分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特性_寇云鹏.pdf

分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特性寇云鹏1,2,3)，郭沫川1,2)，谭玉叶1,2)，齐兆军3)，宋泽普3)，宋卫东1,2)1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000833)山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司，烟台261400通信作者，E-mail:摘要对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究，对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试，并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析，最后在单轴压缩力学试验结果的基础上，分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响.研究表明，灰砂比越大，水化放热速率及放热量越大，生成水化产物越多，体积电阻率越大.同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢，生成的 Ca(OH)2减小了料浆体积电阻率，加快充填体自身强度的增长；随后生成的钙矾石（Aft）导致颗粒间孔隙更加致密，抑制了离子的溶解，减缓放出热量速率，从而阻碍了充填体强度的增长；当水化反应进行 14d 基本结束后，充填材料凝结固化成为一个整体，强度基本稳定.充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势，为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导.关键词分级细尾砂；充填体；早期；水化放热；电阻率；强度演化分类号TD853EarlyhydrationheatreleaseandstrengthevolutionofcementedbackfillwithgradedfinetailingsKOU Yun-peng1,2,3)，GUO Mo-chuan1,2)，TAN Yu-ye1,2)，QI Zhao-jun3)，SONG Ze-pu3)，SONG Wei-dong1,2)1)SchoolofCivilandResourcesEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China3)BackfillEngineeringLaboratoryBranch,ShandongGoldTechnologyCo.,Ltd,Yantai261400,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTIn this work,the early hydration reaction and mechanical evolution characteristics of graded fine tailing cementedbackfillarestudied.Thehydrationexothermicityandelectricalresistancecharacteristicsofbackfillslurrywithdifferentlimesandratiosaretested,andthemicroscopicmorphologycharacteristicsofearlyhydrationproductsareanalyzedaccordingtoscanningelectronmicroscopy(SEM).Finally,onthebasisofuniaxialcompressionmechanicaltestresults,theearlyhydrationreactionprocessandtheeffectoftheproductsonthestrengthevolutionofthebackfillareanalyzed.TheresultsshowedthattheexothermicprocessofslurryhydrationunderwentrapidreactionstageI,inductionstageII,accelerationstageIII,decelerationstageIV,andstabilizationstageV.ThevolumeresistivityunderwentincreasingstageI,decreasingstageII,andacceleratedincreasingstagesIII.Theslurrylimesandratioaffectsthehydrationheatreleaseandvolumeresistivity.Thelargerratiois,thegreaterthehydrationheatreleaserateandheatrelease,themorehydrationproductsaregenerated,andthegreaterthevolumeresistivity.Anincreaseinthelimesandratioprolongsthe收稿日期:20220724基金项目:国家自然科学基金资助面上项目（52274110）；国家自然科学基金资助青年项目（52004019）；国家重点研发计划资助项目（2022YFC2905003）；北京科技大学青年教师国际交流成长计划资助项目（QNXM20220004）工程科学学报，第45卷，第8期：12931303，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:12931303,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.24.002;http:/inductiontimeofthehydrationreactionandincreasestherateofthehydrationreactionduringtheinductionperiod.Atthesametime,itretardsthegrowthofvolumeresistivity.Thelargerthelimesandratiois,thestrongertheretardingeffectandthelargertheretardingeffectonthegrowthofslurryvolumeresistivity.Therateofthehydrationreactiondirectlydeterminestheformationspeedofthebackfillstrength.Whenthemaincomponentsofthefillingmaterial,C3SandC3A,aredissolvedrapidlyinwater,muchheatisreleased.ThegeneratedCa(OH)2reducesthevolumeresistivityoftheslurryandacceleratesthegrowthofthebackfillstrength;theAFtgeneratedsubsequentlycompactstheporesbetweenparticles,blocksthedissolutionofions,decreasestherateofheatrelease,andpreventsthegrowthofbackfillstrength.Thebackfillstrengthincreasesrapidlyfrom03dandslowlyfrom37d.Whenthehydrationreactionisbasicallycompletedafter14d,thefillingmaterialissolidifiedoverall,anditsstrengthisbasicallystable.Thechangeinbackfillstrengthfirst increases and then gradually decreases until stabilizing.These research conclusions provide theoretical support and scientificguidanceforminingtoadoptgradedfinetailingstofilltheundergroundgoafandcontrolthetemperatureofthedeepstope.KEYWORDSgradedfinetailings；fillings；earlystage；hydrationexothermic；resistivity；strengthevolution充填采矿法因具有矿石损失贫化低、环境友好等特点，已成为地下金属矿山绿色开发的首选1.分级细尾砂因自身颗粒较小，作为充填材料时对胶凝材料消耗大，且强度提升困难、充填成本高.因此，传统充填工艺中，一般将分级粗尾砂充填至采空区、分级细尾砂堆存至地表或尾矿库.但同时造成了土地占用及生态环境的破坏，且增加了尾矿库溃坝风险2.近年来，随着矿山绿色开发要求，研究者提出将粗颗粒尾砂用于建筑材料，分级细尾砂用作井下空区充填材料的新思路，以期实现尾砂零排放3.进入深部开采范畴后，高温环境成为深部开采的主要灾害之一，而胶结充填体水化过程中所产生的热量会对本就复杂的采场热环境带来较大影响.为探索胶结充填体的水化放热规律及其对深部热环境的影响，并揭示充填体强度形成机理，国内外学者从宏观、微观角度，通过室内实验48发现充填体随养护龄期、灰砂比等条件的改变引起充填体自身强度的变化规律；运用数值模拟分析及构建相关预测模型等911发现充填体破坏预测模型及充填体内部裂缝破坏延展趋势；针对全尾砂或分级粗尾砂胶结充填体特性进行水化产热机理1217、水化产热的影响因素1821、温度场表征2125等方面的研究，发现温度对充填体早期强度影响较大，后期相对较小，且低温阻碍水化反应的进行，从而得到充填料浆温度场的分布规律及温升规律，同时表明尾砂粗细对复合凝胶材料强度影响较大，胶凝材料加速了水化诱导阶段的水化放热速率.从微观角度运用压汞法（MIP）26、扫描电子显微镜(SEM)2728及核磁共振(NMR)29等手段，研究全尾砂或分级粗尾砂充填料浆的早期水化反应阶段内部微观结构及反应产物的演变规律，揭示了水化产热对浆体流动性、胶结能力和强度增长变化的影响机理.然而，分级细尾砂作为充填材料在国内外应用较少.本研究通过室内试验、SEM 及理论分析等手段，开展分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特征研究，从水化热、水化产物及内部微结构特征等方面探索分级细尾砂胶结充填体早期强度演化机理，为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导.1试验材料及物化特性实验选用充填骨料为某金矿分级细尾砂（尾砂中粒径在 38m 以下的砂粒占比70%），胶凝材料为山东某黄金充填实验室自制胶结剂充填 C 料，水为自来水.1.1尾砂粒径分布特征利用马尔文 3000 激光粒度测试仪分别对所取全尾砂和分级细尾砂进行检测，所得粒径分布如图 1 所示.从图 1 可以看出，全尾砂粒径分布范围为0.463339m，加权平均粒径 24m，038m 尾砂颗粒含量约占 64.98%；分级细尾砂粒径分布范围为 0.269477m，加权平均粒径 14m，038m尾砂颗粒含量约占 76.95%.此外，分级细尾砂中尾砂粒径颗粒大小差异更明显，粒径较小颗粒占比更多，使尾砂中有足够的细颗粒去充填粗颗粒之间的空隙.1.2充填材料成分对分级细尾砂和充填 C 料进行 X 射频(XRF)化学分析及 X 射线衍射(XRD)物相分析，结果如表 12 和图