充填体主动接顶膨胀材料性能试验研究.pdf

Vol. 29,No. 9 Sept 2020 第29卷第9期 2020年9月 采选工程 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 充填体主动接顶膨胀材料性能试验研究 史采星12,郭利杰12,杨 超12 （1.矿冶科技集团有限公司，北京102628； 2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京102628） 摘 要充填接顶是充填采矿工艺的重要工序，其效果关系到矿石回采安全性及回收率。为解决目前充 填采场接顶率低的难题，本文提出了充填体主动接顶技术。经试验研究，在充填料浆中添加与其相匹配的 自膨胀材料，利用其自膨胀功能使充填体体积增大，可实现采场充填体主动膨胀接顶’通过开展自膨胀充 填料浆的流动性能和自膨胀充填体的强度试验，并借助扫描电镜（SEM）分析充填体的微观结构，确定了广 东某铅锌矿充填接顶的技术参数，在充填料浆浓度为73、灰砂比为14、膨胀材料添加量为3时，充填 体体积膨胀率为22〜23，充填体强度约2. 0 MPa,满足接顶充填工艺要求。 关键词充填接顶；膨胀材料；充填料浆；流动性能；膨胀率；充填体强度 中图分类号TD853 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）09-0087-06 Experimental study on the perance of the filling active roof-contaceted material SHI Caixing12 , GUOLijie12 , YANG Ch ao112 1. BGRIMM Tec h nology Group, Beijing 102628 , Ch ina 2. National Centre for International Researc h on Green Metal Mining, Beijing 102628, Ch ina Abstract Roof-c ontac ted filling is an important proc ess of fill mining tec h nology, its effec t is related to th e safe,yandrec overyra,eoforemining.Inorder,osolve,h eproblemoflowroof-c on,ac ,ra,einfilingmine, ,h is paper pu,s forward,h e ac ,ive roof-c on,ac ,ed,ec h nology of fi ling body. Th rough ,h e experimen,al s,udy, h e fi ling body volume c an be inc reased by adding,h e ma,c h ing self expanding ma,erial in,h e fi ling slurry,and,h efilingbodyc anbec onnec ,ed,o,h eroofac ivelybyusingisselfexpandingfunc ,ion.Based on,h e experimen,al s,udy of,h e flow peranc e and,h e s,reng,h of,h e self expanding fi ling slurry,and ,h eanalysisof,h emic ros,ruc ,ureof,h efilingbySEM, h ebes,,ec h nic alparame,ersof,h eroof-c on,ac ,ed filling in a lead zinc mine in Guangdong provinc e are determined. Wh en th e filling c onc entration is 73 ,th e ratio of lime to sand is 14,and th e amount of expansion material is 3 , th e volume expansion rate of th e filling body is 22-23 , and th e strength of th e filling body is about 2. 0 MPa, wh ic h meets th e requiremen,sof,h e,opfiling,ec h nology. Keywords roof-c ontac ted filling； expansion material； filling slurry flow peranc e； expansion rate； ilingstrength 随着矿山开采深度的增加以及社会对环境保护 意识的 t 矿方法在矿山企业 的比例 越来越高，并 一步发展 的趋势（13）。 顶 的重 容，也是每个 I充 填采矿法的矿山广泛关注的技术问题，由于矿山作 业的特 顶 场顶板 面积 ，达到或者 持顶板 许的 最大面积，容易造成充填体或矿岩冒落 业人 收稿日期收稿日期2020-01-04 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目国家重点研发计划项目资助（编号2018YFE0123000）；国家自然科学基金项目资助（编号“1774040） 第一作者简介第一作者简介史采星（1987 ），男，河北沧州人，硕士，工程师，主要从事充填采矿科研工作,E-mail ;c suboy520_sh i 163. c om. 通讯作者简介通讯作者简介郭利杰，男，河南南乐人，博士，教授，主要从事矿山充填技术与矿冶固废资源化利用方面的研究,E-mailguolijiebgrimm.c om. 引用格式引用格式史采星，郭利杰，杨超，杨超.充填体主动接顶膨胀材料性能试验研究（）中国矿业，2020,29（9） 8792. doi;10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020 09 010 88中国矿业 第29卷 员的安全「皿。充填接顶使充填体对采空区顶板或 假顶起支撑作用，防止顶板或假顶冒落。同时 的接顶 对于控制采场地压、纟 压、纟 场 体 的 、减少矿产资源损失、降低矿 重要 - - 然而，矿山为了保证充填料浆能依靠重力自流 输送, 度 ，使得 在采场中泌 水沉缩，从而导致充填体无法接顶。同时，由于 I 自 度的 、采场顶板本身 则性、人为 因素，均会造成 法接顶。。为 场 顶率，胡国宏等⑺在对 顶 因素分析的 基 ，采用层次分析法，建立 顶 因素 分析多层次 ，研究 质、充填 压 破工艺 矿山 顶质量的最主要 因素；曾照 ⑻为解决矿山 顶 ，通过 分析各种因素，提出了人 顶、强制接顶、选择合 度、纟 艺及顶板形 王树 ⑼提出 造 水；措 施，, 场接顶率；周 （10）提出 顶、多点 、多次强制挤压接顶的 。 。 分析 可知，以上专家学者解 顶 主要是 矿工艺的角度 的 顶率，属 于被动的接顶 ，但 限于现场苛刻的工况 ，难 的接顶率。 。 旨在研究 体主动接顶技术，在充填料 浆中添加与其相匹配的自 ，利用其自 i 体体积增大， 体主动接顶o 展自 的流动 自膨胀 充填体的强度测试研究，并利 （SEM）分 析 体的微观 ，确 广东 矿接顶充 的最佳 技术参 1 料 原理料 原理 在 中添加生石灰及一种金属粉末作为 自 ，金属粉末与水在碱性环境下发 学 反应，生成气体。 。 体 的动力来源于气 I 压力，而阻力来源于其自重压 自身剪切 随着化学反应的进行，气体越来越多，气 的压力 也越来越大,这些气 匀 在 中，迫 体积增大。待气 压力与 1 自重压力与 的极限 平衡时， ， 若 率 ，则难 的自重 的极限 ，导 体 ;若发 率 ，则气体会逸出 ；料 ， ， 导 体 度 度 低 自 理分析可知，充填料浆 的自 中 然 随 着 学 反 ， ， 但 并没有参与 中水泥的水化反应，因此，在充 中 加 体体 积 一个物理 L 2 基 分析基 分析 试 分级 取自广东某铅锌矿，其基本 物理参数见表1,化学元素分析见表2,粒级组成见 1 Table1 Thebasicphysicalparametersofclasifyingtailings 表1分级尾砂基础物理参数表 材料名称密度/g/c m3容重 / g/c m3孔隙率/ 分级尾砂 3 00 1. 73 42 3 表2分级尾砂化学元素分析结果表 Table 2 Analysis results of chemical elements inclasifyingtailings 元素SiO2 Al2O3 TFe PbMgOCaONa2O Zn /32 073 5912 280. 50 1. 5818 140. 14 0. 65 元素K2OTiO2P2O5MnOSCu烧失量 /2 170 12 0. 110. 1912. 950. 07 11 38 由表2可知，分级尾砂中主要非金属氧化物为 SiO2，主要金属元素及其氧化物为CaO、Fe、FeO、 AI2O3、区、区2。,。,其他金属元素含量较低-S的含量为 12.95， ，一 为S元素不利于 长期强度的 发展，尾砂中SiO2、 、AlO3的含量较高，是一种比较 的 ，且 的CaO.FeO和一 i 的 MgO 成 分 ， ， 利 于 体 的 发 展 该分级尾砂 io为 9. 027 .m,50为 6 3.6 7 1 .m， ， 为222. 207 .m,粒级组成 匀系数为9. 44,级 一般。 。 3 料添加量初探料添加量初探 自 体最重要的一项特性就是具有体积 膨胀，此特 其在 顶中 可比拟的 势。。根据经验，为了获得 的 体质量，应将 体 率（ 体积与 体积之差除以 第9期史采星，等充填体主动接顶膨胀材料性能试验研究 89 未膨胀体积）控制在20〜25之间。 体 率测试方法为在2 000 mL的量筒 度为73、灰砂比为14的充填 再添加一 （ 质量的1、3、5）的自 ， 网孔 匀，然后静置在 台上，并开始计时，记 同时间下的液面位置 面 ，最 算 率，计算方法为通过 测 直 前 体在 中的高度，按照（ 体积- 前体积）/膨 胀前体积的计算方法即得 率。 表表4 不同浓度、不同灰 料浆膨胀率测试不同浓度、不同灰 料浆膨胀率测试 Table4 Tes6onexpansionra6eoffilingslurrywih diferen6concen6raionandashsandraio 度717375 灰砂比 12 率/ 9.3 14 16 27.6 26.4 12 14 16 7. 7 22. 7 23. 6 12 14 16 6.8 19.9 16.8 30 25 20 15 、 灰砂比12 ■****灰砂比14 灰砂比16 10 5 表表3 率率 Table3 Expan8ionrateunderdiferentaddingamount 添加量135 率/2. 0 23.729.9 01------1------1------1------1 71 72 73 74 75 充填料浆浓度/ 在自膨胀材料不同添加量条件下，膨胀率相差 较大。 加量为1时，膨胀率仅为2，分析原 因在于浓度为73、灰砂比14的充填料浆经过 24 h水化固结，具有一定的强度，而产生的气体较 少，气体无法 体 ；当添加量为5时，膨 胀率 29. 9，根据经验，膨胀率 ，不利于充 体强度的发展；当添加量为3时，膨胀率 ] 23.7，该 率在合理的范 。但自 3的添加 否 ， 展自充 的试验研究。 4 料 试验研究料 试验研究 41 同 比 率试 展 度为71、73、75，灰砂 比为12、14、16,自 加量为3时的充 率测试试 ，试 见 4。 根 4 可 制 度对 体体积 率 的 律，见图2。 2可知，在相同灰砂比条件下，充填体膨胀 率随充填浓度的增加略 低，主 因是在 比一定的 ，充填体强度随 度的增 加而增大，由于产生的气体量一定，导 体膨胀 减弱。总体而言， 度对 体自膨 的 。为了获得相对高强度 体, 广东 矿接顶 时， 度在73〜 75之间。 由图3可知，在相同浓度下，灰砂比为12时, 充填体膨胀率 ；灰砂比为14和16时，充填体 体积 率变 。为了获得相对 度 I 体，推荐广东 矿接顶 时,灰砂比 低于 14。 图图3灰砂比对充填体体积膨胀率的影响规律灰砂比对充填体体积膨胀率的影响规律 FigC3 Influenceoflime8andratioonvolume expan8ionrateofbackfil 2料浆浓度对充填体体积膨胀率的影响规律料浆浓度对充填体体积膨胀率的影响规律 Fig. 2 Influence of slurry concentration on volume expansion rate of backfill 4. 2自膨胀材料对料浆流动性能影响分析 本试 目前 的1 法2开展充 度试验。 度试 落筒在 一块标 度的 行，其坍落 口径分 别为3. 5 cm、6 . 0 cm,筒高6 . 0 cm。试验首先用布 把坍落 干净，并将其放在水平的 板 上，将配比好的 落 口倒入，用钢尺 口刮平后, 落 直提起, 在玻璃板上形成一个圆，通过测定二个垂直方向的 圆直径，其平均值即为该料浆的 度值。 试验参 试验浓度为71 ,73 ,75； 灰砂比为12、14、16；自膨胀材料添加量为0、 3。依 试验参 展流动 试验，共计 18组，试 见图4。由图4可知， 的 浓度与 比相同时，添加自 的 90 中国矿业第29卷 的扩散度值比未添加时略小，主要是充填料浆中添 加3的自 度略微增大，导 度 减小，但减 很小, 加3的自 对 的流动 。 4.3自 对 体强度影响分析 比试验参数比试验参数与 度试验参数一试验参数一 致, 期为7 d和28 d。试 见图5。 I 5可知, 中添加3的自 ，充填 体单 单 压强度 低低。主 因因为自膨胀 成成的气体 体内产生多孔 ，充填体体积膨 ，导 体 度降低低， 低 低 体强度。 图图4扩散度试验结果扩散度试验结果 Fig. 4 The results of diffusion test E d J V fe 岀挹挥 W W 图图5充填材料配比试验结果充填材料配比试验结果 Fig. 5 Filling material ratio test results 2,4,6 2,4,62〔4〔62〔4〔62 4 717375717375 采用在充填料浆中添加自膨胀材料的主动接顶 工艺，在提高接顶率的同时，还需要保证一定的强 度，根据以上试验结果分析，73〜75浓度、灰砂 比14的 加3的自膨胀材料，强度可达 到1.8〜3 MPa,膨胀率介于22〜23之间，满足 顶 的 。 4.4自 体SEM测试试分析 为了解 的加入对 体结构的影响， 本文对 体进行 SEM检测测 试，采用的测试设备为 MLA Mineral Liberation Analyser矿物自动分析仪。对充填料浆浓度为 73、灰砂比为14、养护龄期为28 d的添加膨胀材 料与未添加膨胀材料的充填体切割利用显微镜对气 孔 行观察，然后取 展SEM测试，在分别 在放大在放大100倍、倍、500倍、倍、2 000倍时对微观形貌进行倍时对微观形貌进行 照，纟 照，纟 6〜8 。 。 6可知，添加 的试样表面比未添可知，添加 的试样表面比未添 加 的试 试 面更加 ，这 ，这 试样 微 微微 微孔 著多于对照组，这 于膨 发生反 成成的气体被硬化的水泥浆体固定 而造成的。 7可知，加入膨胀材料和不加膨胀材料的可知，加入膨胀材料和不加膨胀材料的 充填体的微观形 完全一样，其充填体的微观形 完全一样，其 的 、 互相 的情况也大致互相 的情况也大致 相同相同，即添加自 的 体没 产新的胶 凝产物，未改变 体内的水化产物种类。 8可知，加入 的 体试样内钙 矶石的 体长长度 于未加 的充填 体试 试 ， 这 于 在 在 加 的 体试 试 中 于 ， 体 自 水 形 成 成 的 加 发育， 加大的生长空间。 可 ， 体 中 加 入入 ， 没 变 变 体水 产 物 物 ， 变变 体中孔结构的分布。在不同放 的视野 ，均可观察 观察 体 同尺寸同尺寸的气泡形貌,气泡形貌, 且气 微微孔分 匀， 预期 状态状态。 5小型物理模拟试验小型物理模拟试验 为 前前期试 试 的可靠性，开展了充填体 自 物物理模拟试验拟试验，测 体的 率及 体强度分布特 特 参数，为后续确 场接顶 参 依据。 板制作小试试验箱，尺寸为长600 mm、 宽600 mm和高900 mm，中间用隔板隔开，方便对 照添加与 加自 的试 试 ，一一侧面采 ， 方 便 观 察观 察。 拟 试 拟 试 的 比 比 参 见 5 。 51 率测 试试分析 根 物 物 理 拟 试 拟 试 ， 体 程如图9 。由图9可知，未添加 的充 在 在 始出 出 的分层现象，并层现象，并 且 出 出 度的体积减小，而添加 纟 的 在开始 出 出 的离析分 层，在60 min 体体积 率显著 ；充 主要主要的 发生在发生在60〜300 min之间之间，18 h 相相对自身身体积 率为22.4，与前，与前期试 试 i果果 22.7 基 合。 第9期史采星，等充填体主动接顶膨胀材料性能试验研究 91 图图6膨胀充填体与普通充填体试样放大膨胀充填体与普通充填体试样放大100倍的微观形貌对比图倍的微观形貌对比图 Fig. 6 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 100 times 图图7膨胀充填体与普通充填体试样放大膨胀充填体与普通充填体试样放大500倍的微观形貌对比图倍的微观形貌对比图 Fig. 7 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 500 times 图图8膨胀充填体与普通充填体试样放大膨胀充填体与普通充填体试样放大2 000倍的微观形貌对比图倍的微观形貌对比图 Fig. 8 Comparison of the micro morphology of the sample of expansion filling body and common filling body with a magnification of 2 000 times 92中国矿业 第29卷 5.2充填体强度测试分析 体 28 d后，按图10所示取样位置, 对 的 体进行切割取芯，利用微 制电 压力试 行单 压强度测试，试 果见图11。由图11可知，充填料浆浓度为73，灰 比14， 期28 d,在 力口 试样 单轴抗压强度为3. 68 MPa,在添加 试样 单 压强度为2. 04 MPa， 场接顶 体强 度。 表表5小型物理模拟试验充填参数小型物理模拟试验充填参数 Table5 Filingpa3amete3sofsmalphysicalsimulationtest 组别 料浆浓度灰砂比添加量 胶凝材料 骨料 实验组 对照组 7314 0 -O42-5R 水泥 ♦添加膨胀剂液面高度 .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O .O 6. 4.2 0 o d 6. 4.2 0 6. 4.2 0 o d 6. 4.2 0 5 5 5 5 4 4 4 4 4 5 5 5 5 4 4 4 4 4 o o 图图9 体高度变化曲线体高度变化曲线 Fig. 9 Filling height curve □ □ □ □ □ □ □ □ □ o □b口 □T 口 a取样位置俯视图b取样位置侧视图 图图10切割取芯方案图切割取芯方案图 Fig. 10 Cutting and coring plan E d J V fe 岀挹挥 w w 图图11充填体单轴抗压强度测试结果充填体单轴抗压强度测试结果 Fig. 11 Test results of UCS of backfill 6结论 1 填体主动膨胀接顶技术思路可行，能够满足 充填接顶工艺 。 2 自 最优添加量为充填料浆总质量 的3。 3 充填料浆体积膨胀率应控制在20〜25 之间。 4 广东某铅锌矿充填接顶技术参数为充 填浓度73，灰砂比14， 加量3，此 ，充填体 率22〜23,充填体强度约 2. 0 MPa。 参考文献 1 杨小聪，郭利杰等尾矿和废石综合利用技术M.北京化学 工业出版社,20181415. 2 李夕兵，周健，王少锋，等.深部固体资源开采评述与探索[J. 中国有色金属学报,2017,2761236-1262. 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