尾砂膠結充填體強度增長規(guī)律及強度與固化時間的關系

隨著淺部礦產(chǎn)資源的不斷開采，大多數(shù)礦山面臨著地壓、巖爆、大變形等技術問題。1試驗過程和方法1.1充填料漿性能測試方法采用某鐵礦全尾砂作為充填骨料，水泥作為膠凝材料開展不同配比下的膠結充填體單軸壓縮的力學試驗及坍落度試驗。具體的試驗參數(shù)為：灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質(zhì)量濃度設計為66%、68%、70%、72%、74%，每級灰砂比下對應5個級別的料漿質(zhì)量濃度。首先參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080—2002）進行充填料漿的坍落度測試，隨后進行試塊的澆筑，終凝24h后拆模。將終凝拆模后的充填體試樣進行養(yǎng)護（養(yǎng)護溫度、濕度分別為20℃、93%）。養(yǎng)護齡期達到3、7、28、60d后，在壓力機上進行抗壓強度試驗。1.2坍落度與比坍落度桶的尺寸為：高度30cm，上口直徑10cm，下口直徑30cm。采用坍落度桶作為試驗工具進行不同配比下充填料漿的坍落度測試，以揭示料漿流動性能隨質(zhì)量濃度、灰砂比參數(shù)的變化規(guī)律。此外，在測試完料漿流動性能后，采用WEW-600D型微機屏顯示液壓萬能試驗機對灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質(zhì)量濃度為66%、68%、70%、72%、74%下的充填體開展3、7、28、60d后的單軸抗壓強度測試，每組試驗測試3個試樣，取平均值作為試驗數(shù)據(jù)。2試驗結果與分析2.1質(zhì)量濃度對充填料漿坍落度的影響不同配比條件下的充填料漿坍落度測試結果如圖1所示。由圖1可知，當灰砂比固定不變時，尾砂充填料漿的坍落度指標隨著質(zhì)量濃度的增加基本遵循指數(shù)函數(shù)遞增規(guī)律，且水泥含量越高，坍落度曲線越陡，說明下降幅度越大。充填料漿坍落度隨質(zhì)量濃度增大而降低的原因在于質(zhì)量濃度的增加會導致自由水含量的降低，增大了料漿的黏度，從而導致充填料漿的流動性能隨質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢。當質(zhì)量濃度固定不變時，灰砂比對充填料漿流動性能的指標影響程度與質(zhì)量濃度有密切的聯(lián)系，具體可概括為：當料漿質(zhì)量濃度為66%～68%時，灰砂比參數(shù)的變化并沒有對料漿坍落度指標造成顯著的影響，而當質(zhì)量濃度超過70%后，料漿坍落度指標隨著灰砂比的增大呈不斷降低的趨勢，其原因在于高質(zhì)量濃度的充填料漿自由水含量較少，而灰砂比的增大意味著水泥含量的增多，而水泥水化反應會消耗部分拌合水，因此導致充填料漿坍落度呈不斷降低的趨勢。為得到充填料漿坍落度隨質(zhì)量濃度變化的數(shù)學模型，采用Origin數(shù)值處理軟件對充填料漿坍落度數(shù)據(jù)進行非線性擬合處理。由圖1可知，該礦全尾砂充填料漿坍落度與質(zhì)量濃度關系為：式中，A、B、t為與灰砂比、質(zhì)量濃度相關的常數(shù)；x為料漿的質(zhì)量濃度，%。2.2尾砂膠結充填體抗壓強度隨時間的變化規(guī)律充填體的抗壓強度指標對井下充填開采至關重要，若充填體強度過高，會導致充填開采成本增大；若過低，則充填體不能達到支撐采場圍巖的作用，因此有必要對充填體的抗壓強度指標進行詳細的研究。充填體的抗壓強度與養(yǎng)護齡期間的關系擬合曲線如圖2所示，擬合關系模型如表1所示。由圖2可知，尾砂膠結充填體的抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增長基本遵循指數(shù)遞增規(guī)律，但在不同的灰砂比或質(zhì)量濃度下充填體的抗壓強度增長曲線仍表現(xiàn)出了一定的差異性。當灰砂比固定不變時，質(zhì)量濃度越高的充填體，其強度演化曲線越陡，說明質(zhì)量濃度越高，充填體的抗壓強度增長越快；當濃度固定不變時，增大灰砂比也能有效提高充填體的抗壓強度，但過多地提高灰砂比會增大充填成本，因此適當?shù)靥岣哔|(zhì)量濃度可作為提高充填體抗壓強度的有效途徑。由試驗結果可知，充填體固化強度隨著養(yǎng)護齡期的增加呈增大的趨勢，兩者間的關系符合指數(shù)函數(shù)模型。由表1可知，充填體抗壓強度與養(yǎng)護齡期間的關系式為式中，σ3充填采礦法某礦山采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法（圖3）進行深部礦體的開采。礦山將礦體劃分為礦房、礦柱依次回采。當一步驟礦房回采后進行采空區(qū)充填，當充填體達到目標強度后進行二步驟礦柱的回采，并在回采完成后進行充填處理。在礦柱回采過程中，充填體具有吸能及降低能量釋放速度的作用，能夠有效地支撐采場，保證采場的穩(wěn)定性，因此可從能量角度分析充填體與礦體的合理匹配3.1單位體積膠結充填體比能結合SIDOROFF提出的有效應力能量等價原理由式（3）可得單位體積膠結充填體的比能為：式中，σ由式（2）得到的充填體固化強度與養(yǎng)護齡期間的關系式，代入式（4）可得：由式（5）可知，質(zhì)量濃度與灰砂比固定時，充填體的變形比能與養(yǎng)護齡期呈正相關。3.2應力的地質(zhì)特征礦巖在未開挖時常處于三維應力狀態(tài)，而礦巖的剛度與彈性模量均遠高于充填體，礦巖采用線彈性模型假設礦巖的原巖水平應力為σ對于深部礦體，根據(jù)地應力變化規(guī)律σ3.3砂膠結充填體固結機理根據(jù)能量守恒原理，即全尾砂膠結充填體受壓峰值變形能與礦巖開挖后釋放的能量應近似相等，基于此原理考慮全尾砂膠結充填體與礦體的匹配。假設全尾砂膠結充填體變形比能U結合SWAN的尾砂膠結充填體力學試驗將式（12）代入到式（10）、（11）可得：由式（13）、（14）可知，能量匹配系數(shù)K與礦巖的彈性模量及充填體固化強度呈正比，與礦巖的容重及埋深呈反比。當K≥1時，充填體不會發(fā)生能量失穩(wěn)；當K<1時，充填體會發(fā)生能量失穩(wěn)，與礦體不匹配?；诖耍山Y合礦山的礦體力學參數(shù)，建立全尾砂膠結充填體強度設計模型，并進一步定量出充填體在一步驟采場中的合理固化時間。4充填體固化時間某鐵礦山-400～-350m中段礦體回采作為工程應用背景，該中段目前已完成開拓階段及采準階段，正籌劃下一步礦體的回采?；夭傻V體的容重為35kN/m由式（15）可知，充填體的設計強度與礦體的彈性模量E由表2可知，不同的配比參數(shù)下，充填體固化時間具有較大的差異。當灰砂比為1∶6、質(zhì)量濃度為66%～70%時，充填體固化時間均大于40d，這一結果明顯超過礦山的實際生產(chǎn)需求。因此，當充填體的灰砂比為1∶6時，建議料漿質(zhì)量濃度大于70%。而灰砂比為1∶4、料漿質(zhì)量濃度為66%～74%時，充填體固化時間最長為26.1d后便可進行二步驟礦體的回采，顯著優(yōu)于灰砂比為1∶6的充填體。雖然灰砂比越大，充填體在采場內(nèi)能夠在較短的時間內(nèi)達到目標強度，但灰砂比越大，意味著充填成本也越高。因此，選擇合理的料漿質(zhì)量濃度及灰砂比至關重要。綜合考慮到充填體強度、合理固化時間，料漿的流動性能也不容忽視。根據(jù)國內(nèi)諸多礦山的實踐經(jīng)驗，結合礦山膠結充填理論，認為當膠結充填料漿坍落度在25～28cm時，具有較好的流動性，可獲得較好的輸送效果實際生產(chǎn)工藝中，設計一步驟礦體回采后進行全尾砂膠結充填，灰砂比為1∶4，料漿質(zhì)量濃度為66%，且一步驟采空區(qū)充填體固化28d后進行二步驟礦體回采。礦山實際固化時間較理論固化時間滯后2d，此時充填體固化強度及固化時間均符合理論設計要求。充填體在二步驟礦體回采中，并沒有出現(xiàn)較大范圍的片幫現(xiàn)象，體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。5建立回采體與充填體間的能量匹配模型1）通過力學試驗和坍落度測試，得出全尾砂膠結充填體與養(yǎng)護齡期呈正相關，且遵循指數(shù)函數(shù)增長規(guī)律；充填料漿坍落度隨質(zhì)量濃度增加呈指數(shù)函數(shù)遞減規(guī)律；通過建立的數(shù)學模型能夠定量表征不同灰砂比、質(zhì)量濃度下充填體抗壓強度及料漿坍落度的變化規(guī)律。2）引入能量匹配系數(shù)K定量表征充填體與開挖礦體間的能量關系，K值越大，充填體吸收的應變能越多，越有利于二步驟礦體的回采。當K≥1時，充填