粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究.pdf

Vol. 29,No. 9 Sept. 22 第29卷第9期 2020年9月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究 1.咸宁职业技术学院建筑学院，湖北 咸宁437100； 2.郑州大学土木工程学院，河南郑州450001 摘 要为了研究和提高三山岛金矿分级尾砂胶结充填体的抗压强度，在充填体中加入粉煤灰及粉煤灰 活化剂CaO以提高充填体的早期强度。设计了不同粉煤灰掺量替代胶结剂的充填体强度试验和最优粉 煤灰掺量条件下不同CaO掺量的充填体强度试验,研究了粉煤灰掺量和CaO掺量与充填体强度之间的关 系，并对出现这种关系的原因进行了理论分析试验结果表明，当粉煤灰掺量为5时，充填体试样的强度 最大,充填用水中的Na、Ca2、Cl离子对提高充填体的早期强度起了关键作用。当CaO掺量为最优粉 煤灰掺量的20时，各养护龄期的充填体强度最大。最终确定三山岛金矿分级尾砂胶结充填体粉煤灰掺 量为5，粉煤灰活化剂CaO的掺量为20 关键词粉煤灰；充填体；粉煤灰活化剂；强度 中图分类号TD853. 34 文献标识码A 文章编号1004-4051202009-0137-04 Experimental study on inluence oly ash on backil strength oSanshandao gold mine WANG Yaowu12 1. Ac ademy of Arc h itec ture, Xianning Voc ational and Tec h nic al College, Xianning 437100, Ch ina； 2Sc h oolofCivilEngineeringZh engzh ou UniversityZh engzh ou450001Ch ina Abstract In order to study and improve th e c ompressive strength of th e graded tailings c emented bac kfill in Sansh andaogold mineflyash andflyash ac tivatorCaO areaddedtoth ebac kfiltoimproveth eearly strength .Th ebac kfilbodystrength testwith diferentflyash c ontentinsteadofc ementisdesignedandth e filingtestofdiferentCaOc ontentunderth eoptimalflyash c ontentisstudied.Th eflyash c ontentandCaO c ontentwith bac kfilstrength arestudied.Th ereasonsforth isrelationsh ipareanalyzed.Th etestresults sh ow th at wh en th e fly ash c ontent is 5 ,th e strength of th e bac kfill samples is th e largest, and th e Na , Ca2 and Cl ionsinth efiling waterplayakeyroleinimprovingth eearlystrength ofth ebac kfilbody. Wh en th e CaO c ontent is 20 of th e optimum fly ash c ontent,th e bac kfill body strength of eac h c uring age is th e largest. It is finally determined th at th e amount of fly ash in th e graded tailings c emented bac kfill of th e Sansh andao gold mine is 5 ,and th e amount of fly ash ac tivatorCaO is 20. Keywords ;lyash； bac kilbody； ;lyash ac tivator； strength 0引言引言 随着浅部矿产资源的逐渐枯竭，越来越多的矿 山进入了深部开采。随着开采深度的增加，地压问 题将日益突出，并成为实现深部安全、高效开采的主 收稿日期收稿日期2019-07-24 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目湖北省教育厅科研计划项目资助编号B2017555 作者简介作者简介汪耀武1982 ,男，湖北崇阳人，硕士，副教授，从事充填 力学及充填材料方面的研究,E-mail Wangyaowul982 163. c om。 引用格式引用格式汪耀武.粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研 究中国矿业，2020,299137-140. doi10. 12075/j. issn. 1004- 4051 2020 09 003 要障碍。充填技术是解决深部地压控制、维护采空 区稳定、保障安全作业、保护地表不遭破坏和维持既 有生态环境的有效途径之一14。尾砂和粉煤灰等 固体废弃物近年来被广泛研究用于金属矿井下开采 充填，不仅可以减少环境污染，还能为矿山节约充填 成本，提高经济效益和社会效益山东黄金三山 岛金矿是胶东三山岛-仓上断裂带上的超大型蚀变 岩型金矿，矿山生产已基本实现机械化生产’年开 采矿石量近300万t,开采深度接近地下8 00 m。三 山岛金矿矿区三面临海，矿区内水文地质条件极其 复杂，井下涌水主要有现代海水、基岩裂隙卤水、第 138中国矿业 第29卷 四系孔隙水、大气降水等组成。其中，基岩 卤水 与现代海水起源相同、高矿化度的特征矿 的 水主要为经 、沉淀处理的 涌涌水。由于 涌涌水来源复杂且 卤离 ，这些盐卤 的存在可能对 体的力学 1 产生影响。根据矿山 的 艺，开采设备 在 体 行作业，因此对 体早早期强度 有较高的 ，若 体早期强度 ，极易造成充 体发生破破坏崩解， 场的整体 ，威胁矿 山安全生产「山。 分析 水中的主要 盐卤 ，开展 同粉 掺量替代胶结 剂的 体强度试验和最优粉 掺 同 CaO掺量的 体试验，探索三山岛金矿 体早早期 度、降低 成本的途径。 1试验材料及方案试验材料及方案 11 水 本次试验充填体搅拌用水与矿山井下充填用水 一致，取自矿山 站，并按照水质检验取 的 行操作，将取样容 代取水 洗3次后 进行灌装取样，待水 容 溢流时 水 方 残留空气，以减少运 中水 的晃动，避免溶溶解性气体逸出、低 被氧化或 者挥发性物质的流失等。 对现场取样的 水在7 d内进行水质检 验,检验结果见表1。由表1可知，三山岛金矿充填用 水中 卤 ，尤其是Cl-、SOJ一 。 表1三山岛金矿充填用水离子浓度 Table1 Ionconcen raionofSanshandaogold minefilingwa er K十/ mg/L Na/ mg/L Ca2/ mg/L Mg2/ mg/L Cl/ mg/L SO|/ mg/L HCO3/ mg/L 2481037412731335209101981179 12 为 试验充填体采用的分级尾砂具有一定 的代 ，分级 的取 在矿 站 1 备 运行时进行。 制 仓仓开始放 ，此时不加入 ，运行一段时间后，打开 放 出 的 ， 存 于 干净净平整的水泥地面，彳 完毕并 分水分之后，装入编织袋。对现场取样得到的分级 行粒度分布分析，分析 见图1。 13 次 试 的 与矿 站 的 结剂一致，为山东黄金焦家金矿自主研发生产的井 下充填专用胶结剂焦家C料。为了研究焦家C 料作为 的物化性质，选 水泥作 为对比 行粒级分析，分析 见表2。 2 可知，矿山目前 的焦家C料的粒级分布比普 通水泥更均匀，粒度更细，22.8 49 .m以下粒径的颗 粒 的90，其中粒径小于5. 794 .m的颗 粒 的50，比表面积 水泥的 1.41 倍。 图1分级尾砂粒级分布曲线 Fig. 1 Classification tailings grain size distribution curve 表2胶结剂粒级分析数据统计表 Table2 S ais icsofpariclesizeanalysisda aofcemen 胶结剂名称X10/ .m X50/.mX90/.m比表面积/m2/c m3 普通水泥1. 7398 558 37 353 1. 689 家C1 2485. 79422 8492. 382 14 试 方 为了研究粉煤灰掺量对充填体试块强度的影响 及得出最佳的粉 掺量， 粉 替代部 分 续 试样制备，粉 掺量为剂 的 0、5、10、15 和 20， 体灰 比为1 5,充填体料浆质 度为70，养护龄 期为3 d、7 d和14 d,每组制备试 体试样3 个，试样尺寸为7 . 07 cmX7 . 07 cm X7 . 07 cm的立 方体。 为了提高粉煤灰活性，设计在充填体料浆内添 加 为粉 活性激发剂，为了得到最佳的 掺量， 掺量为最佳粉 的 10、15、20和 25， 体 比为15, 充填体料浆质 度为70， 期为3d、7 d 14d， 每 制 备 试 体 试 3 个 ， 试 尺 尺 为 7 .07 cmX7 .07 cmX7 .07 cm 的立方体。 由表1可知，充填用水中 的盐卤离子， 尤其是Cl-、SO厂 ，这些 的腐 ，可能会对 体的强度产 ，因此，在上 试 中 ， 每 一 试 一 对 比 试 ， 对 第9期汪耀武粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究 139 比试验的充填体搅拌用水采用自来水，其 “牛 一 2试试验结果及分析验结果及分析 21 粉 对 体试 压 度 律律 根 试 方 制 的 体试 按照标 期 ， 即 对其 行单 压 试 ， 测 单 压 度， 取3 个试 压 度 的平 。 2中可 出， 自来水配制 的 体还 水配制的 体，当粉 掺 量为5时，其单 压强度 加粉 时均 ，但随着粉 掺量的进一步 ，充填体 试样的单 压强度 势。分析其原因，粉 掺量越高，充填试块制作中 的 越少, 粉 的 特 替代 的胶凝效果, 因此,充填试 出单 压强度 的趋势。 3中可 出，在粉 掺量相同的 下，比较相应的 期 水和自来水制 的 体试 单 压 度， 水制 体试样的单 压强度 。在相同的粉 掺 ， 水 自 来水制 的 体 试样随着 期的增加，其单 压强度也显著 提高。当粉 掺量为5时，充填体试样的单轴 压强度随 期的增加增幅最大。 根据水泥的水化反应理论，硫酸根离子和镁离 时会对 体试样的强度产生有害影 响。SO厂与水泥的部分化学成分发生反应，生成具 一 的 体， 体的 成 体试 的 增加 低 体的 度。而Mg2 分解 中 特性的物 质，生成MgOH、SiO2・H2O 物质没 特 ， 低充填体试样的抗压强度。但 1中 可 出， 水中 的SO厂 Mg2的浓度 分别为1 981 mg/L和1 440 mg/L,含量相对较低, 理 讲 低 体试样的抗压强度。但从充 体试 的单 压测试 可 出， 水制 体试样的单 压强度 。分 析其原因， 水中 的Na、Ca2、Cl, 而NaCl和Cal为硅酸盐水泥配制混凝土使用的 早 的主要成分，可 体试样 的早期强度。 粉 一定的火山灰活性，其活性激发效 果的好坏 其是否可 于分级 的；材 ，对于 试块的强度 低 成 着 重要意义。从试验结果中可 出，当粉 掺量 为5时,充填试块的单 压强度比不掺粉 1 有所提高，而且掺加粉煤灰后充填试块随着养护龄 期的增加，其单 压强度增 。因此,最终确 粉 掺量为5 o ■■■充填用水3d亠充填用水7d.充填用水14 d m自来水3d 亠自来水7d y-自来水14d 4「 3 2 1 3 2 1 E d w M 岀挹挥 W W -2.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 粉煤灰掺量/ 图图2不同粉煤灰掺量下充填体试样强度变化曲线不同粉煤灰掺量下充填体试样强度变化曲线 Fig. 2 Curve of strength variation of backfill 8pecimen8withdiferentflya8hcontent ■自来水3d ■充填用水3d □自来水7d 4 r ■充填用水7 d ■自来水14 d □充填用水14 d E d J V fe 岀挹挥 W W 图图3不同粉煤灰掺量下充填体试样强度柱状图不同粉煤灰掺量下充填体试样强度柱状图 Fig. 3 Bar graph of the strength of the backfill body samplesunderdiferen6flyashcon6en6 2. 2生石灰对粉煤灰活性的激发规律 根据试验方 制 的 体试样按照标准 期后，即对其进行单轴压缩 试验，测定其单轴抗压强度，结果取3个试 压强 度的平 。 4中可 出，使用自来水制作 的 体试 期的单 压强度随着生石 灰掺量的增加而增大 水制作的充填 体试 期的单 压强度随着 掺量 的增加 出先增 低的变 律律 石灰 掺量为粉 质量的20时，充填体强度最大。分 析其原因， 可与水发生反 成CaOH2, 在 环境下，粉 颗粒表面的SiO和AlO 学键 键 ，形成 的 学键键，使得具有活 性的SiO2 AI2O3溶出。CaOH2与活性物质 SiO2 .AI2O3发生化学反应，生成具有一定强度的水 化硅酸钙CSH和水化铝酸钙CAH,从而充填试 单 压强度有一定的 。这也 自来水 140中国矿业 第29卷 制作的充填体试样单轴抗压强度随着生石灰掺量的 增加而增大的原因。 E d J V fe 岀挹挥 w w 生石灰掺量/ 图4 CaO掺量与充填体强度的关系曲线 Fig. 4 Curve of the relationship between the amount ofCaOand hes reng hof hebackfil 充填用水中含有的SO厂和Na与CaOH2 反应可生成NaOH和CaSO4，同时SO厂 在Ca2作 与粉 颗粒中的相关成分反 成水化硫铝 ，在水化硫 的 ，Ca2与粉 中 具有活性的SiO2 .AI2O3反应，使粉煤灰的胶凝特 得到进一步发挥。 水中的NaCl和CaCl 对粉 活 发也 积 ，其中NaCl通 形成NaOH，增加 体 ，Ca2和Cl 同粉煤灰中具有活性的AOs反应生成水化氯铝 但 CaO添加过多，会与 水中的 SO2一发反应生成 ， 破坏 体的 ，降低 体的长期强度，这也是当 掺 20时，充填体试 度下降的原因。 3结论结论 1 当粉煤灰掺量为5时，其单轴抗压强度较 不添加粉 时 ，但随着粉煤灰掺量的 一 步 ， 体 试 的 单 压 度 势，适量的粉 利于 三山岛金矿 体 的早期强度。 2 虽然充填用水中的SO4一和Mg2对充填体 的早期强度会产 利 ，但 水中同时含 的Na、Ca2 Cl ，这些 对提 体早期强度 关键 3 在 体中加入粉 活化剂CaO以提 高粉 的火火山灰活性， 体强度试验结果， CaO掺量为粉 质量的20时，充填体强度 最大。 ■ 参考文献参考文献 1瞿群迪，姚强岭，李学华，等充填开采控制地表沉陷的关键因 素分析 J 采矿与安全工程学报,2010,274 “58462. QU Qundi, YAO Qiangling, LI Xueh ua, et al. Key fac tors af fec ting c ontrol surfac e subsidenc e in bac kfilling mining [J. Journal of Mining and Safety Engineering,2010,274 “58-462. 2 胡华，孙恒虎矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新技术 J 中国矿业,2001,106 “752. HU HuaSUN Hengh u Developmentofbac kfiltec h nology and th e new bac kfill proc ess using paster-like material [J. Ch ina Mining Magazine2001 106“47-52 [3 付建新，杜翠凤，宋卫东全尾砂胶结充填体的强度敏感性及 破坏机制 J 北京科技大学学报,201436911491157. FU Jianxin,DU Cuifeng,SONG Weidong. Strength sensitivity and failure mec h anism of full tailings c emented bac kfills]J. Journal of University of Sc ienc e and Tec h nology Beijing， 2014369 “149-1157. [4 李夕兵，刘冰硬岩矿山充填开采现状评述与探索[J.黄金科 学技术,2018,264492-502. LI Xibing, LIU Bing. Review and exploration of c urrent situa tion of bac kfill mining in h ard roc k mines [J. Gold Sc ienc e and Tec h nology, 2018,264 “92-502. [5 吕宪俊，连民杰金属矿山尾矿处理技术进展[J.金属矿山， 200581-4,38. LYU Xianjun，LIAN Minjie. Progress in tailings disposal tec h nology for metal mines[J. Metal Mine,20058 1-4,38. [6 李冬青，杨承祥，施士虎.全尾砂高浓度充填技术在深井矿山 应用研究 J 金属矿山,2009713-15,23. LI Dongqing,YANG Ch engxiang,SHI Sh ih u. Researc h of th e applic ation of total tailing h igh density bac kfill tec h nology in deep underground mine[J. Metal Mine,20097 “3-15,23. [7 钟常运，王洪江,吴爱祥，等全尾砂膏体充填粉煤灰活性效应 研究 J 金属矿山,20172 “84187. ZHONG Ch angyun, WANG Hongjiang, WU Aixiang, et al. Study on fly ash ac tivation of paste bac kfill with unc lassified tailings]〕. Metal Mine,20172 184-187. [8 冀东，徐晨，李腾飞，等滨海深部开采矿山水文地质环境调查 与渗流场特征分析 J 工程地质学报,2016,244674681. JIDongXU Ch enLITengfeietal Hydrogeologyinvestiga tion and c h arac teristic s analysis of seepage field for c oastal mine in deep exploitation]J. Journal of Engineering Geology, 2016,244 “74- 681. [9 马凤山，郭捷，李克蓬，等.三山岛海底金矿开采充填体与顶板 岩层的变形监测研究J.黄金科学技术,2016,244 “672. MA Fengsh an,GUO Jie,LI Kepeng,et al. Monitoring and re searc h for th e deation of mine bac kfill and roof surround ing roc k wh en exploiting Sansh andao seabed gold mine [J. Gold Sc ienc e and Tec h nology, 2016,244 66-72. [0赵洋，付其锐，邱云胜三山岛金矿充填采矿工艺研究J.现 代矿业,2012,28214. ZHAO YangFU QiruiQIU Yunsh engStudy on fi ling min- ingtec h nologyofSansh andaogolddeposit [J Modern Min- ing,2012,282 “4. [1袁勇，李威，卢俊华三山岛金矿深部采场的充填与支护技术 J.矿业研究与开发,2012 322 “214,54. YUAN Yong, LI Wei, LU Junh ua. Filling and supporting tec h niques for deep stope in Sansh andao gold mine]J. Mining Researc h and Development,2012,322 12-14,54.