磷石膏胶结充填体强度演化规律及充填体作用机理研究

磷石膏胶结充填体强度演化规律及充填体作用机理研究

填海法是保护土壤资源和生态环境、实现无浪费开采、消除重大风险的理想方式。经现场调研发现,位于湖北宜昌地区的某磷矿一般直接销售原矿,重选尾矿产出量远远低于充填骨料需求量,可能的充填骨料为湖北宜昌西部化工有限公司排弃的固体废料磷石膏,如能将磷石膏作为主要充填骨料充填至井下采空区,不仅可以解决矿山充填料来源问题,而且可以最大程度地减少磷石膏废弃物排放量,经济效益、社会效益和环境效益显著由于磷石膏是化工企业固体废料,强酸性且含有磷、氟等残留物本文通过激光粒度测试及X射线衍射的方法对磷石膏和重选尾砂的物理化学性质进行了测定与分析;通过多骨料充填体配比实验探究了不同养护龄期下的强度演化规律;利用电镜扫描(SEM)呈现了磷石膏胶结充填体的微观结构,并揭示了磷石膏胶结充填体作用机理。基于以上研究成果,论证了基于磷石膏的多骨料充填的可行性,不仅能改善矿山目前的回采安全性问题,而且可以为众多磷矿山提供工程借鉴,对提高磷矿资源开发利用总体技术水平,保护当地生态环境具有重要的示范效应。1填充材料的物理特性1.1充填材料的力学参数本文拟采用磷石膏和宜昌某磷矿重选尾矿作为充填骨料。比重、密度、渗透性及粒径组成是影响充填体强度的主要指标,经过多次取样,磷石膏和重选尾矿的物理力学参数测定结果如表1所示,粒径组成及粒径性状参数如表2～表3所示。由表中数据可知,磷石膏中约有83.5%的颗粒粒度小于0.075mm,且中值粒径只有0.013mm,相对一般矿山所用的充填骨料粒度而言,属于超细粒径的物料,充填料浆的质量浓度和充填体的强度均可能较低。重选尾矿(2mm以下)粒度相对较粗,有90.84%的粒度小于0.25mm,中值粒径为0.468mm,相比磷石膏粒度较粗,对充填体的强度有积极的影响。1.2骨料化学成分的测定磷石膏和重选尾矿的化学成分测定结果如表4～表5所示,由表可知:磷石膏的化学成分中90%为二水石膏(CaSO2多骨料结合试验2.1试验材料及参数确定本试验在对充填骨料的物化特性进行详细分析的基础上,对不同灰砂比、不同质量浓度的充填料浆进行强度参数测定。再结合具体矿山实际情况优选出配套的充填材料的最佳配比,以期实现技术可行、经济合理的基于磷石膏的多骨料充填技术。试验的充填骨料为磷石膏和重选尾矿(破碎至2mm以下);胶凝材料为普通32.5水泥;水为矿山生产用水。2.2充填料浆养护与强度测试(1)充填料浆制备。将按配比参数精确计量的试验材料依次缓慢倒入小型搅拌桶中,开启搅拌桶将各个物料进行充分搅拌均匀,一次搅拌时间约3～5min,制备成方案设计的均质的充填料浆。(2)充填试块浇筑。将制备好的充填料浆浇筑于70.70mm×70.70mm×70.70mm的标准三联试模中。(3)试模处理。试块浇筑完成之后,适当在其上方多浇一些料浆,使其自然沉降初凝之后,使用抹刀将模具上方多余的料浆抹掉,并抹平试块表面,待试块能够自立之后再进行试块脱模。(4)试块养护与强度测试。将编号分类之后的试块放在养护箱中按照设定的养护条件(温度18℃、湿度85%)进行养护,待养护龄期至7,28,56d之后,分别取出部分试块进行强度试验。2.3重选尾矿添加比例对充填体强度的影响7d和28d龄期试块的单轴压缩试验所得到的应力-位移曲线分别如图1和图2所示。56d龄期试块的单轴抗压强度测试结果如表6所示。试验结果表明:(1)添加重选尾矿可明显加快充填体的固结速度,同时充填体的早期及中期强度也相应增大。随着重选尾矿添加比例的增大,每组充填体早期(7d)强度依次为0.44,0.48,0.64,0.76,0.87,1.14,1.35MPa,中期(28d)强度依次为0.92,0.99,1.26,1.62,1.88,2.26,2.67MPa;(2)添加的重选尾矿虽然可以有效提高充填体强度,但其添加比例应在兼顾充填体强度和流动性的情况下,根据实验结果优化确定;(3)普通胶结充填体28d强度基本可以达到最终强度的80%以上,而磷石膏充填体28d强度仅为最终强度的40%～60%左右,即磷石膏充填体虽然早期强度较低,但其后期强度较高。3不同年龄的石膏磷酸酯填充体强度繁殖规律3.1不同龄期试块的养护体水化反应同一配比下养护龄期分别为7,28,56d的充填体的全应力-应变曲线如图3所示,由图3可知:养护龄期越长,充填体在单轴压缩过程中强度越大,加载到峰值荷载的应变越小,即应变率越小,说明随着养护龄期的增长,充填体逐渐由塑性向脆性转化,养护时间越长,充填体内部的水化反应越完全,水化产物也越稳定3.2各试块强度演化规律多骨料充填体7,14,28,56d及72d强度测试结果如表7所示,1～3号试块强度演化规律如图4所示,4～6号试块强度演化规律如图5所示。由测试结果可知:多骨料充填体的长期强度增长规律基本符合Logistic函数“S”型曲线的特征,早期强度增长平稳,增长较快且强度较高,中期强度可达到后期强度的50%左右,多骨料充填体的强度增长相对稳定。4多骨材料填充体强度发育的微观机制4.1充填体微观结构将灰砂比1∶10、质量浓度70%的多骨料充填试块放入养护箱养护到某龄期,中止水化,制作观察试样,7d和28d充填试块的微观结构如图6和图7所示。由图6可知:在水化7d时,棱柱状或板状的磷石膏结晶清晰可见,表面富集物消失,在CaSO4.2充填体内部类物多骨料充填体受压破坏形态如图8所示,由图8可知:磷石膏、重选尾矿混合料充填体的破坏形式与一般充填体的破坏形式一致,都是首先出现大的裂隙,然后发生大的片落现象,但是通过观察可以发现,除了大的片落之外,破坏的多骨料充填体只会产生极少的粉状物。多骨料充填体由于基本上都是由细颗粒胶凝而成的,细颗粒与胶凝材料粒度基本一致,经过充分混合均匀之后,再通过胶凝材料连接,故而其整体性良好,其内部只有很少的弱面。充填体受压时,只会产生大的片落现象,粉状物很少产生,属于脆性破坏。5充填体长期强度增长规律(1)磷石膏约有83.5%的颗粒粒度小于0.075mm,且中值粒径很小,只有0.013mm,属于超细粒径的物料,充填料浆的质量浓度和强度均较低。重选尾矿粒度相对较粗,有90.84%的颗粒粒度小于0.25mm,中值粒径为0.468mm,对充填体的强度有积极的影响。(2)用磷石膏作为充填骨料时,充填体的早期强度较低,普通胶结充填体28d强度基本可以达到最终强度的80%以上,而磷石膏充填28d强度仅为最终强度的40%～60%左右,即磷石膏充填体虽然早期强度较低,但其后期强度较高。(3)基于磷石膏和重选尾砂的多骨料充填体的长期强度增长规律基本符合Logistic函数“S”型曲线的特征,早期强度增长平稳,增长较快且强度较高,中期强度可达到后期强度的50%左右,多骨料充填体的强度增长相对稳定。(4)基于磷石膏