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摘要：陕西某金矿岩层破碎，采矿方法为下向进路胶结充填采矿法，该采矿法要求充填体强度高，底部充填体强度28天要求达3MPa以上，但矿山原有充填骨料（尾砂、废石）与水泥结合性差，导致充填强度偏低，无法满足生产要求。通过超塑化强化剂的应用研究，对充填骨料进行改性，达到减少废石机制砂消耗，尾砂在充填占比中达到1/2以上；充填浓度由现有83%提升至88%，增加充填料浆流动性；降低胶凝材料用量，减少充填体沉缩。从根本上提升充填强度，实现矿山绿色可持续、高质量发展。
关键词：超塑化强化剂；充填体强度；单轴压缩试验
充填采矿法能最大限度地回收矿产资源、保护地表和地下环境，伴随着充填材料、充填工艺和装备技术的不断进步，充填采矿法在矿山得到了广泛应用。近年来，外加剂的使用进一步提高充填膏体的强度，降低生产成本，工艺优势凸显。外加剂分为减水剂、膨胀剂、引气剂、速凝剂、缓凝剂和早强剂等类型［1］。矿山充填材料添加剂是在混凝土添加剂的基础上发展起来的，由于两者所用的物料（骨料）的粒径大小和水灰比不同，使得充填添加剂的研究更偏向于细物料料浆的性能和效果，属于充填新材料，是充填工艺技术的发展方向之一［2］。
大量学者通过研究发现往充填料浆中添加外加剂可以改善料浆的流动性、缩短凝结时间。郑娟荣等［3］研究得出由引气剂和超塑化剂复合而成的泵送剂对胶结膏体料浆的分层度、坍落度、泌水性有明显改善。李秀峰等［4］研究发现，不同组分的外加剂可使煤矿膏体充填料浆的保水性能和可泵性能得到显著提高。李金鑫等［5］研究了不同种类的减水剂对充填料浆输送性能的影响，研究发现聚羧酸减水剂的效果要优于三聚氰胺减水剂和萘系减水剂。袁雪梅等［6］研制了一种早强剂，能够显著改善充填料浆的流动性，同时可较大幅度提高充填体早期强度。卫亚儒等［7］进行了外加剂对水泥、矿物组分、可溶碱等的作用机理和适应性的研究，分析了外加剂在尾矿膏体充填中的作用并对发展方向进行评析。
陕西某金矿使用上向进路充填采矿法，落矿方式为铣挖机掘进，辅以局部炮采，由于矿体稳固性较差，上向进路充填法的采场回采过程中每次进尺需进行素喷混凝土支护，地压管理工艺复杂且成本高，时常会出现采场垮落不能继续回采的现象，造成矿石损失，安全风险大。经研究后，采矿方法由上向进路充填采矿法变更为下向进路充填采矿法。采矿方法的变更，要求充填体有更高的强度，底部充填体强度28天要求达3MPa以上。现有的充填采取尾砂＋机制砂充填，灰砂比1:6，尾砂机砂比1:2，充填膏体质量浓度83%，料浆输送管道泵压15~18MPa，充填体强度28天2.102MPa。全机制砂充填，灰砂比1:8，28天4.38MPa，但全机制砂充填料浆流动性不足、充填体沉缩比高、运维工作量大、成本太高、不能有效利用尾砂等问题，所以研究超塑化强化剂的应用是企业发展的必有路线。
1超塑化强化剂机理
超塑化强化剂多为阴离子表面活性剂，其分子由亲水基团和憎水基团两个部分组成。其憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向水溶液，使水泥颗粒表面带有相同电荷，斥力作用使水泥颗粒分开，放出絮凝结构游离子。通过减少充填体内部水泥浆的表面张力或改变水泥颗粒的分散状态，从而发挥调节充填体水灰比和改良其性能的效果，适用于多种尾砂或矸石、板岩机制砂井下充填与冶炼渣固废的改造与延伸应用［8］，属于真正的绿色新材料。其作用包括：（1）润滑功能：让尾砂或矸石、板岩砂与胶材颗粒间不依赖水分子实现轻松移动，促进均匀拌和；让充填膏体表面形成润滑膜，顺畅在管道、巷道等场景中低阻力流动。（2）分数包裹功能：将胶材、尾砂或矸石板岩砂、水充分分散并形成稳定的匀质体，不离析、不泌水，有效防止分层。（3）强化胶结硬化功能：充分发挥每份胶材粒子与尾砂颗粒的水化硬化胶结性能，提升强度。
2试验研究
2.1试验材料
尾砂选取：矿山实际生产用尾砂，即浓密机底流尾砂（浓度79%）。
机制砂：矿山利用废石现场破碎生产的机制砂，粒径约7mm以下。
胶凝材料：42.5水泥。
改性材料：超塑化添加剂。
2.2充填料配比探索试验
针对矿山充填膏体添加不同掺量超强塑化剂情况
下的料浆性能及强度性能开展系统，全面试验。因取样样品重量限制，实验室试验设计5组适配比，分别为灰砂比1:4、1:5、1:6、1:8、1:10，尾砂机砂比1:1.3、1:1.15、1:1.2，试验如表1所示。
试块养护达到规定龄期（3d、7d）后，开展强度测试。养护完成后采用单轴抗压一体机进行单轴压缩实验，如图1所示。该试验机采用电液伺服位移控制的方式，位移速率为1mm/min。将试件放入压力机以固定的位移速率进行轴向压缩直至试件破坏。试验试样同批次预备试验三块，当两样误差小于15%时，求取平均值作为试验结果。
受检试件的抗压强度采用轴心受压形式。利用单轴抗压一体机测定其单轴抗压强度。计算公式为：
式中：P为破坏载荷，N；S为承压面积，m2。
将养护3d、7d龄期后进行强度测试后，测试结果，如表2所示。
2.3试验结果分析
采用全尾砂+水泥+超塑化强化剂（0.6%）制备井下充填膏体，实验室试验数据表明，充填体强度测试3d达0.65MPa，膏体流动性好，泌水率低，不离析，沉缩比小，各项试验指标均符合国家标准，完全满足矿山开采方式（上行开采）充填膏体要求。
采用全尾砂+机制砂+水泥+超塑化强化剂制备井下充填膏体，现场和实验室试验数据表明，充填膏体3d后测试强度均超过3MPa，流动性好，泌水率低，不离析，沉缩比小，各项试验指标均符合国家标准，完全满足矿山开采方式（下行开采）充填膏体要求。
3确定矿山应用最优参数
取陕西某金矿充填站浓度79%底流尾砂进行小试，统一加入0.5%的超塑化强化剂，共做12个不同配比，灰砂比分别为1:6、1:8、1:10，尾砂机砂比分别为1:1、1:2、1:3、1:4，统计三个时间梯度强度测试数据，为后续试验提供依据。
试块制备完成后放入井下进行养护，温度约12~15℃,到达合适龄期进行单轴抗压强度测试。测试结果如表3所示。
3.1试验计划
根据现场小试结果分析，灰砂比1:8，尾砂机砂比1:1是最优配合比，还需对超塑化强化剂的添加量进一步研究试验。试验配比共设三组，灰砂比1:8，尾砂机制砂1:1，超塑化强化剂添加量分别为0.5%、0.6%和0.7%，试验计划详如表4所示。
3.2试验过程
超塑化强化剂添加由固定流量加注系统输送至充填站主机搅拌桶，搅拌时间为1min，搅拌完成后投放至二级搅拌桶，二级搅拌桶投放至输送泵仓进行充填输送，前期底流尾砂不稳定，通过试验人员肉眼观察二级搅拌桶料浆性能和浓度壶测试料浆浓度以及充填输送泵泵压判断超塑化强化剂添加量的增减，待底流尾砂、充填质量浓度稳定后，由试验人员进行取样装块，试块由充填站工作人员送至井下充填部位附近进行养护，到达合适龄期进行单轴抗压强度测试。试块单轴抗压强度测试结果，如表5所示。
3.3试验结果分析
根据单轴抗压强度测试结果，得出充填最优配比为采用尾砂＋机制砂充填，灰砂比1:8，尾砂机砂比1:1，添加0.6%的超塑化强化剂，充填体28天强度3.15MPa，充填膏体质量浓度88%，料浆输送管道泵压11~13MPa，且充填料浆流动性好、浓度高、不离析、不泌水、不堵管、尾砂消耗大。
4结论
（1）超塑化强化剂的使用可以使尾砂充填采矿占比达到1/2以上；且充填体28天强度达到3MPa以上。
（2）超塑化强化剂的使用使充填浓度由原有83%提升到88%以上，增加膏体流动性和塌落度，降低泵送压力2MP以上，降低充填堵管风险，并有效减少泌水及缩短充填体初凝时间。
（3）通过对超塑化强化剂的应用研究，得出陕西某金矿最优充填配比，尾砂＋机制砂充填，灰砂比1:8，尾砂机砂比1:1，添加0.6%的超塑化强化剂。
参考文献
［1］张莉，化学外加剂对水泥水化历程的影响及作用机理研究［D］，武汉：武汉理工大学，2004.
［2］宋嘉栋，王长军，柳小胜.充填外加剂发展前景的探讨［J］.矿业研究与开发，2016，36（8）：12-15.
［3］郑娟荣，谷迪.减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究［J］.有色金属（矿山部分），2014，66（6）：60-65.
［4］李秀峰，陈印川，邸文平，等.膏体充填采煤用外加剂各组分作用探讨［J］.河北化工，2011，34（1）：48-50.
［5］李金鑫，孙伟，张盛友，等.不同减水剂对某矿高浓度充填料浆输送性能影响研究［J］.中国矿业，2021，30（11）：81-86.
［6］袁雪梅，张友轩.一种早强减水剂在矿山胶结充填中的试验研究［J］.矿业研究与开发，2016，36（10）：62-65.
［7］卫亚儒，王瑞廷，孙皞，等.外加剂在我国尾矿充填中的研究及应用进展［J］.中国钼业，2021，45（5）：1-5.
［8］宋中强，曹曙雄，侯运炳，等.新型胶凝材料在某铁矿配比方案优化中的应用［J］.矿业研究与开发，2020，40（2）：26-30.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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超塑化强化剂在金矿充填系统中的应用研究论文
人参与 2025-01-23 16:31:50 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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