甲玛铜矿胶结充填体低温水化特征及其强度规律

关士良，李宗楠，许文远，李 欣

(1.西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850200； 2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160； 3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

0 引 言

在矿山膏体充填采矿中，目前国内外广泛采用的胶结剂是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥为由水硬性硅酸钙的熟料和少量的一种或几种类型硫酸钙共同磨细制成的一种水硬性胶凝材料，水泥颗粒发生水化后，生成了一系列的凝胶状胶体，这些胶体与充填颗粒一起形成胶凝体，增大了充填料浆中颗粒的内聚力，形成具有宏观强度的充填体，其中，对充填强度影响较大的是水泥熟料中的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)，水泥熟料在水化反应过程中形成水化产物(C—S—H凝胶)的质量和数量直接影响胶结充填体的质量，其中，充填体单轴抗压强度(UCS)是表征充填体质量好坏的重要指标之一[1-3]。影响充填体强度的因素包括内因和环境因素，其中内部因素如水泥含量(砂灰比)、尾砂粒度、料浆浓度等，环境因素包括温度和应力场等。对影响充填体质量的内因，众多科研工作者做了大量工作。刘超等[3]针对高寒地区破碎胶结充填体的物理力学特征开展了研究，探索了充填体强度与砂灰比、浓度、骨料粒度等之间的关系；赵国彦等[4]研究了低温高寒环境下尾砂胶结充填体的强度规律，并采用灰色关联分析方法探究了充填体强度对灰砂比、料浆质量浓度和养护时间等控制变量的敏感程度，表明了充填体强度随着灰砂比、料浆质量浓度和养护时间的增大而增大，影响充填体强度的最主要因素为灰砂比的内在规律；姜海强[5]围绕膏体的流动性、力学特性、大尺寸膏体充填体冻结特性以及含盐膏体流动与力学性能四个方面展开了系统的实验研究，揭示了膏体在养护过程中其内部温度场多场耦合作用的复杂现场，探索了低温环境下膏体性能的尺寸效应等。尽管国内外研究工作具有一定的借鉴意义和工程应用价值，但是，对于低温环境对充填体强度的影响规律，现阶段的研究工作仍然不足，尤其是低温条件下充填体强度损伤程度、原因、机理等的研究有待探明。

据相关统计，我国多年冻土区面积约为2.1×106km2，占国土面积的20%左右，冻土区域主要集中在我国西部高海拔地区[2,6-8]，因此，研究低温环境对充填体质量的影响规律，揭示胶结充填体低温水化特征及其强度规律对我国众多矿山具有实际意义。以西藏甲玛铜多金属矿为例，该矿山是典型的高海拔寒冷低温矿井，井下温度年均3～4个月处于10 ℃以下，局部中段5 ℃以下；矿山采用胶结充填，低温条件下，胶结充填体水化程度低、效率慢，其充填采场实际强度特征与实验室标准养护下的充填体存在一定差异，为保障充填体质量，实现矿山安全高效开采，需要对低温充填体强度形成过程及环境温度对充填体强度的影响规律开展研究，为探究合适的低温充填体物料配合与强度需求提供参考和依据。

1 矿山概况

研究以西藏甲玛铜多金属矿充填物料为对象，该矿位于西藏拉萨市墨竹工卡县境内，为西藏已探明的大型铜多金属矿床之一。矿区属于高海拔地区，海拔标高范围4 350～5 407 m，区内气候属典型的大陆高海拔性气候，雨季潮湿寒冷，冬季酷寒干燥，昼夜温差较大，矿区年平均气温6.0 ℃，极端最高气温为28.3 ℃，极端最低气温为-23.1 ℃；空气密度0.8 kg/m3，是标准状况下的60%左右[7]。该矿井下温度年均3.5个月处于10 ℃以下，井下极端最低温度-5 ℃，充填体长期处于低温环境之中，是典型的高海拔寒冷低温矿井[5,7-9]。矿山采用两步骤嗣后充填采矿法回采矿石，充填体质量直接影响整个矿山的安全、高效生产，对矿山可持续发展起到至关重要的作用，因此，深入研究低温条件下矿山充填体强度特征规律对于指导矿山充填设计、合理选定充填工艺参数以及研究矿岩-充填体低温力学状态，对实现安全高效采矿具有重要的实用价值[10-13]。

2 低温UCS试验

2.1 试验材料

1) 尾砂。实验室内采用比重瓶法测定尾砂相对密度为3.19，采用容砂法测定尾砂堆积密度为1.39 g/cm3，计算孔隙率为56.5%。采用电感耦合等离子光谱发生仪(ICP)，对尾砂中所含的金属元素进行半定量分析，结果显示：尾砂中Fe元素含量相对较高，约8%，依次为Mg、Al、Ca、Mn等元素；根据半定量测试结果，对主要化学元素开展了定量化学元素分析，结果显示：尾砂中SiO2、Al2O3的含量较高，分别达到了42.73%和8.27%；通过XRD图谱分析出该尾砂的矿物组成以二氧化硅、方解石为主，此外还含有一定量的磁绿泥石和少量的氢氧化镁铝水化物、硅灰石[14-16]。粒度测试采用马尔文激光粒度测试仪，测得结果为：尾砂比表面积0.890 m2/g，0.037 mm以下尾砂颗粒占比49.81%，0.074 mm以下尾砂颗粒占比65.26%，测试结果见表1。

2) 水泥。试验用胶凝材料为普通硅酸盐水泥PC42.5，为矿山实际生产用水泥。

3) 充填水。取背景矿山生产用水用于室内配比试验，试验前开展充填水物理指标测试，测得充填水pH值为7.62，评定为弱碱性水，水中硫酸根离子含量较高，为308.6 mg/L;其次为氯离子，含量为7.59 mg/L，硝酸根和亚硝酸根离子含量不足0.5 mg/L。

2.2 试验设计

开展充填试块室内试验，试验设计养护温度、砂灰比与充填料浆质量浓度2×4×4全系列试验，具体包括：①养护温度：20±2 ℃、5±1 ℃；②砂灰比：4、6、8、10；③充填料浆质量浓度：68%、70%、72%、74%。

试验制备8组样，每组浇筑3件同型立方体试块，试块规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。试件浇筑好后，按设计养护温度开展恒温养护，养护湿度均设定为90%，养护龄期28 d后，采用WHY-200型万能压力试验机测试其单轴抗压强度(UCS)。每组试块在完成UCS试验后，取试块中间部分局部试样烘干24 h，喷金后做扫描电镜分析，扫描电镜试验采用美国FEI Quanta 600扫描电子显微镜。

2.3 UCS测试结果及分析

据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》开展单轴抗压强度测试工作，测得不同浓度下试块抗压强度，并绘制20 ℃和5 ℃养护条件下UCS测试结果强度对照图(图1)。

表1 尾砂粒度测试结果Table 1 Tailings particle size

图1 低温养护条件下强度对照图Fig.1 Strength contrast under low temperature curing condition

测试结果可以看出，5 ℃养护条件下，充填试块强度普遍降低，5 ℃养护环境下，对比标准20 ℃养护环境，试块单轴抗压强度见表2。

从图1和表2可以看出，5 ℃养护环境条件下，充填试块强度整体降低，不同程度的强度减少，减幅5%～30%不等，且试块强度绝对值越高，降幅越大。具体表现：与标准养护环境相比，5 ℃养护条件下的单轴抗压强度降低情况，以浓度68%系列为例，砂灰比为4时，降低0.85 MPa，平均降幅27%；砂灰比为6时，降低0.54 MPa，平均降幅25%；砂灰比为8时，降低0.26 MPa，平均降幅18%；砂灰比为10时，降低0.02 MPa，平均降幅5%。

表明水泥含量越高，强度损失越大，主要原因是充填试块固结过程中，水泥水化过程受低温环境影响，抑制了钙矾石(AF3)和C—S—H凝胶的生成，进而影响充填试块强度的宏观表现，表2中4个浓度系列下的强度损失情况充分说明了这一规律。整体强度规律特征如图2所示。

图2可以直观反映不同水泥含量条件下的强度损失情况，其中，砂灰比为4时，平均强度损失26.9%；砂灰比为6时，平均强度损失18.4%；砂灰比为8时，平均强度损失16.3%；砂灰比为10时，平均强度损失8.4%。

3 充填体微观结构

影响强度的主要因数是充填体中水泥的水化反应，而水化反应受养护温度、养护龄期、料浆质量浓度和灰砂比控制或制约。水泥水化过程一般过程为：水泥加水后，硅酸三钙(C3S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝四钙(C4AF)均很快水化，同时石膏迅速溶解，形成Ca(OH)2与CaSO4的饱和溶液，水化产物首先出现六方形板状的Ca(OH)2与针状的AFt相以及无定形的C—S—H凝胶。随后由于不断生成AFt相，溶液中硫酸根粒子不断减少，继而形成六片状AFm相及C—A—H晶体和C4(AF)H13晶体，从而产生强度。

表2 低温环境下强度降低情况Table 2 Strength loss under low temperature curing condition

图2 低温养护环境下充填试块强度损失情况Fig.2 Contrast of strength loss underlow temperature curing condition

图3 1∶10充填体微观结构特征Fig.3 Microscopic characteristic of filling body with cement rate 1∶10

图4 1∶4充填体微观结构特征Fig.4 Microscopic characteristic of filling body with cement rate 1∶4

以20 ℃养护温度为基准，开展5 ℃养护温度强度试验，设定龄期为28 d，按照前面试验设计开展充填体试块UCS试验与SEM试验，其中，SEM试验分别观察两组(2 000倍和10 000倍标尺下)充填体内部微观结构发育特征，其中2 000倍标尺下主要分析充填体内部微观结构致密性，而10 000倍标尺下主要分析充填体内部水化产物。由于篇幅限制，仅给出浓度为72%，1∶4和1∶10两种灰砂比的充填体微观结构，如图3和图4所示。

由图3和图4综合分析可得如下结论。

1) 图3(a)与图3(b)对照分析可知，20 ℃养护温度下的充填体微观结构比5 ℃养护温度下的充填体较为致密，水化产物较多；在图3(c)与图3(d)对照分析可知：20 ℃养护温度下的充填体微观结构比5 ℃养护温度下的充填体更为致密，水化产物更多。图4中水泥含量较高，5 ℃养护条件与20 ℃养护条件下微观结构的致密性同图3规律，晶体质量(晶体成型、粗细度等)、致密性均比图3好很多。

2) 试验现象整体分析表明，在20 ℃养护温度下，胶结充填体微观结构的致密性和水化产物均高于5℃的养护温度，说明低温环境抑制了水泥的水化反应，使充填体内部的水化产物少，微观孔隙结构加大，造成宏观强度降低。

3) 水泥含量越多，充填体强度受养护温度影响越明显，从微观结构致密性和水化产物分析，灰砂比1∶4充填体比1∶10的充填体更容易受养护温度的影响。

4) 测试结果表明，甲玛矿区充填体强度受温度影响明显，相同物料配合条件下，室内试验测得的强度数据至少需考虑30%左右的安全富裕，在二步骤回采设计过程中，井下采场所需充填体强度计算过程中均需考虑温度的影响。

4 结 论

1) 对高寒地区甲玛矿尾砂开展了低温充填体单轴抗压强度(UCS)室内试验，测试结果表明，在5 ℃养护条件下，试块单轴抗压强度总体降低，强度降低幅度在5%～30%之间，水泥含量越高，降幅越大，其中，砂灰比为4时，单轴抗压强度降低值最高，平均降低达27.0%。

2) 对低温养护环境下的充填体试块强度降低的宏观规律进行了分析，根据SEM试验结果，对水泥水化产物晶体的分布、发育等情况进行了分析，结果表明：5 ℃养护条件下，水化产物Ca(OH)2与针状的AFt相以及无定形的C—S—H凝胶数量较少，晶体微观致密性总体较差，解释了充填体宏观强度折减的根本原因在于低温抑制了水泥水化进程。