CN112284892A - 一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法 - Google Patents

一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，属于金属矿山充填领域，所述提高全尾砂充填体抗压强度方法中稻草灰替代水泥的添加量为：替代水泥质量的2.5％～10.0％。本发明通过对全尾砂胶结充填体抗压强度研究，选择成本低廉、来源广泛的可再生资源稻草灰作为改善充填体抗压强度的外加剂，并进行了单轴抗压强度测试，最终得出可能够显著改善充填体抗压强度的方法，并计算了稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体的抗压强度相对与添加稻草灰的充填体抗压强度的增加率。该方法通过添加稻草灰替代部分水泥来制备全尾砂胶结充填体，其抗压强度远高于未添加稻草灰的充填体抗压强度，且水泥用量减少，能够显著降低充填成本。

Description

一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强 度的方法
技术领域
本发明属于矿山充填与充填材料、充填体力学性能研究等相关技术领域，具体涉及一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法。
背景技术
矿山开采过程中形成的采空区导致岩层移动和破碎，进而引起矿区地表沉降、生态环境失衡，甚至引发安全事故等一系列问题。同时，在矿物采选过程中不可避免的产生大量的尾矿，尾矿存储在尾矿库中不仅占用大量的土地资源，同时会对地下水、周围生态环境造成威胁。为解决矿山面临的上述问题，全尾砂胶结充填技术以其具备支撑采空区、减少地表沉降、有效管理尾砂废弃物的优势目前已经被广泛应用于世界范围内的地下矿山。所谓全尾砂胶结充填是由70％-85％的全尾砂与3％-7％的胶凝材料和水混合而成，通过管道自流或泵送到地下采空区，硬化后逐渐具备吸收和转移应力的能力。由于采矿方法的不同，硬化后的充填体在采空区中可能作为顶板、矿柱、底板等，因此，其抗压强度是其发挥作用的关键。然而，在地下采矿作业中，充填体将不可避免的经受凿岩、爆破、岩爆等扰动，尤其是开采临近矿柱时的爆破扰动。在这些扰动作用下，充填体逐渐劣化、损伤，最终发生破坏，导致矿石贫化、失去对采空区的支撑作用，从而降低了井下作业的安全性。因此，改善充填体的抗压强度，提高进行作业的安全性、减少矿石所示贫化具有重要的意义。
目前，国内外的学者已经对改善充填体力学性能方面进行了广泛的研究。然而，迄今为止，主要是集中在化学试剂、合成纤维方面，在改善充填体抗压强度的同时，相应增加了成本，且改善效果有限。众所周知，在矿山开采作业期间，充填作业大约占据矿山开采成本的20％，而水泥的成本占据充填作业的70～80％，能够在保证充填体抗压强度显著提高的同时减少充填成本，是目前研究的热点话题。稻草灰作为火山灰性材料广泛应用于混凝土行业，并有助于混凝土力学性能的改善。全尾砂胶结充填体类似于混凝土材料，但是在水泥用量、骨料来源、组成粒径等方面存在差异。因此，稻草灰替代部分水泥在提高全尾砂胶结充填体抗压强度方面亟需研究。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种利用稻草灰替代部分水泥进而提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，通过制备与现场相同配比的稻草灰替代水泥与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体试样，对其进行单轴抗压强度测试，获得稻草灰替代水泥与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体试样的抗压强度值，计算抗压强度增加率，得到稻草灰替代水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度改善效果。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，包括步骤：
S1：稻草灰的制备：
收集稻草，燃烧成灰渣。
S2：全尾砂胶结充填体试样制备与养护：
根据矿山现场实际充填配比参数，制备与实际应用中一致的充填体试样，每种类型的试样至少三块，分别养护7d、14d、28d。
S3：单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度：
对达到养护龄期的全尾砂胶结充填体试样进行单轴抗压强度测试，获得稻草灰替代部分水泥与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体试样抗压强度值，并利用下面的公式计算抗压强度增加率：
Figure BDA0002669006440000021
式中：i为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体相比于未添加稻草灰的充填体抗压强度的增加率；
σm为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
σn为未替代水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
通过计算得到稻草灰替代部分水泥的充填体抗压强度相对未添加稻草灰的充填体的抗压强度增加率，进而确定稻草灰对充填体抗压强度的改善效果。
进一步地，S1中稻草灰的准备包括以下步骤：
a1：收集稻草，并在露天状态下完全燃烧成灰渣。然后经过研磨后过250mm筛，取筛下的稻草灰作为本次研究的稻草灰。
进一步地，S2中充填体试样的制备与养护包括以下步骤：
b1：充填体试样的制备：根据矿山实际充填配比，称量适的全尾砂、水泥、稻草灰均匀混合(其中稻草灰的添加量为替代部分水泥2.5～10.0％，空白组为未添加稻草灰)，然后添加适量的水在JJ-5型搅拌机下搅拌5min，使固体材料与水形成均质料浆，浇筑到圆柱形模具中(直径为50mm，高度为10mm)；
b2：充填体试样养护：将制备好的全部充填体试样放置到湿度95％，温度20℃恒温恒湿养护箱中，养护龄期为7d、14d、28d。
进一步地，S3中单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度包括以下步骤：
c1：充填体试样单轴抗压强度测试试验准备：将达到7d、14d、28d养护龄期的充填体试样的上下面磨平，涂抹凡士林后放置在测试装备下准备测试；
c2：充填体试样单轴抗压强度测试过程：试验采用万能电子压力机进行充填体试样的单轴抗压强度测试。其中，设置0.5mm/min的恒定位移加载速率，每隔0.3s记录一次应力应变数据，最终获得各充填体试样的峰值强度即为单轴抗压强度。每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗压强度值，同组充填体试样的强度值误差在±10％范围内；
c3：抗压强度增加率计算：将获得的稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度值根据下面的公式来确定抗压强度增加率：
Figure BDA0002669006440000031
式中：i为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体相比于未添加稻草灰的充填体抗压强度的增加率；
σm为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
σn为未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
通过计算得到稻草灰替代部分水泥的充填体抗压强度相对未添加稻草灰的充填体的抗压强度增加率，进而确定稻草灰对充填体抗压强度的改善效果。
进一步地，所述的万能电子压力机其最大载荷为20KN，压力传感器精度0.001N，位移传感器精度0.001mm。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明方法能够显著改善充填体的抗压强度，且替代部分水泥用量，降低了充填成本，具有工艺简单的优势。稻草灰作为可再生资源，利用率低，甚至存在随意排放的现象，不仅浪费了资源，同时引发环境污染的危害。此外，稻草灰的来源广泛，相比化学试剂、合成纤维，成本低廉。稻草灰应用至矿山充填领域不仅改善了充填体的抗压强度，而且降低了充填成本，同时有利于环境保护。而简单的工艺流程，更加适合现场应用。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明稻草灰XRD图；
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所要解决的技术问题是通过廉价、广泛的材料，提高充填体抗压强度。本发明提供一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，在全尾砂充填料浆中添加稻草灰来替代部分水泥用量，稻草灰的水泥替代量为水泥质量的2.5～10％。具体方法结合以下实施例进行详细说明：
实施例1
一种利用稻草灰替代部分水提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，包括下列步骤：
稻草灰的准备：收集稻草，在露天进行完全燃烧，过250mm的筛，取筛下稻草灰作为本发明的稻草灰，图1为稻草灰XRD图；
未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体试样的制备与养护：根据现场实测充填体配比，按照表1配比首先将水泥与全尾砂混合均匀，加入适量的水，制备成直径为50mm，高为100mm的圆柱形充填体试样；
表1未添加稻草灰的充填体试样材料配比
灰砂比 质量浓度/％ 稻草灰替代水泥量/％
1:4 74％ 0
试样材料准备
全尾砂胶结充填体制备之前，利用烘干法对全尾砂的含水率进行测试，烘干的温度为103℃，多次称重，直至质量恒定；
试样搅拌混合
首先将全尾砂与水泥混合，然后加入适量的水置于JJ-5型搅拌机搅拌5min至料浆混合均匀；
充填体试样制备
将清洗干燥后的圆柱形磨具内部涂抹润滑油，然后将混合均匀的充填体料浆一次性倒入磨具内部，并用细棒振捣，排出里面的空气；同时，顶部料浆高于磨具5～8mm，待料浆硬化后，将顶部刮平，脱模后放置恒温恒湿养护箱进行养护。
试样养护
将制备好的试样放置在恒温恒湿养护箱中(温度为20℃，湿度为95％)养护7、14、28d。
单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度
充填体试样单轴抗压强度测试试验准备
将达到养护龄期的充填体试样上下面磨平，涂抹凡士林后放置在测试装备下准备测试；
充填体试样单轴抗压强度测试过程
试验采用万能电子压力机进行充填体试样的单轴抗压强度测试。其中，设置0.5mm/min的恒定位移加载速率，每隔0.3s记录一次应力应变数据，最终获得各充填体试样的峰值强度即为单轴抗压强度。每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗压强度值，即为未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度σn，同组试样的强度值误差在±10％范围内。
经测定未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度σn在7d、14d、28d养护龄期时的抗压强度分别为：1.06MPa、1.46MPa、1.97MPa。
实例2
稻草灰的准备：收集稻草，在露天进行完全燃烧，过250mm的筛，取筛下稻草灰作为本发明的稻草灰，图1为稻草灰XRD图；
稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体试样的制备与养护：根据现场实测充填体配比，按照表2配比首先将水泥、全尾砂与稻草灰混合均匀，加入适量的水，制备成直径为50mm，高为100mm的圆柱形充填体试样；
表2稻草灰替代部分水泥的充填体试样材料配比
Figure BDA0002669006440000061
试样材料准备
全尾砂胶结充填体制备之前，利用烘干法对全尾砂的含水率进行测试，烘干的温度为103℃，多次称重，直至质量恒定；
试样搅拌混合
首先将全尾砂、水泥和不同水泥替代量的稻草灰(稻草灰替代水泥量为2.5％、5.0％、7.5％、10.0％)混合，然后加入适量的水置于JJ-5型搅拌机搅拌5min至料浆混合均匀；
充填体试样制备
将清洗干燥后的圆柱形磨具内部涂抹润滑油，然后将混合均匀的充填体料浆一次性倒入磨具内部，并用细棒振捣，排出里面的空气；同时，顶部料浆高于磨具5～8mm，待料浆硬化后，将顶部刮平，脱模后放置再恒温恒湿养护箱中养护。
试样养护
将制备好的试样放置在恒温恒湿养护箱中(温度为20℃，湿度为95％)养护7、14、28d。
单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度
充填体试样单轴抗压强度测试试验准备
将达到养护龄期的充填体试样上下面磨平，涂抹凡士林后放置在测试装备下准备测试；
充填体试样单轴抗压强度测试过程
试验采用万能电子压力机进行充填体试样的单轴抗压强度测试。其中，设置0.5mm/min的恒定位移加载速率，每隔0.3s记录一次应力应变数据，最终获得各充填体试样的峰值强度即为单轴抗压强度。每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗压强度值，即为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度σm，同组试样的强度值误差在±10％范围内。
抗压强度增加率计算：将获得的稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度根据下面的公式来确定抗压强度增加率：
Figure BDA0002669006440000071
式中：i为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体相比于未添加稻草灰的充填体的抗压强度的增加率；
σm为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
σn为未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
经单轴抗压强度测试，稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体在不同养护龄期时的抗压强度σm与相比未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度增加率如表3所示。
表3稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度与增加率
Figure BDA0002669006440000072
从测试结果分析，稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度普遍显著提高，在7d、14d、28d养护龄期抗压强度最大增加率分别为46.2％、40.4％、37.6％，抗压强度改善效果较好。
综上可见，本发明通过对充填体力学性能进行研究，选择成本低、来源广的可再生资源稻草灰作为稻草灰替代部分水泥用量，并将稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体与未添加稻草灰的充填体之间的抗压强度进行比较，稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度明显提高，且利用较低成本的稻草灰替代部分水泥的用量，能够明显降低充填的成本(通常在充填作业中，水泥的成本约占充填成本的70～80％)。此外，本发明提到的方法工艺简单，适合矿山充填现场应用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (5)

1.一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：稻草灰的制备：
收集稻草，燃烧成灰渣；
S2：全尾砂胶结充填体试样制备与养护：
根据矿山现场实际充填配比参数，制备与实际应用中一致的充填体试样，每种类型的试样至少三块，分别养护7d、14d、28d；
S3：单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度：
对达到养护龄期的全尾砂胶结充填体试样进行单轴抗压强度测试，获得稻草灰替代部分水泥与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体试样抗压强度值，并利用下面的公式计算抗压强度增加率：
Figure FDA0002669006430000011
式中：i为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体相比于未添加稻草灰的充填体抗压强度的增加率；
σm为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
σn为未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
通过计算得到稻草灰替代部分水泥的充填体抗压强度相对未添加稻草灰的充填体的增加率，进而确定稻草灰对充填体抗压强度的改善效果。
2.根据权利要求1所述的一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，其特征在于，S1中稻草灰的准备包括以下步骤：
a1：收集稻草，并在露天状态下完全燃烧成灰渣，然后经过研磨后过250mm筛，取筛下的稻草灰作为本次研究的稻草灰。
3.根据权利要求1所述的一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，其特征在于，S2中充填体试样的制备与养护包括以下步骤：
b1：充填体试样的制备：根据矿山实际充填配比，称量适的全尾砂、水泥、稻草灰均匀混合(其中稻草灰的添加量为替代部分水泥2.5～10.0％，空白组为未添加稻草灰)，然后添加适量的水在JJ-5型搅拌机下搅拌5min，使固体材料与水形成均质料浆，浇筑到圆柱形模具中(直径为50mm，高度为10mm)；
b2：充填体试样养护：将制备好的全部充填体试样放置到湿度95％，温度20℃恒温恒湿养护箱中，养护龄期为7d、14d、28d。
4.根据权利要求1所述的一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，其特征在于，S3中单轴抗压强度测试确定充填体的抗压强度包括以下步骤：
c1：充填体试样单轴抗压强度测试试验准备：将达到7d、14d、28d养护龄期的充填体试样的上下面磨平，并涂抹凡士林后放置在测试装备下准备测试；
c2：充填体试样单轴抗压强度测试过程：试验采用万能电子压力机进行充填体试样的单轴抗压强度测试；其中，设置0.5mm/min的恒定位移加载速率，每隔0.3s记录一次应力应变数据，最终获得各充填体试样的峰值强度即为单轴抗压强度；每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗压强度值，同组充填体试样的强度值误差在±10％范围内；
c3：抗压强度增加率计算：将获得的稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度与未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度值根据下面的公式来确定抗压强度增加率：
Figure FDA0002669006430000021
式中：i为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体相比于未添加稻草灰的充填体抗压强度的增加率；
σm为稻草灰替代部分水泥的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
σn为未添加稻草灰的全尾砂胶结充填体抗压强度，单位为MPa；
通过计算得到稻草灰替代部分水泥的充填体抗压强度相对未添加稻草灰的充填体的抗压强度增加率，进而确定稻草灰对充填体抗压强度的改善效果。
5.根据权利要求4所述的一种利用稻草灰替代部分水泥提高全尾砂胶结充填体抗压强度的方法，其特征在于，所述的万能电子压力机其最大载荷为20KN，压力传感器精度0.001N，位移传感器精度0.001mm。
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