个旧卡房矿区全尾砂胶结充填体力学特性分析_彭朝智.pdf

个旧卡房矿区全尾砂胶结充填体力学特性分析彭朝智1,陈建康1,蒋艰1,任青林1,姜明归2(1.云南锡业股份有限公司卡房分公司,云南 个旧市 6 6 1 0 0 5;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 5 0 4)摘 要:为研究养护龄期、质量浓度与灰砂比对全尾砂胶结充填体抗压强度的影响规律,以个旧卡房矿区不同配比全尾砂胶结充填体为研究对象开展单轴压缩实验。结果表明:相同质量浓度及灰砂比下,充填体的单轴抗压强度随养护龄期的增加呈指数函数递增;相同养护龄期及灰砂比下,充填体的单轴抗压强度随质量浓度的增加而逐渐增加,且灰砂比越大的充填体其抗压强度的增幅越大;相同养护龄期及质量浓度下,充填体的单轴抗压强度随灰砂比的增加呈一元线性函数递增。关键词:单轴抗压强度;尾砂胶结充填体;灰砂比;养护龄期;质量浓度0 引言基于国家绿色工业和循环经济发展的要求,全面推动矿业发展方式转变和矿区环境改善,促进矿区经济社会的可持续发展的采矿法得到长足发展12,其中全尾砂胶结充填法在回采作业中具有矿石回采率高,损失贫化率小,且能有效支护岩层、预防岩爆,控制采场地压和防止大量冒落,从源头实现生产废料的二次利用,减少尾矿堆存占用土地资源等明显优势35。充填体是否具备良好的承载能力对矿山生产尤其重要,因此,关于充填体在单轴抗压荷载下的力学性能研究较多,如陈国瑞等6研究了灰砂比为1 6、1 8的分层充填体的单轴抗压强度和端部效应破坏机理;李文臣等7研究了硫酸盐对含矿渣胶结充填体的单轴抗压强度与弹性模量的影响;尹升华等8研究了不同粗骨料替代率下充填体试样在单轴受压破坏下的变形破坏模式及能量损伤特征;侯永强等9研究了不同养护龄期下胶结充填体在单轴压缩实验下的损伤特性及能量耗散规律;吴文等1 0通过单轴抗压实验研究了絮凝药剂对尾矿砂浆充填材料力学性能的影响;邓代强等1 1通过无侧限单轴抗压强度实验研究了不同配比下的充填体抗压强度、平均杨氏模量、泊松比等力学性质的变化规律;赵树果等1 2通过单轴抗压实验,分析了不同灰砂比的胶结充填体变形破坏特征;郭育霞等1 3通过单轴压缩实验研究了不同尺寸矸石胶结充填体的损伤演化规律及破坏特征;刘艳章等1 4开展了充填体单轴压缩及声发射监测实验,分析了充填体单轴压缩下的应力 应变曲线及声发射参数;林卫星等1 5通过单轴压缩实验研究了灰砂比为16的充填体的蠕变特性;徐晓冬等1 6通过单轴压缩声发射监测实验分析了充填体的损伤演化过程并建立了本构模型;甘德清等1 7通过单轴压缩实验研究了尺寸变化对充填体破裂演化过程及力学性能的影响;易雪枫等1 8采用单轴压缩实验研究了不同废石含量下充填体的细观损伤和破裂演化机制;聂亚林等1 9通过单轴压缩实验分析了不同含水率下充填体变形破坏的力学特性;赵康等2 0通过单轴压缩实验研究了不同质量分数的胶结充填体试样的力学特性与损伤演化规律;曹帅等2 12 2通过单轴压缩实验研究了不同质量浓度、不同灰砂比下胶结充填体的力学特性及破坏机制。综上研究可知,研究尾砂胶结充填体的力学性能实验中,变量因素和制备的试样数量较少。由于实验和工程实际存在不可避免的误差,为了得到足够的数据来证明规律的普遍性和适用性,本文开展了不同质量浓度、不同灰砂比、不同养护龄期的全尾砂胶结充填体单轴压缩力学实验,同时对比分析了质量浓度、灰砂比和养护龄期对充填体抗压强度的影响,通过大量的实验数据进一步揭示全尾砂胶结充填体在压缩破坏过程中的力学性能与质量浓度、灰砂比和养护龄期间之间的关系。1 实验1.1 实验材料实验选用个旧卡房矿区的全尾砂为充填体试样骨料,采用的胶凝材料为PC4 2.5 R普通硅酸盐水I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.029泥,实验用水为普通自来水。经现场取样测定、筛分和激光粒度测试,得到全尾砂主要化学成分(见表1)和粒级分布(见图1)。由表1可知,尾砂中S i O2、C a O、F e2O3、C a F2含量较高,同时还含有一定的S元素,碱性元素含量较少,有利于充填体强度的发展。由图1可知,该尾砂中-5m、-1 0m、-2 0m的 极 细 颗 粒 含 量 分 别 为1 6.7 0%、2 6.6 3%、3 9.1 1%,-2 0 0目(-7 4m)为7 3.5 4%,表明该尾砂的级配良好,适合用作充填材料。表1 全尾砂主要化学成分%M g OA l2O3S i O2C a OF e2O3P bWO33.4 86.1 53 4.2 31 3.8 21 7.4 5 0.0 1 0.0 6C uS nC a F2A sSC dZ n0.1 30.0 89.1 40.5 43.7 4 0.0 1 0.0 8图1 全尾砂粒级组成1.2 实验过程为了使实验结果更具有普遍性与代表性,本次实验制备了质量浓度为7 3%、7 4%、7 5%、7 6%、7 7%、7 8%,灰砂比为14、16、18的充填体试样,分别养护3d、7d、1 4d、2 8d后进行单轴压缩实验,共计7 2种工况,每种工况设置3个试样进行抗压强度测试,测试结果取3个试块的平均值。实验开始前将全尾砂进行烘干处理得到干燥全尾砂,用电子秤秤量各料浆配比所需物料(精确至0.0 1g),将已按实验所需配比秤量好的水、水泥、尾砂倒入容量筒内,用强力搅拌机对其进行搅拌直至筒内料浆无任何可溶解颗粒时停止搅拌,并将搅拌好的料浆注入7 0.7mm7 0.7mm7 0.7mm的三联模具中。为防止浇筑过程中产生气泡,采用边搅拌边浇模的浇筑方式,且料浆注入量要大于模具高度。浇筑完毕后,让其自然沉降,待料浆初凝后,对其进行刮平处理,待试块自立后,对其进行脱模处理。脱模后的试块放入养护箱进行养护,分别养护3d、7d、1 4d、2 8d,保持试块的湿度在9 0%左右,直至达到所需测试龄期。2 结果与分析2.1 养护龄期对充填体强度的影响如图2可知,相同质量浓度与相同灰砂比下,充填体的单轴抗压强度随着养护龄期的增加而呈逐渐增加的趋势。当质量浓度为7 8%、灰砂比为14时,养护龄期为3,7,1 4,2 8d下的试样抗压强度分别为3.2 1,4.9 3,5.8 1,9.5 1M P a,其抗压强度增幅分别为5 4%,8 1%,1 9 6%;当质量浓度为7 8%、灰砂比为1 6时,养护龄期为3,7,1 4,2 8d下的试样抗压强度分别为1.5 9,2.5 4,3.1 1,5.0 9M P a,其抗压强(a)灰砂比为1 4(b)灰砂比为1 6(c)灰砂比为1 8图2 龄期与单轴抗压强度的关系951彭朝智,等:个旧卡房矿区全尾砂胶结充填体力学特性分析度增幅分别为6 0%,9 6%,2 2 0%;当质量浓度为7 8%、灰砂比为18时,养护龄期为3,7,1 4,2 8d下的试样抗压强度分别为0.9 9,1.6 9,2.0 8,3.0 9M P a,其抗压强度增幅分别为7 1%,1 1 0%,2 1 2%。综上分析可知,同灰砂比下,养护龄期为7d、1 4d、2 8d下的充填体试样的抗压强度增幅分别是养护龄期为3d的充填体试样抗压强度的0.5 40.7 1倍、0.8 1 1.1倍、1.9 6 2.2倍。其主要原因是随着养护龄期的增加,充填体的线弹性变形阶段能够达到更高水平,阻碍了试样裂纹的扩展与萌生,从而提高了充填体的抗压强度。由表2中的非线性拟合结果可知,充填体试样的单轴抗压强度与养护龄期呈指数函数正相关,其模型表达通式为:表2 充填体单轴抗压强度与养护龄期拟合结果灰砂比质量浓度/%拟合结果相关性系数R21 47 3y=-3.5 6 6 e x p(-x/1 3.0 6 1)+4.1 6 90.9 9 81 47 4y=5.3 1 3 e x p(x/6 5.5 9 8)-3.2 5 80.9 8 91 47 5y=4.5 7 7 e x p(x/5 2.3 3 5)-2.4 7 20.9 9 11 47 6y=-8.4 5 9 e x p(-x/5 4.3 9 9)+1 0.9 2 70.9 6 81 47 7y=-1 1.6 3 8 e x p(-x/4 4.9 6 2)+1 3.7 9 1 0.9 9 81 47 8y=1 3 1.1 1 6 e x p(x/5 6 2.7 4 8)-1 2 8.3 3 50.9 4 21 67 3y=-1.8 9 5 e x p(-x/2 3.0 4 9)+2.5 4 90.8 2 21 67 4y=0.7 4 7 e x p(x/2 1.9 0 4)+0.3 0 60.9 9 91 67 5y=6.1 5 2 e x p(x/9 9.8 4 4)-5.0 9 70.9 9 11 67 6y=1.0 1 8 e x p(x/2 4.3 7 2)+0.3 8 80.9 0 31 67 7y=1.3 6 2 e x p(x/2 4.6 1 3)+0.0 0 10.9 1 71 67 8y=-2 6.8 2 9 e x p(-x/1 8 4.4 4 6)+2 8.1 1 9 0.9 5 41 87 3y=-0.5 5 7 e x p(-x/1 0.4 7 8)+1.1 0 50.7 6 51 87 4y=1 0.6 0 2 e x p(x/2 9 3.1 1 8)-9.7 5 10.9 8 91 87 5y=1.5 4 4 e x p(x/5 2.4 0 2)-0.8 0 30.9 9 21 87 6y=0.5 1 7 e x p(x/2 1.3 3 6)+0.3 5 00.9 9 91 87 7y=-4.4 3 2 e x p(-x/5 0.1 0 7)+5.2 8 90.8 2 01 87 8y=-3.6 3 2 e x p(-x/2 5.9 4 2)+4.3 0 30.9 4 4y=A1e x p-xB1()+C1(1)式中,y为单轴动态抗压强度,M P a;x为养护龄期,d;A1、B1、C1为方程拟合系数。2.2 质量浓度对充填体强度的影响由图3可知,灰砂比为14、16、18时,养护龄期为3d、7d、1 4d、2 8d时,充填体试样抗压强度随质量浓度的增加而逐渐增加,且灰砂比越大其(a)养护龄期为3d(b)养护龄期为7d(c)养护龄期为1 4d(d)养护龄期为2 8d图3 质量浓度与单轴抗压强度的关系充填体的抗压强度的增幅越大。当养护龄期为3d时,灰砂比为1 4、1 6和1 8的充填体试样随着质量浓度的增大其单轴抗压强度分别从1.3 2M P a增至3.2 1M P a、0.8 1M P a增至1.5 9M P a和0.7 1M P a061采矿技术2 0 2 3,2 3(2)增至0.9 9M P a;增幅分别为1 4 3%、9 6%和3 9%。当养护龄期为7d时,灰砂比为14、16和18的充填体试样随着质量浓度的增大其单轴抗压强度分别从2.1 2M P a增至4.9 3M P a、1.3 1M P a增至2.5 4M P a和0.7 6M P a增至1.6 9M P a;增幅分别为1 3 2%、9 3%和1 2 2%;当养护龄期为1 4d时,灰砂比为1 4、16和18的充填体试样随着质量浓度的增大其单轴抗压强度分别从2.9 2 M P a增至5.8 1M P a、1.4 1M P a增至3.1 1M P a和1.0 1M P a增至2.0 8M P a;增幅分别为9 9%、1 2 0%和1 0 6%;当养护龄期为2 8d时,灰砂比为1 4、1 6和1 8的充填体试样随着质量浓度的增大其单轴抗压强度分别从3.7 6M P a增至9.5 1M P a、2.0 1M P a增至5.0 9M P a和1.0 5M P a增至3.0 9M P a,增幅分别为1 5 2%、1 5 3%和1 9 4%