，充填体强度先增大后减小，其中骨料配比为6∶4和7∶3时，充填体7 d强度比较高，都能达到5 MPa以上，满足强度要求。由此确定骨料配比为6∶4或7∶3。试验测得的料浆塌落度结果见表2。

表2 塌落度测试结果

从表2可知，不论何种水泥掺量和骨料配比下，塌落度随料浆质量浓度增大而减小，塌落度越小，流动阻力越大，越不容易泵送；从骨料配比上来看，混合料中废石越多，塌落度越小，骨料配比6∶4的料浆塌落度均大于骨料配比7∶3的；从水泥掺量上来看，随水泥掺量增加，塌落度先增大后减小。金川二矿区室内试验要求的料浆塌落度为26 cm, 满足条件的最佳水泥掺量为300 kg/m3,骨料配比为6∶4。综上所述，可确定最佳充填配合。

2、现场工业试验

2.1 现场工业试验方案

根据确定的最佳充填配合比制备充填料浆，并将料浆充填于二矿区1018分段4盘区2分层11#进路，待充填体凝固后测量最佳充填配合比下的充填体强度。为了对比分析最佳充填配合比的充填效果，选取以原充填配合比充填的1018分段3盘区3分层40#进路并以相同工序测出其充填体强度。

两条试验进路均在相同条件(充填结束后7 d、相同进路高度、进路同一侧同一方向相同距离下料口)下用撬棍将充填体大块撬下。然后将井下撬取的充填体加工制作成70 mm×70 mm×70 mm的标准试块，剔除不规范的试块，每个取样点加工三组标准试块。现场取样后立即用塑料袋密封包装样品，除加工期间外，全程保持密封状态，目的是为了保证充填体试样的水分与现场相同，以保证充填体强度与井下现场尽可能一致。两条进路的试块在相同养护时间后，选用DYE-300型数字式压力试验机对试块进行单轴抗压强度测试。

2.2 现场工业试验结果与分析

测试得到的不同配合比下两条进路充填体试块的强度见表3。

表3 充填体试块强度测试结果

为了直观描述充填效果，根据表3数据，得到不同采样点距下料口距离与试块强度之间的关系曲线，如图4所示。

图4 采样点离下料口距离与试块强度之间的关系

由图4可知，不论采用最佳充填配合比还是原来充填配合比进行充填，同一方向上，随距下料口的距离增加，充填体的强度先增大后减小。采用最佳充填配合比进行充填，充填体的强度都有不同程度的提高，最大提高了1.1 MPa, 最小提高了0.39 MPa。从方差上来看，最佳充填配合比的充填体强度方差为0.853,原充填配合比的为1.091,方差减小了0.238,说明采用最佳充填配合比充填进路时，充填体的强度比原来的更均匀，即采用最佳充填配合比充填一定程度上改善了进路充填体强度分布不均的情况。

2.3 成本分析

金川二矿区目前所用的水泥价格为317元/t、破碎废石为20元/t、棒磨砂为31.6元/t。原配合比的水泥掺量为280 kg/m3、料浆质量浓度为83%、骨料配比为5∶5。计算得出原充填配合比和最佳充填配合比的充填成本见表4。

表4 不同配合比成本计算结果

由表4可知，采用最佳充填配合比在充填成本上比原充填配合比减少了1.7元/m3。

3、结论

通过开展金川二矿区现用充填材料堆积密实度试验和充填配合比优化试验，确定了最佳充填配合比。现场工业试验表明，采用最佳充填配合比充填进路，充填成本降低了1.7元/m3;充填体强度整体上得到了提高，最大提高1.1 MPa, 最小提高0.39 MPa; 充填体的强度方差由原来的1.091减小到0.835,一定程度上改善了进路充填体强度分布不均的情况。

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