玻璃纤维增强含硫尾砂胶结充填体的力学及流动性能研究_尹升华.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21110083-1基金项目:国家自然科学基金重点项目(51734001);中央高校基本科研业务费专项资金(FF-TP-18-003C1)This work was financially supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China(51734001)and the Fundamental esearch Funds forthe Central Universities(FF-TP-18-003C1)ustxsh163comDOI:10.11896/cldb.21110083玻璃纤维增强含硫尾砂胶结充填体的力学及流动性能研究尹升华1，2，曹永1，2，吴爱祥1，2，侯永强1，2，白龙剑1，21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 100083针对含硫尾砂胶结充填体的力学性能劣化特性，通过一系列室内试验对含硫尾砂胶结充填体的力学及流动性能进行了详细研究，并提出通过添加纤维改善含硫尾砂胶结充填体的力学性能。结果表明:料浆流动度随着硫含量的增加基本遵循二次函数递增规律;料浆流动度随着纤维含量的增加呈指数函数递减规律，但纤维长度的改变不会对料浆的流动度产生显著的影响;含硫尾砂胶结充填体的抗压、抗拉强度均随着纤维含量的增加呈先增大后减小的趋势，并都在纤维含量为 06%时达到最大值;此外，纤维长度的增加也有利于提高含硫尾砂胶结充填体的抗压、抗拉强度，且纤维对抗拉强度的改善效果明显优于对抗压强度的改善效果;添加玻璃纤维不仅能够显著提高充填体的抗压强度，而且能够抑制充填体的强度劣化;微观结构测试表明纤维能够有效阻止孔隙和裂隙的产生和扩展，从而达到提高充填体力学性能及抑制充填体后期强度劣化的效果。关键词纤维长度纤维含量玻璃纤维力学性能流动性能微观结构中图分类号:TD853文献标识码:AStudy on Mechanics and Flow Behavior of Glass Fiber einforced Cemented SulfurTailings BackfillYIN Shenghua1，2，CAO Yong1，2，WU Aixiang1，2，HOU Yongqiang1，2，BAI Longjian1，21School of Civil and esource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China2Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，ChinaIn view of the particularity of the physical properties of cemented sulfur tailings backfill，the physical properties and flow properties of cemen-ted sulfur tailings backfill(CSTB)were studied in detail through a series of laboratory tests and it was proposed to improve the physical pro-perties of CSTB by adding glass fiber The results show that slurry fluidity basically follows the quadratic function increasing law with the increaseof sulfur content The fluidity of slurry decreases exponentially with the increase of fiber content，but the change of fiber length has no significanteffect on the fluidity of slurry The compressive strength and tensile strength of the cemented sulfur tailings backfill increased first and then de-creased with the increase of fiber content，and both reached the maximum value when the fiber content was 06%In addition，the increase of fi-ber length is also beneficial to improve the compressive strength and tensile strength of cemented sulfur tailings backfill and the improvement effectof fiber on tensile strength is obviously better than that of compressive strength Moreover，the addition of fiber can not only significantly improvethe compressive strength of the cemented sulfur tailings backfill，but also inhibit the strength deterioration of the cemented sulfur tailings backfillThe microstructure test shows that the fiber can effectively prevent the formation and expansion of pores and cracks，so as to improve the me-chanical properties of CSTB and inhibit the strength deterioration of CSTB in the later stageKey wordsfiber length，fiber content，glass fiber，mechanical property，flow performance，microstructure0引言硫铁矿或伴生硫铁矿是国内重要的矿产资源，但硫铁矿的开采会产生大量的含硫尾砂，而含硫尾砂因为硫化物的存在会发生氧化反应产生一定量的酸性液体，所以在地表堆存时不仅会对环境造成严重的污染，而且会在一定程度上侵蚀尾矿坝坝体，进而对尾矿坝坝体的稳定性造成不良的影响1-3。近年来，胶结充填开采逐渐成为主流的矿体资源回采方法，这种方法不仅能够安全、高效地回采井下矿体资源，而且能够有效处理含硫尾砂所带来的环境污染问题，具有显著的应用价值4-6。研究表明，金属矿尾砂中含有的硫化物会对充填体抗压强度产生影响，且硫化物含量过高时会造成胶结充填体后期力学性能劣化及充填体膨胀开裂的现象7。Ayora等指出，当尾砂中含有磁黄铁矿时，充填体内部会生成过量的次生石膏和钙矾石等膨胀相，造成充填体产生开裂破坏和强度失效的现象8。Yin 等指出含硫尾砂中的硫含量增加会导致充填体产生膨胀开裂的现象，并且充填体的后期强度随着硫含量的增加而降低9。陈鑫政等开展了高硫尾砂充填体强度变化规律实验研究，指出高硫尾砂充填体强度随着养护时间的延长呈先增大后逐渐减小的趋势10。冀文明等开展了含硫尾砂膏体充填材料力学特性试验研究，指出含硫尾砂胶结充填体单轴抗压强度均随养护龄期的延长而增大，但后期增幅均有所减小11。郭进平等开展了高硫尾砂胶结充填体强度影响因素实验研究及应用研究，指出骨料含硫量低于 1172%(全尾砂掺量 30%)时不会劣化充填体长期强度12。此外，充填开采活动常处于复杂的地质环境中，在地应力诱发的频繁岩爆及爆破载荷等动力扰动下，往往会造成胶结充填体内部出现微裂纹等损伤，使充填体结构遭到连续性破坏，且在短时间内这些微裂纹会迅速扩展、延伸，进而产生宏观破裂，导致胶结充填体强度和整体稳定性无法满足采21110083-2场充填的要求13。因此，针对充填开采所处的特殊环境，开展含硫尾砂胶结充填体强度演化规律的研究，并探索出适当的方法以提高含硫尾砂胶结充填体强度及整体稳定性是目前矿山含硫胶结充填开采的一个重要研究方向，具有显著的研究价值与现实意义。因此，针对矿山的含硫尾砂胶结充填体的抗压强度出现了明显的劣化现象(充填体抗压强度随养护龄期的延长而降低)，开展相应的研究工作。首先，对不同硫含量的尾砂胶结充填体的力学性能(抗压强度)进行测试，分析硫含量对充填体性能的影响规律。其次，通过添加不同含量和长度的玻璃纤维对含硫尾砂胶结充填体进行改性研究，分析纤维的含量和长度对含硫尾砂充填体性能的影响规律。最后，借助扫描电子显微镜(SEM)对充填体微观结构进行分析，揭示聚丙烯纤维对含硫尾砂胶结充填体力学性能的影响机理。研究结果能够为推广含硫尾砂井下充填提供理论依据。1实验实验采用的全尾砂取自甘肃某镍矿山，粒度分析结果如图 1a 所示。硫精矿尾砂取自硫铁矿山，用于配制不同硫含量的复合尾砂，其化学成分如表 1 所示，粒度分析结果如图 1b所示。胶凝材料采用复合硅酸盐水泥，标号为 PC325。实验采用的尾砂和水泥的化学成分如表 2 所示。镍矿全尾砂和硫精矿尾砂的密度分别为 2794 t/m3和 3751 t/m3。此外，硫精矿尾砂的主要构成矿物为黄铁矿(FeS2)，并有少量的 SiO2。玻璃纤维的物理力学参数如表 3 所示。试验采用的聚丙烯纤维的平均直径为 19 mm，密度为 091 kg/m3，具有良好的耐酸碱性能，并且没有水分吸收和毒性。根据表 3 可知，试验采用的玻璃纤维抗拉强度为 369 MPa，弹性模量为48 GPa，可以看出，玻璃纤维具有较高的弹性模量及抗拉强度。表 1硫精矿尾砂化学成分(质量分数，%)Table1Chemical composition(mass fraction，%)of sulfur concentrate成分COSiCaFeSCuMg其他硫精矿 1072670286209358270035122291表 2水泥及镍矿尾矿化学成分(质量分数，%)Table 2Chemical composition(mass fraction，%)of cement and tailings成分SiO2CaOMgOAl2O3Fe2O3K2OTiO2MnO其他尾矿4220373327140412140390330422水泥283648282501187288107060012431表 3玻璃纤维物理力学参数Table 3Physical and mechanical parameters of glass fiber纤维类型直径mm抗拉强度MPa弹性模量GPa密度g/m3延伸率%玻璃纤维19369480913652实验方案和试样制备实验以复合尾砂的含硫量为单因素设计，恒定料浆质量浓度为 73%，灰砂比为 1 8，配比方案详见表 4。配制的四组尾砂T1、T2、T3、T4分别对应不同的含硫量，它们与复合硅图 1硫精矿尾砂和镍矿尾砂粒度分布:(a)硫精矿尾砂;(b)镍矿尾砂Fig1Particle size distribution of sulfur concentrate an