含膨润土充填料浆泌水特性分析

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.433

含膨润土充填料浆泌水特性分析

徐文峰^,, 饶运章^,, 李尚辉, 许威

江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000

Analysis on Bleeding Performance of Filling Slurry with Bentonite

XU Wenfeng^,, RAO Yunzhang^,, LI Shanghui, XU Wei

School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China

通讯作者: 饶运章（1963-），男，江西会昌人，博士，教授，博导，从事采矿工程、充填技术及环境岩土工程方面的教学研究工作。raoyunzhang@sohu.com

收稿日期: 2018-06-27 修回日期: 2019-01-17 网络出版日期: 2019-07-08

Received: 2018-06-27 Revised: 2019-01-17 Online: 2019-07-08

作者简介 About authors

徐文峰（1993-），男，江西高安人，硕士研究生，从事矿山充填理论与应用研究工作949087758@qq.com , E-mail：949087758@qq.com

摘要

为研究含膨润土全尾砂充填料浆的泌水特性与规律，以掺膨润土的良山铁矿全尾砂作为试验材料，进行以灰砂比、料浆浓度和膨润土掺量的三因素四水平正交试验，通过室内试验来观察料浆在不同膨润土掺量下的泌水现象，进而分析在全尾砂胶结充填中添加膨润土对料浆泌水性的影响。结果表明：在一定的变化范围内，总泌水率与各因素呈反比关系，其中料浆浓度对总泌水率的影响最大，其次是膨润土掺量，灰砂比最小；料浆的动态泌水过程大致划分为前期快速泌水和后期稳定泌水2个阶段，且每个阶段持续时间因不同配比条件的影响而不同；根据动态泌水过程，膨润土掺量对整个动态泌水率影响最明显，而料浆浓度和灰砂比的影响较小。

关键词： 全尾砂 ; 胶结充填 ; 充填料浆 ; 膨润土 ; 泌水性 ; 充填膨胀剂 ; 灰砂比 ; 正交试验

Abstract

The filling mining method has the advantages of preventing and controlling the collapse of the empty area，slowing down or avoiding surface subsidence. However，when filling deep ore bodies，the requirements for filling quality are becoming higher and higher.Due to the difference between the filling processes，there are technical problems in the filling process of the mine，including the problem of the topping in the cement filling. The effect of the ceiling in the goaf or the empty area directly affects the supporting effect of the surrounding rock.Due to the poor filling and filling effect，there are still a few centimeters to several tens of centimeters of gaps between the upper cementing surface of the filling body and the top plate.Due to the existence of this gap，the surrounding rock may collapse and，in severe cases，may even cause the upper rock mass to collapse, forming a subsidence on the surface.In the test，the whole tailings were used as the filling material，according to the slurry concentration of 65%，70%，75%，80%，the bentonite content was 0，5%，10%，15%，and the ratio of lime to sand was 1∶4, 1∶6，1∶8，1∶10，design three factors and four levels，a total of 16 orthogonal experiments. From the experimental observation data，when the dosage is 0，the total bleeding rate of the slurry is 5.6%~24.3%； when the dosage is 5%，the total bleeding rate is 5.2%~23.8%； when the dosage is 10%，the total bleeding rate is 3.5%~15.3%； when the dosage reaches 15%，the total bleeding rate of the filling slurry is reduced to 1.1% to 9.0%.The results show that the influence of slurry concentration on total bleeding rate was the most influential，then bentonite was the second and cement-sand ratio was the least.The dynamic bleeding process of slurry have two stages with early rapid bleeding stage and late stable bleeding stage. And the duration of the two stages is different under different proportion conditions. From the dynamic bleeding process，the most important factor influencing is bentonite content，but the concentration of slurry and the cement-sand ratio are small than bentonite content at the dynamic bleeding rate.

Keywords： fulling tailings ; cemented filling ; filling slurry ; bentonite ; bleeding performance ; filling expansive agent ; cement-sand ratio ; orthogonal experiment

PDF (990KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

徐文峰, 饶运章, 李尚辉, 许威. 含膨润土充填料浆泌水特性分析[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 433-439 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.433

XU Wenfeng, RAO Yunzhang, LI Shanghui, XU Wei. Analysis on Bleeding Performance of Filling Slurry with Bentonite[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(3): 433-439 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.433

充填采矿法具有预防和控制采空区坍塌、减缓或避免地表沉陷等优点。但对深部矿床进行充填开采时，易发生地表沉陷。矿山充填过程中存在若干技术难题，其中包括胶结充填中存在的接顶难题。充填采矿法充填接顶的质量直接影响着地下工作场地环境和矿区地表及周围构筑物的安全稳定^[1]。采空区接顶效果的好坏直接影响围岩支撑效果。由于充填体的上胶结面与顶板还有几厘米到几十厘米的空隙，这个空隙的存在，有可能导致围岩坍塌，严重时甚至导致上部岩体坍塌，在地表形成沉陷。针对充填接顶问题，国内外专家进行相关研究。瞿群迪等^[2]利用数值模拟软件研究发现充填采场接顶率不足是造成地面塌陷沉降的主要原因之一。韩兴华等^[3]和胡磊等^[4]研究认为在维持采空区围岩稳定性上，提高采空区充填接顶率作用更大。齐兆军等^[5]基于海底沉陷理论，认为必须对采空区进行合理的充填接顶。在提高充填接顶率方面，许多学者进行了相关充填材料中添加膨胀剂的试验研究。周旭等^[6]从矿山实际充填现场分析，通过在充填料浆中添加膨胀剂以提高采场充填接顶率。黄玉诚等^[7]在防火密闭墙的构筑设计中，通过在粉煤灰中加入KDB膨胀固化剂，发现其膨胀率达到20%，起到良好的膨胀充填墙接顶效果和密闭作用。在膨胀充填方面，蒋林华等^[8]采用膨润土代替水泥制成膨润土水泥砂浆，从微观角度分析得出添加膨润土水泥砂浆可显著降低砂浆弹性模量，提高砂浆的抗渗性能。郭万忠等^[9]研究了掺入粉煤灰和外加剂的无机固化膨胀材料，研究外加剂对材料浆液性能的影响。蓝志鹏等^[10]从料浆凝结时间分析外加剂对高硫充填体强度变化的影响。郭万忠等^[9]、Sang等^[11]和Ma等^[12]对于添加膨胀剂后的砂浆孔隙结构的形成机理进行了分析。

膨润土是实现充填体膨胀的一种材料，为分析添加膨润土后全尾砂充填料浆的泌水特性，本文通过设计正交试验，分析料浆浓度、膨润土掺量和灰砂比等因素对料浆泌水性能的影响以及泌水变化规律。

1 膨润土特性和试样制备

1.1 膨润土特性

膨润土是一种主要由蒙脱石组成的岩土矿物，其中的蒙脱石与早期水化过程中生成的钙矾石（AFt）和凝胶（C-S-H）^[13,14]，在干湿状态具有很强的吸水和膨胀特性。在膨润土浸水完成时，每蒙脱石单元吸水量为常数^[15]，定义膨润土中的蒙脱石孔隙率是实验样品中水的体积与浸水完成后蒙脱石固体颗粒体积之比，当水浸膨胀稳定时，用于表征蒙脱石每单位体积的吸水率。图1是膨润土的XRD衍射图，由图可知其主要成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO等。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 膨润土XRD光谱分析结果

Fig.1 XRD spectrum analysis results of the Bentonite

1.2 试样制备

在试验中，采用良山铁矿全尾砂和普通硅酸盐建筑水泥PC32.5作为充填材料，按照料浆质量浓度为65%、70%、75%和80%，膨润土掺量（膨润土与全尾砂的质量百分比）0%、5%、10%和15%，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10，分别组合配制并进行相关指标测试试验。设计3因素4水平，共16组正交试验样本，各因素及水平取值见表1。

表1 正交试验设计

Table1 Orthogonal experimental design

因素	水平值
因素	1	2	3	4
料浆浓度（A）	65%	70%	75%	80%
膨润土掺量（B）	0	5%	10%	15%
灰砂比（C）	1∶4	1∶6	1∶8	1∶10

新窗口打开| 下载CSV

2 含膨润土充填料浆泌水率测定

邓代强等^[16]研究认为当胶凝剂添加量和料浆浓度不同时，料浆的泌水沉缩量差异很大。本文定义充填料浆静置若干时间后最终泌水量占初始总料浆量的百分比为总泌水率 $α$ ；每个相应时刻的料浆泌水体积与初始总料浆体积的百分比称为动态泌水率 $β$ 。

2.1 试验过程

（1）试验准备。将量筒洗净沥干平稳放在试验桌上，倒入按照配比条件已制备好的充填料浆80 mL，加入料浆后，必须将料浆浆面轻抚平整，眼睛平视料浆面并记录初始数据，之后持续间隔5 min对量筒中的固液分离面进行准确读数。为避免组间存在偶然误差，试验人员必须保证每次进行第一次读数的时间间隔尽量一致，即以料浆浆面轻抚平整时刻为计时起点，第一次读数时刻为第0 min。

（2）观测并记录试验数据。严格按照泌水率测试操作步骤，如实记录对应时刻和对应试验相关组的泌水量，测试各组泌水率的过程中，对每组泌水量进行动态读数。试验结束后，根据式（1）和式（2）计算得到充填料浆总泌水率与动态泌水率。

α = (W_{总 泌 出 水 量} / W_{总 料 浆 量}) \times 100 %

（1）

β = (V_{时 刻 泌 出 水 量} / V_{总 料 浆 量}) \times 100 %

（2）

2.2 试验结果

从试验观测数据来看，料浆总量不发生变化，其中前10~35 min内泌水量变化较明显，即泌水量随时间的延长逐渐减少，最终趋于平缓。泌水量起初增加而后逐渐减少，通常在20~35 min以内可以达到最大泌水量。掺入膨润土的变化情况：当掺量为0时，料浆的总泌水率为5.6%~24.3%；当掺量为5%时，总泌水率为5.2%~23.8%；当掺量为10%时，总泌水率为3.5%~15.3%；当掺量达到15%时，充填料浆的总泌水率减小至1.1%~9.0%。

3 含膨润土充填料浆泌水规律分析

从试验数据可知料浆总泌水率随膨润土掺量、料浆浓度和灰砂比的变化趋势，进而分析料浆的泌水规律。当泌水停止时，初始浓度的料浆达到最大泌水量，因此可以获得充填料浆的总泌水率和对应时刻的动态泌水率，如图2所示。从各曲线中可以看出总泌水率和对应时刻的动态泌水率这2个参数随膨润土掺量、料浆浓度和灰砂比的变化规律。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 充填料浆动态泌水率

Fig.2 Dynamic bleeding rate of filling slurry

注：条件参数依次为料浆浓度、膨润土掺量和灰砂比

3.1 各因素对料浆泌水性的影响

根据试验数据计算出各因素下泌水率极差结果，并绘制出变化趋势图，见表2和图3。

表2 各因素泌水率极差结果分析

Table 2 Range analysis of bleeding rate of each factor

水平因素	料浆浓度（A）	膨润土掺量（B）	灰砂比（C）
极差值R	14.28%	9.26%	2.79%
1	18.10%	14.23%	10.45%
2	11.68%	12.44%	11.12%
3	6.35%	8.29%	10.06%
4	3.82%	4.97%	8.32%

新窗口打开| 下载CSV

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 充填料浆泌水率随各因素变化

Fig.3 Bleeding rate of filling slurry varies with each factor

根据各因素下的泌水率极差分析，不论掺膨润土与否，料浆质量浓度为65％～80％的充填料浆均存在泌水差异的现象。可以看出，试样料浆浓度越低，其泌水率越高。当料浆浓度大于75％时，泌水率表现为显著降低；当料浆浓度达到80％时，泌水率极低，表明此时充填料浆的流动性差，接近于膏体或似膏体。在一定的料浆浓度及膨润土量范围内，泌水率随二者的增加呈现出降低的趋势。当灰砂比由1∶4减小至1∶10的过程中，泌水率在灰砂比为1∶6时达到最大值，随之泌水率又表现为直线下降。

从表2和图3可知，各因素下的极差值表现出R（A）>R（B）>R（C）的关系，说明料浆浓度对泌水率的影响最大，其次是膨润土掺量，影响最小的是灰砂比。其主要原因是料浆浓度从60%增大至80%的过程中，各料浆浓度对应的含水量在逐渐减少，同时水泥水化过程需要水的参与，即进行如下反应：

S i O_{2} + 2 C a {(O H)}_{2} + H_{2} O \to C a O \cdot S i O_{2} \cdot x H_{2} O

（3）

A l_{2} O_{3} + C a {(O H)}_{2} + H_{2} O \to C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot x H_{2} O

（4）

A l_{2} O_{3} + C a {(O H)}_{2} + 2 S i O_{2} + 3 H_{2} O \to C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot 2 S i O_{2} \cdot 4 H_{2} O

（5）

当添加膨润土后，料浆的泌水率明显降低，且随着添加量的增加，泌水率随之降低。分析其原因如下：一是膨润土具有强离子交换性和吸水性，膨润土是由火山岩、变质岩和含有各种硅铝酸盐矿物的沉积岩形成的，这些矿物是在风化、热液蚀变或沉积变质作用下形成的^[17]。在风化条件与碳酸钙型水的长期相互作用下，蒙脱石由Na⁺和Ca²⁺互换，上层形成蒙脱石钙饱和，下层形成蒙脱石钠饱和，且在膨润土的变质过程中，蒙脱石晶体四面体中的Si⁴⁺和八面体中的Al³⁺全部或部分被其他阳离子替换，形成相对复杂的网络结构，使膨润土具有很强的离子交换和吸水性。因此，当膨润土中的蒙脱石进行离子交换时，为达到电位平衡，膨润土表现出强阳离子交换性，使得膨润土能够吸附相当于自重数十倍的水。二是当料浆处于渗透压力下，且蒙脱石层间隔非常小（10^-10 m）时，附近细颗粒周围的水与其发生反应，Bradbury等^[18]描述出在膨润土中水存在的3种状态，即蒙脱石晶层薄片间的孔隙中存在的水为层间水，团聚集合体间的孔隙内水位双层电水和自由水，膨润土颗粒就会进入聚集体的空隙，抑制水分子的通过，从而减少泌水。

3.2 充填料浆动态泌水规律分析

由图2可知，在55 min内各组的泌水量均达到最大值，其中最短时间为10 min，如第3、6、7组；最长为55 min，如第14组。第1、2、5、9组在20 min基本达到最大泌水量，而第4、10、11、13、16组达到最大泌水量的时间是35 min，第8、12、15组则是在45 min达到最大泌水量。因此通过图2将其整个泌水过程划分为2个阶段，如图4所示，分别是快速泌水阶段（0~t1时间段）和缓慢泌水阶段（t1~t2时间段），且各个阶段持续的时间因各配比不同而不同。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 动态泌水率变化规律图

Fig.4 Chart of dynamic bleeding rate change

图4中在0~t1时间段，料浆快速泌水，泌水速率较大，这主要与料浆中固体颗粒干涉沉降^[19]有关。泌水沉降过程中的固体颗粒，因各自高度不同，因此所受的有效应力各不相同。孔隙率在不同的高度处也不相同，即压力不同时，颗粒之间的孔隙是不同的。此时，固体颗粒处于松散过渡状态，颗粒与颗粒之间的孔隙较大，并且在重力和泥浆压力作用下重新排列。周围的细颗粒落入孔隙中，浆体结构发生不可逆的变形，从而压实料浆并提高浓度。孔之间的水分沿着打开的泌水通道上升至泥层上部。

随着时间的推移，固体颗粒沉降基本完成，因此在t1~t2时间段，当颗粒间的孔隙逐渐被微细颗粒填满，最后达到一个相对稳定的状态，根据膨润土的水化膨胀反应机理^[20,21]，在水化早期混凝土颗粒间隙中会发生反应生成微小的胶体状Ca（OH）₂，发生膨胀，之后水化产物经历轻微的微解和重结晶，并在后期的水化反应过程中SiO₂与Ca（OH）₂共同反应生成极多的纤维状C-S-H凝胶。同时存在的Al₂O₃大量吸水并与Ca（OH）₂、CaSO₄发生化学反应，生成钙矾石（AFT）。钙矾石属于结构尺度较大的一种晶体，容易在孔隙中和水化空间大的地方生成，在填充的致实孔隙内相互挤压排斥，相关反应如下：

2 C a {(O H)}_{2} + A l_{2} O_{3} + 9 H_{2} O \to C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot 10 H_{2} O

（6）

A l_{2} O_{3} \cdot 3 H_{2} O + 3 C a {(O H)}_{2} + 3 C a S O_{4} + 28 H_{2} O \to 3 C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot 3 C a S O_{4} \cdot 32 H_{2} O

（7）

反应生成钙矾石（AFT）和纤维状C-S-H凝胶填充到孔隙中，并逐渐堵塞孔隙，使得泌水速率减小，最后不变。因此，开始泌水时，泌水速率较大，之后转化为速率减小的阶段，最后达到稳定阶段不再泌水。

根据各组达到最大泌水量的时间不一，提取各组达到最大泌水量的时间，极差分析计算其结果如表3所示，R(B)>R(A)>R(C)，结果发现膨润土的掺入对达到泌水量最大值的时间影响最大，灰砂比最小。因此在充填料浆中掺入适量的膨润土，可以较好地改善充填效果，从表3可知，泌水平衡时间在矿山实际应用中有指导意义，充填时间应控制在1 h以内，最佳时间为30 min，综合技术经济指标，最优组合是膨润土掺量为10%，料浆浓度为80%，灰砂比为1∶10。

表3 各组泌水平衡时间极差结果分析

Table 3 Range analysis of bleeding equilibrium time in each group

水平因素	料浆浓度（A）	掺量（B）	灰砂比（C）
极差值R	16.25	21.25	8.75
1	23.75	21.25	25.00
2	30.00	22.50	23.75
3	25.00	32.50	31.25
4	40.00	42.50	28.75

新窗口打开| 下载CSV

4 结语

通过试验测定充填料浆泌水量，分析料浆浓度、膨润土掺量和灰砂比对泌水率的影响，得出充填料浆泌水率变化规律。

（1）当提高料浆浓度或膨润土掺量时，总泌水率降低，但减小灰砂比时总泌水率呈现出先升高后降低的趋势。在一定的变化范围内，总泌水率与各因素呈反比关系，且料浆浓度对料浆总泌水率的影响最大，其次是膨润土掺量，灰砂比最小。

（2）通过极差分析，影响料浆动态泌水的最主要因素是膨润土掺量和料浆浓度，灰砂比最小。从泌水率分析极差图和料浆泌水平衡时间极差图可得到最优解，综合经济与技术因素确定最优解：膨润土掺量为10%，料浆浓度为180%，灰砂比为1∶10。

（3）料浆动态泌水过程大致可划分为快速泌水和缓慢泌水2个阶段，不同配比因素水平下2个阶段持续时间不同。开始阶段料浆泌水更快，1 h后泌水量逐渐稳定，不再发生变化。因此,为避免大量积水降低充填体强度，影响充填效果，矿山企业应结合充填实际情况,合理利用料浆的泌水时间进行管道输送、清洗及充填区排水。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王新民，古德生，张钦礼 .

深井矿山充填理论与管道输送技术

[M]. 长沙：中南大学出版社，2010.