胶结充填开采具有低碳、安全及环保等诸多优势，因此在矿山开采中得到了广泛应用。以往实践工作表明，合理的充填材料配比参数是保障矿山充填生产安全和质量的关键（侯永强等，2021；张连富等，2018）。充填骨料类型和混合方式对其级配特性和密实度具有显著影响，优良的级配能够使混合骨料形成密实骨架结构，在同等条件下可显著提升充填体的力学性能（Wu et al.，2018；高谦等，2019；尹升华等，2020）。充填浆体的流动性和流变性是表征其管道输送性能的主要指标，影响浆体管道输送性能的因素较多，其中骨料类型与级配、胶凝材料及质量浓度的影响最为显著，合理的配比参数可使浆体获得优良的特性，进而避免离析、沉降和堵管等现象的发生（Deng et al.，2018；温震江等，2020；李立涛，2020；巴蕾等，2020）。

下向进路胶结充填法是金川矿区开采厚大破碎高品位矿床的有效采矿方法，该方法不仅工艺复杂、成本高，而且对充填体质量要求极高（郭慧高等，2021）。近年来，学者们围绕金川矿区充填粗骨料级配特性、充填体力学特性及充填浆体管输特性等开展了大量探索研究（张鹏等，2021；杨天雨等，2021；尹升华等，2021；侯永强等，2021），取得了若干成果，进一步丰富了粗骨料充填理论体系，对指导矿山精细化充填具有重要意义。然而，以往研究并未充分考虑自然状态下多元骨料混合比率对充填体强度和浆体输送特性的影响，也未探究使用固废基新型胶凝材料替代水泥后粗骨料的充填特性。随着矿区开采深度的增加及开采能力的提升，充填骨料供需矛盾日趋凸显，一方面充填骨料的成本持续升高，另一方面高地应力引发的充填体顶板开裂、坍塌等风险不断增加，势必对充填体质量和充填成本提出更高的要求。因而，亟需探寻成本低且来源广的充填替代材料，并对其充填性能进行系统研究。

为此，本文以金川集团龙首矿为工程背景展开了研究。在现有生产工艺的基础上，将棒磨砂粒径调至-5 mm，并分别选用-12 mm废石和新型固结粉替代部分棒磨砂和矿山38.5R特供水泥，在室内开展混合骨料充填体力学试验，以及浆体流动性、流变性和泌水试验，研究废石/棒磨砂比值对充填体强度及浆体流动性、流变性和泌水性指标的影响规律，从而获取最佳配比参数。该研究为矿山充填材料及配比优化设计提供了科学依据，也为龙首矿应用混合粗骨料及新型固结粉进行充填作业提供了理论支撑。

（1）试验所用的充填粗骨料由废石和棒磨砂组成（图1），均采自龙首矿充填站。废石密度为2.87 g/cm³，容重为1.54 g/cm³，孔隙率为40.11%；棒磨砂密度为2.67 g/cm³，容重为1.59 g/cm³，孔隙率为40.64%。采用X射线荧光光谱法（XRF）对粗骨料的化学成分进行测试，结果如表1所示。由表1可知，废石主要成分为SiO₂、Fe₂O₃和MgO，棒磨砂主要成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO。

废石和棒磨砂的粒径分布如图2所示，废石粒径主要集中在0.15~10.00 mm之间，不均匀系数为11.48，曲率系数为0.602，级配不良。棒磨砂粒径主要集中在0.15~5.00 mm之间，同时+5 mm颗粒含量达到19%，与要求的-5 mm存在较大误差，不均匀系数为30.02，曲率系数为1.15，级配连续优良。与Fuller累计曲线（刘晓辉等，2016）相比，废石累计曲线更接近Fuller累计曲线，棒磨砂累计曲线则与Fuller累计曲线偏差较大，表明废石级配总体优于棒磨砂，但由于破碎后废石表面棱角较多，可能会增加管道磨损。

（2）试验采用新型胶凝材料替代矿用充填水泥，充填浆体制备采用自来水。

为研究混合粗骨料中废石/棒磨砂比值对充填体强度和浆体特性的影响，以龙首矿下向进路开采过程中使用的配比参数（灰砂比为1∶4）为基础（郭慧高等，2021；尹升华等，2021），按照废石掺量为10%、20%、30%、40%和50%，浆体质量浓度为78%~84%，共设计15种试验方案，如表2所示。

按照上述试验方案，将废石、棒磨砂、胶凝材料和水按比例在搅拌机内混合搅拌3 min，首先按照要求测试浆体的流变性、流动性和泌水率，然后浇灌70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试样（薛希龙等，2020），试样制作好后放入养护箱内进行养护（养护温度为20 ℃，养护湿度为95%）。

（1）强度测试。采用WHY-200型全自动压力试验机分别测试试样3 d、7 d和28 d的单轴抗压强度。试验中以50 N/s的加载速率连续均匀加载，至试件破坏时停止加载，记录最大破坏载荷。为了确保试验的准确性，每组测试3个试样。

（2）流变性测试。为了获得不同配比浆体的流变参数，采用Brookfield R/S plus型流变仪（选择30/15浆式转子）进行浆体的流变试验，测试程序采用控制剪切速率法（CSR）。

（3）流动性测试。采用标准塌落度筒（上直径为10 cm、下直径为20 cm、高度为30 cm），参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）中的测试方法对不同配比浆体的塌落度和扩散度进行测试。

（4）泌水率测试。将搅拌均匀的浆体装入500 mL烧杯至2/3高度处并用塑料薄膜密封，称重获取浆体质量m₁，静置60 min后，用注射器吸出表面泌水，称重获得浆体质量m₂，并计算浆体的泌水率M，计算公式为

式中：c为浆体质量浓度（%）。

根据试验结果，不同质量浓度和养护龄期条件下粗骨料中废石掺量与充填体抗压强度之间的关系曲线如图3所示。由图3可知，在废石/棒磨砂比值不变的条件下，提高充填体的质量浓度，充填体各龄期强度均出现不同幅度的增长。随着废石掺量的增加，充填体3 d强度出现略微下降，7 d和28 d强度呈现小幅增长态势，在废石掺量达到40%时出现拐点并开始下降。各种条件下充填体3 d强度均小于充填体强度指标要求（尹升华等，2020b）。金川矿区对充填体强度指标的要求如下：3 d强度大于1.5 MPa，7 d强度大于2.5 MPa，28 d强度大于5.0 MPa。当浆体质量浓度达到82%时，充填体3 d强度基本能达到指标要求；充填体7 d强度均能满足充填体的强度要求（2.5 MPa）；当废石掺量大于20%时，充填体28 d强度能满足强度要求（5.0 MPa）。因此，从充填体强度指标要求考虑，粗骨料中废石含量应控制在10%~40%之间，浆体质量浓度不低于82%。

以废石掺量为30%和40%，质量浓度分别为78%、80%和82%的充填浆体剪切速率—剪切应力曲线（图4）为例，分析废石/棒磨砂比值对充填浆体流变特性的影响规律。由图4可知，不同质量浓度条件下，粗骨料充填浆体剪切应力随剪切速率的增加而增加，上升曲线的斜率近似于恒定；在相同剪切速率下，浆体剪切应力随质量浓度的升高而急剧增大；当废石掺量从30%增加至40%时，各种条件下充填浆体的剪切应力均随之增大。由此可见，粗骨料充填浆体剪切应力与剪切速率之间的变化关系不符合Bingham模型，而与H-B（Herchel-Bulkley）模型（颜丙恒等，2018；Zhang et al.，2021；Xiao et al.，2019）的特征非常接近。H-B模型可表示为

式中：τ为剪切应力（Pa）；τ₀为屈服应力（Pa）；μ为黏度（Pa·s）；γ为剪切速率（s^-1）；n为流动指数，n>1表明粗骨料充填浆体为屈服膨胀体，n<1表明粗骨料充填浆体为屈服假塑性体。

利用H-B模型对各方案充填浆体的剪切速率—剪切应力曲线进行拟合，结果如表3所示。由表3可知，各种试验条件下H-B模型确定系数R²均在0.80以上，拟合效果较显著，表明金川集团龙首矿混合粗骨料充填浆体对H-B模型具有较好的适应性。

不同质量浓度条件下粗骨料中废石/棒磨砂比值与浆体抗屈服应力、黏度系数之间的关系如图5所示。由图5可知，随着废石掺量的增加，浆体屈服应力明显增加，当废石含量超过30%后，屈服应力急剧增加；黏度系数随废石含量呈先快速减小后增大的变化趋势，主要是因为棒磨砂的保水性较差，当废石含量增多后，浆体中自由水增多。目前，国内外对于膏体和高浓度料浆的划分界定尚未形成明确统一的标准，相关研究表明，当浆体屈服应力高于150 Pa时，浆体自流输送较困难（吴凡等，2020）。因此，为了使管道输送浆体屈服应力小于150 Pa，废石掺量应控制在25%~35%之间。

不同试验条件下废石/棒磨砂比值与充填浆体塌落度、扩散度的变化规律分别如图6（a）和图6（b）所示。由图可知，充填浆体塌落度和扩展度随废石掺量的增加而急剧减小，当废石掺量大于20%时，充填浆体塌落度开始趋于恒定，而扩展度持续下降；质量浓度和废石/棒磨砂比值对充填浆体扩散度的影响相比其对塌落度的影响更为敏感。塌落度总体在27~29 cm之间，而扩散度均大于85 cm，现有研究证实流动性指标在该范围内的浆体拥有良好的流动性，能够满足矿山自流输送的要求（张修香，2016）。

图7所示为不同质量浓度下充填浆体泌水率与废石掺量之间的关系曲线。由图7可知，充填浆体泌水率在9%~12%之间，随着质量浓度的增加，浆体泌水率大幅降低；泌水率随废石掺量的增加而减少，表明废石能够增强料浆的保水性和稳定性，降低浆体离析。主要原因是在废石加工过程中废石颗粒表面形成了较多微裂隙，并产生了一定量的细粒径颗粒，使更多自由水进入颗粒内部和表面，导致浆体泌水性较同等条件下的棒磨砂充填浆体小。现有研究表明，充填浆体泌水率的理想范围为5%~10%（王有团，2016），泌水率高于10%表明浆体泌水多、离析严重，而低于5%时会使输送中料浆周围“润滑层”变薄，使得管道磨损严重。因此，废石掺量在25%以上，浆体质量浓度为82%，可使得料浆具有较好的抗离析性能。

综合以上分析，当矿山采用的灰砂比为1∶4，混合粗骨料中废石掺量为30%，浆体质量浓度为82%~83%时，充填浆体和充填体具有较好的性能，说明 -5 mm棒磨砂和-12 mm废石替代原有河沙和棒磨砂、新型固结粉替代水泥具有较好的技术和经济可行性。因此，推荐的废石/棒磨砂比值为3∶7，浆体质量浓度为82%~83%，推荐配比参数的充填性能参数如表4所示。

（1）随着废石掺量的增加，充填体3 d强度略微下降，7 d和28 d强度增长显著；当浆体质量浓度为82%，废石掺量大于20%时，充填体强度能够满足金川龙首矿充填质量标准的要求。

（2）浆体屈服应力随废石掺量的增加而不断增大，而黏度系数却不断减小，当废石掺量小于35%时，浆体屈服应力均小于150 Pa。充填浆体塌落度和扩展度随废石掺量的增加而急剧减小，当废石掺量大于20%时，塌落度开始趋于恒定，塌落度为27~29 cm，能够满足矿山自流输送的要求。

（3）充填浆体泌水率在9%~12%之间，随着废石掺量的增加，泌水率减少，废石能够增强充填料浆的保水性和稳定性，提升浆体的抗离析性。

（4）推荐混合粗骨料中废石掺量为30%，浆体质量浓度为82%~83%时，充填体强度能够满足金川龙首矿充填强度指标的要求，浆体可实现管道自流输送，然而，废石掺量增加后对充填管道磨损的影响有待进一步研究。