充填体强度总结.docx
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充填体强度总结
充填体强度总结
不同矿山充填体强度总结
北京科技大学
武钢矿业有限责任公司大冶铁矿
2011-5-12
1．充填体强度影响的主要因素
充填体强度的高低直接影响着矿体能否安全、持续地开采，因此对影响充填体强度因素的分析意义重大。
影响充填体强度的因素很多，一般包括有材料方面因素、制备因素、施工条件等几个方面。
所配制的胶结体强度的高低是各种因素综合作用的结果。
实践证明，充填体强度影响的主要因素有：
水灰比、骨料粒级级配、水泥标号等。
1.1水灰比
所谓水灰比即单位体积混凝土中水与水泥的重量比，水灰比对胶结体强度影响很大。
充填体强度随水泥含量的增加而增加。
水泥添加量少时，水泥含量对强度影响不大；当水泥添加量大时，充填体强度才随水泥含量增加而急剧增加。
相反如果水量增加时，充填料在充填过程中将会出现严重的离析现象，充填体中将出现胶结好与坏的分层现象，从而导致其强度大大降低。
因此合理的水灰比应满足强度和流动性的要求，也就是说水灰比不可无限度地降低，在实际充填时必须满足砂浆输送浓度的要求。
目前，管道输送砂浆浓度在65%~72%之间，水灰比在2～10以内变化。
大量资料表明，充填体的强度随砂浆浓度增加而增大，即水灰比减小而强度增大。
实践证明，砂浆由65%提高到70%时，充填体强度提高25%~35%。
1.2骨料粒级级配
骨料是胶结充填体的基本部分，骨料级配及质量不仅对胶结料的和易性有很大影响，而且对强度影响也很大。
级配优良、骨料均匀系数合理、质地坚硬的骨料能增长胶结体的密实性和强度。
一般来说粗骨料在骨料中的比例应达到60%~70%，且粗骨料富有棱角、表面粗糙时，与水泥浆的黏性就大，强度就高；反之亦然。
细骨料应达到30%~40%，细骨料能改善砂浆的输送性能，可防止离析现象的发生，最重要的是能充填到粗骨料之间的空隙中，增大胶结强度。
例如，新桥全尾胶结充填尾砂矿粒较细，0.05mm以下颗粒占65%以上，中值粒径（粒级组成曲线上累积含量50%时对应的颗粒粒径）仅为0.029mm，渗透系数小（1.62x10-4），粘性大，不利于充填体脱水和快速硬化，必然影响胶结充填体强度。
粘性较大的新鲜全尾矿堆放过程中随着水分的逐渐蒸发，在压力作用下容易结块粘结成团，且堆放时间过长易结块，均不利于储存和输送，为此新桥矿通过调整全尾矿储存和输送的方式，降低堆放高度，增加了打散、破碎装置，采用尾矿活化运输等方式保证下料顺利生产的正常运行，粘性物料可以通过综合工程技术手段，解决易粘结成团，不易输送和搅拌的难题。
需尾矿粒级组成比较均匀，不均匀系数
数（粒级组成曲线上累积含量60%时，对应的颗粒粒径与累积含量10%的对应颗粒粒径之比）较小，属均匀的粘土类，制浆时易于混合，便于管道输送，充入采场后，有利于减少水泥的离析。
1.3水泥标号
根据经验公式：
式中：
-胶结体在标准条件下养护28d的抗压强度，kg/cm2；
-水泥标号；
A-试验系数，一般取0.4~4.5；
B-试验系数，一般取为0.5；C/W-灰水比。
从式中可以看出，胶结体强度随水泥标号的增加而增加。
因此在实际生产中采用高标号水泥对其提高强度很有益处。
而实践证明，用高标号水泥比低标号水泥其技术经济效益更好。
此外，充填体养护时间、环境温度、水质、制备、充填方式等都对充填体强度有一定的影响。
因此在实际生产中，必须加强管理，综合分析各因素对强度带来的影响。
2．提高采后充填体强度的主要措施
为了使充填体的强度达到预定要求，通常采用增加水泥用量的办法。
但增加水泥用量会使采矿成本明显增加，因此仅仅通过增加水泥用量来达到提高充填体的承载能力的办法是不可取的。
合理的办法应该综合考虑影响充填体强度的诸因素，选择适当的参数值。
（1）提高分级尾砂质量浓度；
（2）在充填体浇灌两周内脱干其内部多余水，充填体强度不会有明显的下降；
（3）加强胶结充填采场通风，由于采场充填水泥用量较大，故散热多，胶结充填体在正常通风散热的情况下，可保证其充填体强度。
（4）在尾砂胶结充填过程中适当添加絮凝剂，这样不但可以减少尾砂在充填过程中沉淀，而出现的堵管事故，同时可以最大限度地减小采场充填体的分层离析现象。
（5）可以借鉴建筑工业中捣固混凝土一样，借助振动器搅拌充填料，这样可以明显提高充填体强度。
一般情况下充填料浆充到井下后，在脱水的工艺过程中，由于少部分细粒水泥浆流失，采场充填体平均强度比实验室测得的强度低30%左右。
若考虑到搅拌不充分、浓度偏低等因素，采场充填体强度比试验设计值更低。
3．国内外部分矿山充填材料类型及强度
表3.1国内外部分矿山高大采场充填体配比设计
表3.2国内外部分胶结充填矿山充填体力学参数
4．大冶铁矿
4.1尾砂物理化学特性
粒径目与毫米的换算见表4.1，通过湿筛分级法测得大冶铁矿尾砂的粒级组成如下表4.2。
表4.1粒径目与毫米的换算
目
毫米
目
毫米
目
毫米
目
毫米
2.5
8.00
12
1.40
60
0.250
270
0.053
3
6.70
14
1.18
65
0.212
325
0.045
4
4.75
16
1.00
80
0.180
400
0.038
5
4.00
20
0.85
100
0.150
500
0.031
6
3.35
24
0.71
115
0.125
600
0.025
7
2.80
28
0.60
150
0.106
800
0.019
8
2.36
32
0.50
170
0.090
1000
0.015
9
2.00
35
0.425
200
0.075
1500
0.010
10
1.70
48
0.300
250
0.063
3000
0.005
表4.2尾砂的粒级组成
种类
粒级分布
全尾砂
细度（目）
<500
500~325
325~200
200~150
150~100
100~80
>80
粒径μm
-25
+25-45
+45-75
+75-106
+106-150
+150-180
+180
占有率%
56.7
10.8
11.2
7.4
7.8
3.2
2.9
累计率%
56.7
67.5
78.7
86.1
93.9
97.1
100
分级尾砂
细度（目）
<500
500~325
325~200
200~150
150~100
100~80
>80
粒径μm
-25
+25-45
+45-75
+75-106
+106-150
+150-180
+180
占有率%
14.1
3.1
15.4
19
22.6
4.4
21.4
累计率%
14.4
17.2
32.6
51.6
74.2
78.6
100
图4.1尾砂粒径累计分布曲线
根据测试结果得出全尾砂和分级尾砂的粒径累计分布曲线如图4.1。
从粒径分布图中可看出，全尾砂的中值粒径d50约为25
，分级尾砂的中值粒径d50约为106
。
4.2充填体强度
4.2.1325#水泥-全尾充填体强度
表4.3全尾砂胶结充填体单轴抗压强度（325#水泥）
灰砂比
龄期
不同料浆浓度试件的单轴抗压强度（MPa）
65%
68%
70%
73%
75%
1︰4
3d
0.28
0.36
0.46
0.6
0.84
7d
0.81
0.96
1.39
1.61
1.96
28d
2.15
2.88
3.68
4.62
5.48
1︰5
3d
0.27
0.31
0.39
0.48
0.66
7d
0.72
0.81
1.34
1.58
1.91
28d
1.80
2.22
3.02
3.91
5.00
1︰6
3d
0.26
0.35
0.34
0.44
0.51
7d
0.69
0.80
1.30
1.53
1.89
28d
1.34
1.60
2.13
2.85
3.74
1︰8
3d
0.18
0.22
0.28
0.36
0.41
7d
0.31
0.39
0.56
0.66
0.70
28d
1.05
1.36
1.78
2.11
2.61
1︰10
3d
0.15
0.20
0.26
0.37
0.38
7d
0.24
0.36
0.44
0.58
0.63
28d
0.61
0.79
1.14
1.43
1.81
4.2.2325#水泥-分级尾砂充填体强度
表4.4分级尾砂胶结充填体单轴抗压强度（325#水泥）
灰砂比
龄期
不同料浆浓度试件的单轴抗压强度（MPa）
65%
70%
75%
1︰4
3d
0.52
0.94
1.36
7d
1.19
2.67
3.47
28d
2.96
5.20
6.86
1︰5
3d
0.49
0.81
1.22
7d
1.09
1.95
2.63
28d
2.34
3.48
5.77
1︰6
3d
0.42
0.69
1.01
7d
0.98
1.60
1.99
28d
1.81
2.78
3.93
4.2.3固结剂-分级尾砂充填体强度
表4.5固结剂分级尾砂胶结充填试件单轴抗压强度
灰砂比
龄期
不同料浆浓度试件的单轴抗压强度（MPa）
65%
70%
75%
1︰4
7d
2.89
3.41
4.08
28d
5.92
6.94
8.16
1︰5
7d
1.72
2.36
3.36
28d
3.96
5.23
6.87
5．程潮铁矿
5.1尾砂特性测试结果
表5.1程潮尾矿粒径累计分布表
粒径（
）
体积（%）
积累（%）
粒径（
）
体积（%）
积累（%）
2.22
0.33
0.33
40.72
3.92
56.81
2.70
0.79
1.12
49.43
3.81
60.62
3.20
1.44
2.56
60.00
4.27
64.89
3.98
2.16
4.72
72.84
4.87
69.76
4.83
3.20
7.92
88.42
5.30
75.06
5.86
4.97
12.89
107.33
5.32
80.38
7.11
6.07
18.96
130.29
4.93
85.31
8.64
5.98
24.94
158.17
4.41
89.72
10.48
4.86
29.80
192.00
3.74
93.46
12.73
3.93
33.73
233.07
2.92
96.38
15.45
3.69
37.42
282.93
1.80
98.18
18.75
3.68
41.10
300.00
0.62
98.80
22.76
3.81
44.91
450.00
1.05
99.85
27.63
3.95
48.86
900.00
0.15
100.00
33.54
4.03
52.89
从粒径分布图5.1中可看出，D10=5.22
，D50=29.79
，D90=169.48
，D97=278.21
，Dav=60.65
。
全尾砂的中值粒径D50为29.79
，按尾砂粒径分布分类，全尾砂-29.79
的细颗粒含量约占50%。
图5.1实验过程中程潮尾矿粒径累计分布曲线
（1）
表5.2选铁尾矿粒度筛析结果
粒级（
）
产率（%）
品位（%）
回收率（%）
个别
负累积
Fe
S
Fe
S
>154
38.11
100.00
7.50
4.46
27.66
24.03
100<<154
13.21
61.89
11.08
9.20
14.15
17.19
76<<100
6.00
48.68
11.82
9.69
6.86
8.22
<76
42.68
42.68
12.44
8.38
51.33
50.56
∑
100.00
/
10.34
7.07
100.00
100.00
图5.2矿山上尾矿粒径累计分布曲线
由图2.4可以看出，粒径小于76μm约占70%，粒径76～100μm约占8%，100~154μm约占7%，大于154μm约占15%。
而矿山提供给我们的粒径分布则是小于76μm约占42.68%，粒径76~100μm约占6%，100～154μm约占13.21%，大于154μm约占38.11%。
从对比可以看出实验室用的尾砂要细一些。
5.2普标325#硅酸盐水泥-全尾充填体强度测试
表5.3全尾砂胶结充填单轴抗压强度（普通标号325#硅酸盐水泥）
灰砂比
龄期
不同料浆浓度试件的单轴抗压强度（MPa）
63%
65%
68%
70%
72%
75%
1：
4
3d
0.54
0.59
0.82
1.06
1.31
1.88
7d
0.72
0.89
1.64
1.90
3.83
4.06
28d
2.92
5.12
7.16
8.13
8.59
10.80
1：
6
3d
0.49
0.53
0.71
0.82
1.20
1.62
7d
0.51
0.84
1.19
1.49
1.80
2.49
28d
1.63
3.63
4.39
5.05
5.26
8.84
1：
8
3d
0.41
0.47
0.57
0.64
0.73
1.24
7d
0.49
0.81
0.96
1.43
1.55
2.26
28d
1.26
1.41
1.66
1.92
2.37
3.10
1：
10
3d
0.28
0.30
0.41
0.48
0.57
0.68
7d
0.47
0.50
0.52
0.74
0.93
1.19
28d
1.10
1.23
1.29
1.33
1.49
2.47
6．金山店铁矿
6.1尾砂特性
表6.1金山店尾矿粒径累计分布表
粒径（
）
体积（%）
积累（%）
粒径（
）
体积（％）
积累（%）
2.22
0.34
0.34
33.54
3.98
55.56
2.70
0.80
1.44
40.72
3.84
59.40
3.20
1.44
2.58
49.43
3.69
63.09
3.98
2.25
4.83
60.00
3.77
66.86
4.83
3.44
8.27
72.04
4.03
70.89
5.86
5.35
13.62
88.42
4.29
75.18
7.11
6.64
20.26
107.33
4.21
79.39
8.64
6.58
26.84
130.29
3.81
83.20
10.48
5.15
31.99
158.17
3.46
86.66
12.73
3.93
35.92
192.00
3.92
90.58
15.45
3.70
39.62
233.07
4.24
94.82
18.75
3.83
43.45
282.93
3.58
98.40
22.76
4.03
47.48
300.00
1.60
100.00
27.63
4.10
51.58
图6.1金山店尾矿粒径累计分布曲线
从粒径分布图6.1中可看出，D10=5.22
，D50=26.79
，D90=181.48
，D97=258.21
，Dav=60.65
。
全尾砂的中值粒径D50为26.79
，按尾砂粒径分布分类，全尾砂-26.79
的细颗粒含量约占50%。
6.2充填体强度测试
6.2.1325#硅酸盐水泥-全尾砂胶结充填体强度
表6.2全尾砂胶结充填单轴抗压强度（325#硅酸盐水泥作为胶结剂）
灰砂比
龄期
不同料浆浓度试件的单轴抗压强度（MPa）
60%
65%
68%
70%
75%
1：
4
3d
0.34
0.96
1.45
2.09
2.27
7d
1.57
3.46
4.18
4.74
4.89
28d
2.86
4.54
5.58
7.55
9.23
1：
6
3d
0.30
0.79
1.13
1.42
2.14
7d
0.87
1.54
2.15
2.65
3.58
28d
0.99
1.35
2.77
3.75
4.74
1：
8
3d
0.27
0.72
1.03
1.24
1.69
7d
0.55
0.77
1.57
1.93
2.28
28d
0.77
1.09
1.69
2.51
2.95
1：
10
3d
0.22
0.68
0.91
1.19
1.54
7d
0.45
0.71
1.14
1.34
1.99
28d
0.59
0.85
1.64
2.21
2.52
6.2.2固结剂1-全尾砂胶结充填体强度
表6.3固结剂1的单轴抗压强度
不同
浓度
龄期
不同灰砂比试件的单轴抗压强度（MPa）
1：
4
1：
6
1：
8
1：
10
60%
3d
0.40
0.27
0.09
0.04
7d
1.67
0.87
0.59
0.35
28d
2.61
1.94
1.32
0.72
65%
3d
1.0
0.50
0.18
0.11
7d
2.33
1.03
0.79
0.47
28d
3.39
2.85
1.59
1.27
6.2.3固结剂2-全尾砂胶结充填体强度
表6.4固结剂2的单轴抗压强度
不同
浓度
龄期
不同灰砂比试件的单轴抗压强度（MPa）
1：
4
1：
6
1：
8
1：
10
60%
3d
0.60
0.51
0.11
0.09
7d
1.38
0.57
0.39
0.27
28d
2.30
1.26
0.74
0.48
65%
3d
1.23
0.55
0.19
0.13
7d
2.26
1.46
0.66
0.47
28d
3.18
1.85
1.24
0.79
7．冬瓜山
7.1尾砂特性
冬瓜山铜矿磨矿和选矿工艺的特点从某种程度上决定了尾砂的某些物理化学性质，其充填用全尾砂粒度非常小。
通过选厂底流尾砂取样，测定了其物理性质，见表7.1。
粒度组成测定结果见表7.2，其中d10=-2.943~3.265μm，d50=36.753~40.668μm，d90=-247.598~248.624μm，不均匀系数a=d90/d10=76.1~84.1。
表7.1全尾砂粒级组成
7.2充填体强度测试
7.2.1425#水泥-全尾砂充填试块强度
表7.2充填站425#水泥-全尾砂充填试块强度（浓度73%）
7.2.2新型胶结材料-全尾砂充填试块强度
表7.3新型胶结材料-全尾砂充填试块强度（浓度73%）
8．焦家金矿
8.1尾砂特性
全尾砂的最大粒径为0.5mm，平均粒径为0.0864mm，D60=0.1mm，D50=0.055mm，D10=0.0025mm。
图8.1全尾砂粒级分布曲线
8.2425#水泥-全尾砂充填体强度
表8.1单轴抗压强度测定值（MPa）
9.小结
测试表明大冶铁矿尾砂-200μm比例达到78%～80%，程潮铁矿-200μm比例约为70%，金山店铁矿-200μm约为72%，冬瓜山-200μm约为63%。
大冶铁矿全尾中细颗粒含量较高，与程潮铁矿和金山店铁矿同配比充填体相比强度最低。
在武钢矿业公司下属三个矿山中，采用325#水泥作为胶结材料，按照1:
6灰砂比，程潮铁矿料浆浓度在68%以上时充填体强度试验值可以超过4MPa；金山店铁矿料浆浓度为70%时充填体强度试验值达到3.7MPa，浓度达到75%时强度达到4.7MPa；大冶铁矿料浆浓度为70%时充填体强度为2.1MPa，料浆浓度为73%时充填体强度为2.8MPa，料浆浓度为75%时充填体强度为3.7MPa。
根据以上资料，众多矿山采用425#水泥或者针对尾砂特性开发的胶结剂作为胶结材料。
特别是冬瓜山采用新型胶结材料后1:
8灰砂比充填材料强度由0.95MPa提高到5.05MPa。
通过以上分析，不考虑充填系统存在的缺陷，从充填材料方面可以从以下几个方面提高大冶铁矿充填体的强度：
（1）采用425#水泥作为胶结材料，测试充填体强度；
（2）针对大冶铁矿尾砂特性，研究新型胶结材料；
（3）提高充填料的浓度；
（4）作为支撑矿柱的充填体采用分级尾砂或废石胶结充填，矿房采用全尾充填。
另外应该注意的是，实验室测试强度和现场测试强度存在差别，充填体作为矿柱，设计时应有一定的安全储备。
一般情况下，充填料浆充到井下后，在脱水的工艺过程中，由于少部分细粒水泥浆流失，采场充填体平均强度比实验室测得的强度低30%左右。
若考虑到搅拌不充分、浓度偏低等因素，采场充填体强度将比试验设计值更低。
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