工程科学学报，第40卷，第8期：925-930,2018年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.8:925-930,August 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.005;http://journals.ustb.edu.cn 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 王 勇12)，吴爱祥)四，王洪江)，杨柳华)，王贻明)，靳斐”，杨锡祥》，周发陆》 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221116 3)伽师县铜辉矿业有限责任公司，喀什844000 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要以伽师铜矿旷冬季膏体料为背景，制备不同水质、水泥种类、水泥添加方式、泵送剂掺量和骨料添加量的膏体试块129 个，膏体温度控制在8~12℃，放置于温度20℃、湿度95%的标准养护箱，待养护龄期为3、7和28d时测其单轴抗压强度.实 验结果表明，膏体7d和28d强度分别是3d强度的1.44倍、2.4倍，7d强度演化规律符合2℃时水化反应度演化进程，强度 发展较慢，而28强度演化规律符合20℃时水化反应度发展进程，温度对其后期强度影响较小.基于低温对膏体7d内早期 强度影响较大这一现象，提出了充填系统添加高温补水点的工程建议：根据伽师铜矿膏体实际配比，理论计算出高温补水量 为6-8m3.h,水温70~100℃，膏体温度可由6℃提高至15-19℃：建议采用工业热水器提供高温水，热水器功率保守选择 400kW,充填成本每方充填料增加2.9元人民币 关键词膏体：低温：水化度：强度：高温补水 分类号TD823.7 Effect of low temperature on early strength of cemented paste backfill from a copper mine and engineering recommendations WANG Yong),WU Ai-xiang WANG Hong-jiang,YANG Liu-hua,WANG Yi-ming,JIN Fei,YANG Xi-xiang,ZHOU Fa-lu2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China 3)Jiashi County Tonghui Mining Co.,Ltd.,Kashgar 844000,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT Low winter temperatures are a widespread concern for mines in China that use cemented paste backfill CPB).A low environmental temperature has a significant effect on the CPB temperature,which can affect its hydration rate and early strength.Using paste material from the Jiashi Copper Mine (JCM)in winter,this paper prepared a total of 129 specimens and investigated the effect on these specimens of different amounts of water and cement,the method for adding cement,the dosage of the pumping agent,and the amount of aggregate used.The prepared specimens had a temperature range of 8-12 C and were cured in a standard curing box with a temperature of 20C and humidity of 95%.After curing periods of 3,7,and 28d,the paper performed uniaxial compressive strength (UCS)tests on the specimens.The test results show that the UCS values of the 7 d and 28 d specimens are 1.44-fold and 2.4-fold those of the 3d specimens,respectively.The 7d UCS evolution accords with a 2C hydration progress,which leads to gradual strength development.However,the 28d UCS evolution accords with a20C hydration progress.This indicates that the temperature of the paste has a slight effect on its long-term strength.Based on the effect of low temperature on the strength of the 7d paste,the paper proposed 收稿日期：2017-11-06 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018Y℉C0603705);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目 (SKLCRSM18KF006):中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-17-024A1):中国博士后科学基金资助项目(2017M620622)
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期:925鄄鄄930,2018 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 8: 925鄄鄄930, August 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 08. 005; http: / / journals. ustb. edu. cn 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 王 勇1,2) , 吴爱祥1)苣 , 王洪江1) , 杨柳华1) , 王贻明1) , 靳 斐1) , 杨锡祥3) , 周发陆3) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 徐州 221116 3) 伽师县铜辉矿业有限责任公司, 喀什 844000 苣 通信作者, E鄄mail: wuaixiang@ 126. com 摘 要 以伽师铜矿冬季膏体料为背景,制备不同水质、水泥种类、水泥添加方式、泵送剂掺量和骨料添加量的膏体试块 129 个,膏体温度控制在 8 ~ 12 益 ,放置于温度 20 益 、湿度 95% 的标准养护箱,待养护龄期为 3、7 和 28 d 时测其单轴抗压强度. 实 验结果表明,膏体 7 d 和 28 d 强度分别是 3 d 强度的 1郾 44 倍、2郾 4 倍,7 d 强度演化规律符合 2 益 时水化反应度演化进程、强度 发展较慢,而 28 d 强度演化规律符合 20 益时水化反应度发展进程,温度对其后期强度影响较小. 基于低温对膏体 7 d 内早期 强度影响较大这一现象,提出了充填系统添加高温补水点的工程建议:根据伽师铜矿膏体实际配比,理论计算出高温补水量 为 6 ~ 8 m 3·h - 1 ,水温 70 ~ 100 益 ,膏体温度可由 6 益提高至 15 ~ 19 益 ;建议采用工业热水器提供高温水,热水器功率保守选择 400 kW,充填成本每方充填料增加 2郾 9 元人民币. 关键词 膏体; 低温; 水化度; 强度; 高温补水 分类号 TD823郾 7 收稿日期: 2017鄄鄄11鄄鄄06 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0603705); 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目 (SKLCRSM18KF006); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF鄄鄄TP鄄鄄17鄄鄄024A1); 中国博士后科学基金资助项目(2017M620622) Effect of low temperature on early strength of cemented paste backfill from a copper mine and engineering recommendations WANG Yong 1,2) , WU Ai鄄xiang 1) 苣 , WANG Hong鄄jiang 1) , YANG Liu鄄hua 1) , WANG Yi鄄ming 1) , JIN Fei 1) , YANG Xi鄄xiang 3) , ZHOU Fa鄄lu 3) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China 3) Jiashi County Tonghui Mining Co. , Ltd. , Kashgar 844000, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: wuaixiang@ 126. com ABSTRACT Low winter temperatures are a widespread concern for mines in China that use cemented paste backfill (CPB). A low environmental temperature has a significant effect on the CPB temperature, which can affect its hydration rate and early strength. Using paste material from the Jiashi Copper Mine (JCM) in winter, this paper prepared a total of 129 specimens and investigated the effect on these specimens of different amounts of water and cement, the method for adding cement, the dosage of the pumping agent, and the amount of aggregate used. The prepared specimens had a temperature range of 8鄄鄄12 益 and were cured in a standard curing box with a temperature of 20 益 and humidity of 95% . After curing periods of 3, 7, and 28 d, the paper performed uniaxial compressive strength (UCS) tests on the specimens. The test results show that the UCS values of the 7 d and 28 d specimens are 1郾 44鄄fold and 2郾 4鄄fold those of the 3 d specimens, respectively. The 7 d UCS evolution accords with a 2 益 hydration progress, which leads to gradual strength development. However, the 28 d UCS evolution accords with a 20 益 hydration progress. This indicates that the temperature of the paste has a slight effect on its long鄄term strength. Based on the effect of low temperature on the strength of the 7 d paste, the paper proposed
·926· 工程科学学报，第40卷，第8期 the addition of high-temperature water to the paste backfill system.Using a practical paste ratio at the JCM,the paper calculated a the- oretical high-temperature water flow of 6-8 m'h.When the water temperature ranges between 70-100 C,the temperature of the paste can be improved from 6C to 15-19C.The paper recommends the use of an industrial water heater for providing the hot water, with a conservative power output of 400 kW.The use of this water heater will yield a cost improvement of 2.9 RMB per cube of filling material. KEY WORDS paste;low temperature;hydration degree;strength;addition of high-temperature water 膏体是一种以全尾砂为主要集料，根据需要添 表1全尾砂物理性质 加水泥、碎石、戈壁集料、河沙、炉渣等材料复合而成 Table 1 Physical property of full talings 的一种结构流体).由于其良好的输送性能以及采 密度/ 松散容重/密实容重/松散孔隙 密实孔隙 场无需排水、均质性好等优点，被认为是一种新型环 (tm-3) (tm3)(tm-3) 率/% 率/% 保充填材料].因此，我国越来越多的矿山开始接 2.662 1.19 1.604 55.3 39.74 受并推广使用该材料[3-6) ,100 膏体材料被用于井下空区充填很重要的原因在 于其具有固结硬化的特性，可以支撑围岩，为井下采 80 矿提供一个相对安全的作业环境[-].膏体材料的 60 硬化主要归因于其中的胶凝材料水化作用，众所周 知，水泥水化反应对温度又是极为敏感的).范特 40 霍夫根据大量的实验事实，归纳出一个近似规律：对 20 一般反应来说，温度每升高10℃，反应速率加快2~ 4倍0].而我国绝大部分膏体充填矿山四季分明， .1 1.0 10.0 100.0 1000.0 粒径μm 冬季低温较为常见，尤其是在东北、西北地区，最低 图1全尾砂粒级组成曲线 温度达到零下40℃，如此低的环境温度，必然对充 Fig.I Particle size distribution curve of full tailings 填集料以及集料中的水的温度造成较大影响，最终 导致膏体料的温度较低.较低的温度将减缓膏体材 填料进行五次不同时间随机取样，测量其温度分别 料中的水泥水化作用)]，这就会使得原本设计的膏 为7、99、11和13℃，平均温度为9.8℃，不足10 体材料配比在该温度条件下无法达到目标强度，从 ℃.根据前期研究结果，此温度对膏体早期强度发 而造成采场膏体料缓凝，延长采充周期，同时也为二 展不利.基于这一认识，开展了大量低温条件下膏 步骤回采等带来安全隐患， 体力学性能室内实验.实验采用水温不足6℃的自 为此，本文以新疆伽师铜矿冬季低温膏体料为 来水，用该水与各种集料混合，配置的膏体料温度实 研究对象，系统开展了该矿冬季不同水质、水泥种 测为10℃，可以较好的模拟该矿冬季实际充填料 类、水泥添加方式、泵送剂掺量、骨料添加量膏体试 温度. 块的力学特性研究，并提出了相应的工程调控措施， 实验分别完成了不同水质（自来水和选矿水）、 为减轻该矿由于低温效应对膏体强度造成的不良影 水泥种类（标号为32.5、42.5和52.5）、水泥添加方 响提供技术支持 式（湿式添加和干式添加）、泵送剂掺量(0~2%水 泥干料质量比)、骨料添加量（尾废比3：1~6：1）等 1 实验材料及方法 因素下的不同实验43组，为了保证实验结果的可靠 新疆伽师铜矿膏体料以全尾砂为主，添加10 性，每组实验3个试块，最终强度为3个试块的平均 mm以下的商品化连续级配碎石作为粗骨料来改善 值.这些实验的共同点是膏体料温度较低，但是一 强度和流动性，采用32.5水泥作为胶凝材料.全尾 旦膏体被输送至井下采场，其养护温度并非很低. 砂基本物理性能如表1所示，粒度筛析结果如图1 因此，选择在养护温度20℃、湿度为95%的标准养 所示，该尾砂-200目质量分数为64.32%，-20m 护箱中进行，测量养护龄期为3、7和28d的强度. 的细颗粒质量分数为29.8%，平均粒径为58m. 在此需要说明的是，考虑较多影响因素是要收集大 伽师铜矿冬季较为寒冷，气温低于零下20℃. 量的低温膏体强度数据，通过不同因素大量实验数 对冬季(12月~1月)膏体充填系统二级搅拌槽充 据，探索低温膏体在正常养护条件下的强度演化
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 the addition of high鄄temperature water to the paste backfill system. Using a practical paste ratio at the JCM, the paper calculated a the鄄 oretical high鄄temperature water flow of 6鄄鄄8 m 3·h - 1 . When the water temperature ranges between 70鄄鄄100 益 , the temperature of the paste can be improved from 6 益 to 15鄄鄄19 益 . The paper recommends the use of an industrial water heater for providing the hot water, with a conservative power output of 400 kW. The use of this water heater will yield a cost improvement of 2郾 9 RMB per cube of filling material. KEY WORDS paste; low temperature; hydration degree; strength; addition of high鄄temperature water 膏体是一种以全尾砂为主要集料,根据需要添 加水泥、碎石、戈壁集料、河沙、炉渣等材料复合而成 的一种结构流体[1] . 由于其良好的输送性能以及采 场无需排水、均质性好等优点,被认为是一种新型环 保充填材料[2] . 因此,我国越来越多的矿山开始接 受并推广使用该材料[3鄄鄄6] . 膏体材料被用于井下空区充填很重要的原因在 于其具有固结硬化的特性,可以支撑围岩,为井下采 矿提供一个相对安全的作业环境[7鄄鄄8] . 膏体材料的 硬化主要归因于其中的胶凝材料水化作用,众所周 知,水泥水化反应对温度又是极为敏感的[9] . 范特 霍夫根据大量的实验事实,归纳出一个近似规律:对 一般反应来说,温度每升高 10 益 ,反应速率加快 2 ~ 4 倍[10] . 而我国绝大部分膏体充填矿山四季分明, 冬季低温较为常见,尤其是在东北、西北地区,最低 温度达到零下 40 益 ,如此低的环境温度,必然对充 填集料以及集料中的水的温度造成较大影响,最终 导致膏体料的温度较低. 较低的温度将减缓膏体材 料中的水泥水化作用[11] ,这就会使得原本设计的膏 体材料配比在该温度条件下无法达到目标强度,从 而造成采场膏体料缓凝,延长采充周期,同时也为二 步骤回采等带来安全隐患. 为此,本文以新疆伽师铜矿冬季低温膏体料为 研究对象,系统开展了该矿冬季不同水质、水泥种 类、水泥添加方式、泵送剂掺量、骨料添加量膏体试 块的力学特性研究,并提出了相应的工程调控措施, 为减轻该矿由于低温效应对膏体强度造成的不良影 响提供技术支持. 1 实验材料及方法 新疆伽师铜矿膏体料以全尾砂为主,添加 10 mm 以下的商品化连续级配碎石作为粗骨料来改善 强度和流动性,采用 32郾 5 水泥作为胶凝材料. 全尾 砂基本物理性能如表 1 所示,粒度筛析结果如图 1 所示,该尾砂 - 200 目质量分数为 64郾 32% , - 20 滋m 的细颗粒质量分数为 29郾 8% ,平均粒径为 58 滋m. 伽师铜矿冬季较为寒冷,气温低于零下 20 益 . 对冬季(12 月 ~ 1 月)膏体充填系统二级搅拌槽充 表 1 全尾砂物理性质 Table 1 Physical property of full talings 密度/ (t·m - 3 ) 松散容重/ (t·m - 3 ) 密实容重/ (t·m - 3 ) 松散孔隙 率/ % 密实孔隙 率/ % 2郾 662 1郾 19 1郾 604 55郾 3 39郾 74 图 1 全尾砂粒级组成曲线 Fig. 1 Particle size distribution curve of full tailings 填料进行五次不同时间随机取样,测量其温度分别 为 7、9、9、11 和 13 益 ,平均温度为 9郾 8 益 ,不足 10 益 . 根据前期研究结果,此温度对膏体早期强度发 展不利. 基于这一认识,开展了大量低温条件下膏 体力学性能室内实验. 实验采用水温不足 6 益 的自 来水,用该水与各种集料混合,配置的膏体料温度实 测为 10 益 ,可以较好的模拟该矿冬季实际充填料 温度. 实验分别完成了不同水质(自来水和选矿水)、 水泥种类(标号为 32郾 5、42郾 5 和 52郾 5)、水泥添加方 式(湿式添加和干式添加)、泵送剂掺量(0 ~ 2% 水 泥干料质量比)、骨料添加量(尾废比 3颐 1 ~ 6颐 1)等 因素下的不同实验 43 组,为了保证实验结果的可靠 性,每组实验 3 个试块,最终强度为 3 个试块的平均 值. 这些实验的共同点是膏体料温度较低,但是一 旦膏体被输送至井下采场,其养护温度并非很低. 因此,选择在养护温度 20 益 、湿度为 95% 的标准养 护箱中进行,测量养护龄期为 3、7 和 28 d 的强度. 在此需要说明的是,考虑较多影响因素是要收集大 量的低温膏体强度数据,通过不同因素大量实验数 据,探索低温膏体在正常养护条件下的强度演化 ·926·
王勇等：低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 927· 规律 12 2结果与分析 拟合公式：=1.4413x 10 复相关系数：R=0.9372 4 不同影响因素条件的膏体试块3、7和28d的强 △7d单轴杭压强度 度测试如图2所示.由于实验采用的材料配比不 口28d单轴抗压强度 -7强度拟合曲线 同，因此，图2中每个龄期音体的强度变化幅度较 4 ~28d强度拟合曲线 大.3d强度从0.14至3.65MPa,7d强度由0.16 拟合公式：y=2.4008x 复相关系数：-0.8414 MPa至5.57MPa不等，28d强度由0.49MPa至 2 3 4 7.34MPa不等. 3d强度MPa 30 图3膏体7d和3d强度，28d和3d强度关系 4 A△ 25A Fig.3 Paste strength relationship between 7 d and 3 d,28 d and 3 d 20 养护时间： 表2不同膏体料温度和养护时间情况下的水化反应度 回 15 o3d ▣7d Table 2 Hydration degree of paste at various temperatures and curing 装 A28d ages mTmm中力中 膏体料温度/ 不同养护时间水化反应度 8c0080e0000o 3d 7d 28d 01 234 5 6 单轴抗压强度MPa 2 0.33377 0.48131 0.68631 图2不同配比膏体试样在3、7和28d单轴抗压强度 20 0.54184 0.66474 0.81041 Fig.2 Uniaxial compressive strength of various paste specimens with 表3不同温度和养护龄期膏体料水化反应度比值 different ratios at curing age of 3,7 and 28d Table 3 Ratio of hydration degree at various temperatures and curing 根据图2中强度测试结果，分别对7d与3d强 ages 度、28d与3d强度关系进行回归分析，结果如图3. a7(2℃)/ 28(2)/a1(20t)/28(20℃)/28(20)/a(2℃，/ 由该图可以看出，尽管实验数据较多，但是7d强 3(2℃) 3(2℃) a3(20℃) 3(20℃)a3(2℃) 43(20℃) 度、28d强度与3d强度之间关联性较强，7d强度是 1.442 2.056 1.227 1.496 2.428 1.267 3d强度的1.44倍，28d强度是3d强度的2.4倍. 根据图3回归结果可知，伽师铜矿膏体7d与3 国外研究表明，某一养护时间水化反应度与最终水 d强度之比为1.44，与温度为2℃时水化反应度比 化反应度的比值等于该养护时间强度与最终膏体强 值相吻合，而28d与3d强度比值则与28d20℃与3 度比值，如下式， d2℃时水化反应度比值基本一致，如式(3)和式 UCS, ,=UCS6nal (1) (4).这说明，伽师铜矿膏体在7d时的强度演化遵 循2℃时水化反应度进程.而到28d时，其水化反 根据式(1)，可以得到两个不同养护时间水化 应度进程与20℃时基本一致.这主要是由于膏体 反应度的比值等于其强度之比，如下式， 温度较低，初期(7d)反应速率较慢：而当在养护箱 UCS a,-UCS (2) 中放置一段时间之后，膏体温度逐渐升高，与养护箱 温度达到平衡，因此，28d时水化反应度演化进程与 式中：a,a和a,代表当养护时间为t,t1和t2时的 20℃情况一致. 胶结剂的水化反应度：UCS,、UCS,和UCS,代表相应 UCS, 养护天数t、t,和t,膏体单轴抗压强度(UCS);UCSm =1.44≈2=1.4 UCS, (3) 032℃) 代表膏体终期强度. 根据文献中水化反应度计算方法以及文献推荐 UCS=2.40=0-2.43 (4) UCS3 3(2℃) 参数[3-14]，计算得到2℃和20℃时、不同养护时间 水化反应度如表2.根据表2，计算不同温度下7d、 3 工程建议 28d水化反应度与3d时的比值，结果如表3，其中 上述研究表明，低温对伽师铜矿膏体早期强度 a2℃，代表膏体在2℃环境养护7d时的水化反应 (7d)发展不利，需要对伽师铜矿冬季膏体料温度进 度，其他式子意义类似 行调控.每种集料对于膏体温度的贡献取决于其温
王 勇等: 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 规律. 2 结果与分析 不同影响因素条件的膏体试块3、7 和28 d 的强 度测试如图 2 所示. 由于实验采用的材料配比不 同,因此,图 2 中每个龄期膏体的强度变化幅度较 大. 3 d 强度从 0郾 14 至 3郾 65 MPa,7 d 强度由 0郾 16 MPa 至 5郾 57 MPa 不等,28 d 强度由 0郾 49 MPa 至 7郾 34 MPa 不等. 图 2 不同配比膏体试样在 3、7 和 28 d 单轴抗压强度 Fig. 2 Uniaxial compressive strength of various paste specimens with different ratios at curing age of 3, 7 and 28 d 根据图 2 中强度测试结果,分别对 7 d 与 3 d 强 度、28 d 与 3 d 强度关系进行回归分析,结果如图 3. 由该图可以看出,尽管实验数据较多,但是 7 d 强 度、28 d 强度与 3 d 强度之间关联性较强,7 d 强度是 3 d 强度的 1郾 44 倍,28 d 强度是 3 d 强度的 2郾 4 倍. 国外研究表明,某一养护时间水化反应度与最终水 化反应度的比值等于该养护时间强度与最终膏体强 度比值,如下式[12] , 琢t = UCSt UCSfinal (1) 根据式(1),可以得到两个不同养护时间水化 反应度的比值等于其强度之比,如下式, 琢t1 琢t2 = UCSt1 UCSt2 (2) 式中:琢t,琢t1和 琢t2代表当养护时间为 t,t 1 和 t 2 时的 胶结剂的水化反应度;UCSt、UCSt1和UCSt2代表相应 养护天数 t、t 1和 t 2膏体单轴抗压强度(UCS);UCSfinal 代表膏体终期强度. 根据文献中水化反应度计算方法以及文献推荐 参数[13鄄鄄14] ,计算得到 2 益 和 20 益 时、不同养护时间 水化反应度如表 2. 根据表 2,计算不同温度下 7 d、 28 d 水化反应度与 3 d 时的比值,结果如表 3,其中 琢7(2 益 )代表膏体在 2 益 环境养护 7 d 时的水化反应 度,其他式子意义类似. 图 3 膏体 7 d 和 3 d 强度、28 d 和 3 d 强度关系 Fig. 3 Paste strength relationship between 7 d and 3 d, 28 d and 3 d 表 2 不同膏体料温度和养护时间情况下的水化反应度 Table 2 Hydration degree of paste at various temperatures and curing ages 膏体料温度/ 益 不同养护时间水化反应度 3 d 7 d 28 d 2 0郾 33377 0郾 48131 0郾 68631 20 0郾 54184 0郾 66474 0郾 81041 表 3 不同温度和养护龄期膏体料水化反应度比值 Table 3 Ratio of hydration degree at various temperatures and curing ages 琢7(2 益 ) / 琢3(2 益 ) 琢28(2 益 ) / 琢3(2 益 ) 琢7(20 益 ) / 琢3(20 益 ) 琢28(20 益 ) / 琢3(20 益 ) 琢28(20 益 ) / 琢3(2 益 ) 琢28(2 益 ) / 琢3(20 益 ) 1郾 442 2郾 056 1郾 227 1郾 496 2郾 428 1郾 267 根据图 3 回归结果可知,伽师铜矿膏体 7 d 与 3 d 强度之比为 1郾 44,与温度为 2 益 时水化反应度比 值相吻合,而28 d 与3 d 强度比值则与28 d 20 益与3 d 2 益时水化反应度比值基本一致,如式(3) 和式 (4). 这说明,伽师铜矿膏体在 7 d 时的强度演化遵 循 2 益 时水化反应度进程. 而到 28 d 时,其水化反 应度进程与 20 益 时基本一致. 这主要是由于膏体 温度较低,初期(7 d)反应速率较慢;而当在养护箱 中放置一段时间之后,膏体温度逐渐升高,与养护箱 温度达到平衡,因此,28 d 时水化反应度演化进程与 20 益情况一致. UCS7 UCS3 = 1郾 44抑 琢7(2 益 ) 琢3(2 益 ) = 1郾 44 (3) UCS28 UCS3 = 2郾 40抑 琢28(20 益 ) 琢3(2 益 ) = 2郾 43 (4) 3 工程建议 上述研究表明,低温对伽师铜矿膏体早期强度 (7 d)发展不利,需要对伽师铜矿冬季膏体料温度进 行调控. 每种集料对于膏体温度的贡献取决于其温 ·927·
.928. 工程科学学报，第40卷，第8期 度、比热容以及添加量.式(5)给出了膏体的温度与 热量如表5.由表5可知，膏体料温度调控最易实现 各集料温度之间的本构关系[5)： 的是对其水温进行调控，主要是因为水的比热容最 0.22(TM.+TM)+TM+TM(5) 大，可以实现较少量水温调整改善整个音体料的最 T 0.22(M.+Mc)+Mw+Mw. 终温度.并且该矿膏体中添加粗骨料，除了浓密机 式中：T代表混合后的膏体温度，℃；T、Tc、Tw和 底流中的水量，还额外需要进行加水稀释.因此，拟 T分别代表集料（尾矿、粗骨料）温度、水泥温度、 通过提升额外加水点的水温，对整个膏体温度进行 混合水的温度以及集料中自由水的温度，℃，通常 调整，改善其早期凝结性能，且不会造成膏体浓度 T.=Twa;M。、Mc、Mw和Mw.分别代表集料、胶凝材 稀释 料、混合水、以及集料中自由水的质量，kg 表4伽师铜矿膏体配料表 伽师铜矿膏体充填质量分数78%，灰砂比1： Table 4 Paste ratio of Jiashi Copper Mine 10,尾废比为3：1：计算得到1m3充填料中各种集料 原料 料浆单耗/(tm3) 质量如表4.通过现场跟班，伽师铜矿冬季水泥最低 全尾砂 1.045 温度10℃，水最低温度6℃，全尾砂浆最低温度6 水泥 0.139 ℃，碎石最低温度8℃，根据伽师铜矿各集料冬季温 碎石 0.348 度，结合其质量、比热容等参数，计算获得各材料总 水 0.432 表5伽师铜矿膏体各组分总热量 Table 5 Total heat of paste aggregate at Jiashi Copper Mine 比热容/ 每升高1℃ 材料 质量/kg 各组分温度/℃ 材料总热量/kJ (kJ-kg-1.K-1) 温度所需热量/k」 水泥 139 0.92 128 10 1280 混合水 432 4.184 1807 6 10842 全尾砂（集料） 1045 0.92 961 5766 碎石（集料） 348 0.92 320 8 2560 总量 3216 20448 注：图中的量分别标号为(1)质量，(2)比热容，(3)每升高1℃温度所需热量，(4)各组分温度，(5)材料总热量：相互计算关系为(3)= (1)×(2),(5)=(3)×(4). 根据表5，计算得到该全尾膏体初始膏体温度 温补水点，补水温度为70~100℃，最终膏体温度为 为6.4℃（计算依据为20448/3216）：要想膏体温度 15~19℃.补水量约为102kgm3充填料，实际充 每升高1℃，则需水温必须升高1.78℃（计算依据 填能力为60~80m.h-1,则补水点流量约为6.12~ 为3216/1807).一般来讲，膏体温度范围为20~35 8.16th-1.高温补水点具体添加方式如图4. ℃时，其强度效果最佳16) 高温补水采用电热水器加热即可，加热好的水 在实际充填中由于管道摩擦等因素，膏体温度 通过管道自流至搅拌槽供水点.为了防止水温下 会有所提升，综合考虑加热成本控制，因此，工程应 降，尽量缩短管道输送距离.因此，热水器建议安装 用中对搅拌槽中的膏体料温度提升至15℃即可. 至一级搅拌机旁，采用钢支架建立平台使得热水器 想要达到目标温度15℃，即伽师膏体温度需要增加 高于搅拌槽，便于自流.需要定制一台工业电热水 8.6℃，对应的水温需要升高15.3℃，即水温需要由 器，供水能力6~8t-h-1,功率400kW,价格约每台 6℃升高至21.3℃ 9.5万元.每小时用电成本200元，平均每方充填料 伽师铜矿深锥底流浓度（底流矿浆质量分数） 增加2.5~3.3元（平均2.9元）运营成本 约为76%，则底流浓缩尾矿中含有的水的质量为 在此需要说明的是，本计算是在膏体温度6℃ 330kg,则每立方米充填料需要额外补水102kg.也 极端低温情况下的运营成本，如果膏体温度大于6 就是需要将330kg、温度为6℃的水与102kg某一 ℃时，高温补水用电量会减少，相应的使用成本也会 温度的水混合，水温需要达到21.3℃.经计算，额 低于2.9元.由于当膏体料温度较低时，即使水泥 外补水102kg·m-3水温需要达到70.8℃.当水温达 添加量较大，也会因为水泥水化速率较慢而无法发 到100℃时，同样计算方法，最终的膏体温度为18.9℃. 挥其功效.尤其是对铜辉矿山来说，采用VCR法开 因此，需为新疆伽师铜矿音体系统设计一个高 采时，如果大体积音体料存在早期凝结性能差的问
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 度、比热容以及添加量. 式(5)给出了膏体的温度与 各集料温度之间的本构关系[15] : T = 0郾 22(TaMa + TCMC ) + TW MW + TWaMWa 0郾 22(Ma + MC ) + MW + MWa (5) 式中:T 代表混合后的膏体温度,益 ;Ta、TC 、TW 和 TWa分别代表集料(尾矿、粗骨料) 温度、水泥温度、 混合水的温度以及集料中自由水的温度,益 ,通常 Ta = TWa;Ma、MC 、MW 和 MWa分别代表集料、胶凝材 料、混合水、以及集料中自由水的质量,kg. 伽师铜矿膏体充填质量分数 78% ,灰砂比 1 颐 10,尾废比为 3颐 1;计算得到 1 m 3充填料中各种集料 质量如表 4. 通过现场跟班,伽师铜矿冬季水泥最低 温度 10 益 ,水最低温度 6 益 ,全尾砂浆最低温度 6 益 ,碎石最低温度 8 益 ,根据伽师铜矿各集料冬季温 度,结合其质量、比热容等参数,计算获得各材料总 热量如表 5. 由表 5 可知,膏体料温度调控最易实现 的是对其水温进行调控,主要是因为水的比热容最 大,可以实现较少量水温调整改善整个膏体料的最 终温度. 并且该矿膏体中添加粗骨料,除了浓密机 底流中的水量,还额外需要进行加水稀释. 因此,拟 通过提升额外加水点的水温,对整个膏体温度进行 调整,改善其早期凝结性能,且不会造成膏体浓度 稀释. 表 4 伽师铜矿膏体配料表 Table 4 Paste ratio of Jiashi Copper Mine 原料 料浆单耗/ (t·m - 3 ) 全尾砂 1郾 045 水泥 0郾 139 碎石 0郾 348 水 0郾 432 表 5 伽师铜矿膏体各组分总热量 Table 5 Total heat of paste aggregate at Jiashi Copper Mine 材料 质量/ kg 比热容/ (kJ·kg - 1·K - 1 ) 每升高 1 益 温度所需热量/ kJ 各组分温度/ 益 材料总热量/ kJ 水泥 139 0郾 92 128 10 1280 混合水 432 4郾 184 1807 6 10842 全尾砂(集料) 1045 0郾 92 961 6 5766 碎石(集料) 348 0郾 92 320 8 2560 总量 3216 20448 注:图中的量分别标号为(1) 质量,(2) 比热容,(3) 每升高 1 益温度所需热量,(4) 各组分温度,(5) 材料总热量;相互计算关系为(3) = (1) 伊 (2),(5) = (3) 伊 (4). 根据表 5,计算得到该全尾膏体初始膏体温度 为 6郾 4 益 (计算依据为 20448 / 3216);要想膏体温度 每升高 1 益 ,则需水温必须升高 1郾 78 益 (计算依据 为 3216 / 1807). 一般来讲,膏体温度范围为 20 ~ 35 益时,其强度效果最佳[16] . 在实际充填中由于管道摩擦等因素,膏体温度 会有所提升,综合考虑加热成本控制,因此,工程应 用中对搅拌槽中的膏体料温度提升至 15 益 即可. 想要达到目标温度 15 益 ,即伽师膏体温度需要增加 8郾 6 益 ,对应的水温需要升高 15郾 3 益 ,即水温需要由 6 益升高至 21郾 3 益 . 伽师铜矿深锥底流浓度(底流矿浆质量分数) 约为 76% ,则底流浓缩尾矿中含有的水的质量为 330 kg,则每立方米充填料需要额外补水 102 kg. 也 就是需要将 330 kg、温度为 6 益 的水与 102 kg 某一 温度的水混合,水温需要达到 21郾 3 益 . 经计算,额 外补水102 kg·m - 3水温需要达到70郾 8 益 . 当水温达 到100益时,同样计算方法,最终的膏体温度为18郾 9益. 因此,需为新疆伽师铜矿膏体系统设计一个高 温补水点,补水温度为 70 ~ 100 益 ,最终膏体温度为 15 ~ 19 益 . 补水量约为 102 kg·m - 3充填料,实际充 填能力为 60 ~ 80 m 3·h - 1 ,则补水点流量约为 6郾 12 ~ 8郾 16 t·h - 1 . 高温补水点具体添加方式如图 4. 高温补水采用电热水器加热即可,加热好的水 通过管道自流至搅拌槽供水点. 为了防止水温下 降,尽量缩短管道输送距离. 因此,热水器建议安装 至一级搅拌机旁,采用钢支架建立平台使得热水器 高于搅拌槽,便于自流. 需要定制一台工业电热水 器,供水能力 6 ~ 8 t·h - 1 ,功率 400 kW,价格约每台 9郾 5 万元. 每小时用电成本 200 元,平均每方充填料 增加 2郾 5 ~ 3郾 3 元(平均 2郾 9 元)运营成本. 在此需要说明的是,本计算是在膏体温度 6 益 极端低温情况下的运营成本,如果膏体温度大于 6 益时,高温补水用电量会减少,相应的使用成本也会 低于 2郾 9 元. 由于当膏体料温度较低时,即使水泥 添加量较大,也会因为水泥水化速率较慢而无法发 挥其功效. 尤其是对铜辉矿山来说,采用 VCR 法开 采时,如果大体积膏体料存在早期凝结性能差的问 ·928·
王勇等：低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 ·929· 泵送剂水泥 工业电热水器 浓密机底流 功率 粗骨料 400kW 补水管道自流 流量 (水温70-100℃) 7t-h1 支撑平台 高温水供给系统 ATD600双轴叶片搅拌机 ATD700双轴叶片搅拌机 充填管道 图4伽师铜矿膏体充填系统高温补水点方案 Fig.4 High temperature water adding program for Jiashi Copper Mine paste backfill system 题，不仅影响了采矿效率，更是会造成井下生产安全 paste tailings.Met Mine,2017(1):30 隐患.因此，从采充周期和安全角度来讲，仅在冬季 (李亮，张束，Hassani Ferri,等.膏体尾矿屈服应力的塌落度 试验研究.金属矿山，2017(1)：30) 寒冷情况下增加每立方米2.9元的充填料的使用成 [3]Wu A X,Wang Y,Wang H J.Status and prospects of the paste 本，这对整个矿山来说是利大于弊的. backfill technology.Met Mine,2016(7):I (吴爱祥，王勇，王洪江.膏体充填技术现状及趋势.金属矿 4结论 山，2016(7)：1) (1)针对新疆伽师铜矿冬季膏体温度较低（小 [4]Guo LJ,Yang X C,Xu W Y,et al.Industrial practice on optimi- zing tailings composition combined with ore concentration proces- 于10℃)的情况，对不同配比下129个膏体试块进 ses.China Min Mag,2017,26(4):99 行强度测试.结果表明，伽师铜矿膏体在7d时的强 (郭利杰，杨小聪，许文远，等.基于选矿流程的尾矿优选组 度演化遵循2℃时水化反应度进程，而28d与3d强 合膏体充填技术.中国矿业，2017,26(4)：99) 度比值则与28d20℃与3d2℃时水化反应度比值 [5]Yang L.H,Wang H J.Wu A X,et al.Gradation optimization of 基本一致.这表明伽师膏体温度较低，初期(7d)反 unclassified tailings paste with Gobi aggregates.Chin Nonferrous Met,2016,26(7):1552 应速率较慢，而当在养护箱中养护一段时间之后，膏 (杨柳华，王洪江，吴爱祥，等.全尾砂戈壁集料膏体充填粒 体温度逐渐升高，水化反应进度在28d时与20℃情 级优化.中国有色金属学报，2016,26(7)：1552) 况下的水化反应速率持平. [6]Wu A X,Wang Y,Wang H J,et al.Coupled effects of cement (2)针对伽师铜矿音体在冬季早期强度发展缓 type and water quality on the properties of cemented paste backfill. 慢的问题，首次提出了充填系统添加高温补水点的 Int J Miner Process,2015,143:65 [7]Fall M,Belem T,Samb S,et al.Experimental characterization of 工程建议.根据伽师铜矿膏体实际配比，理论计算 the stress-strain behaviour of cemented paste backfill in compres- 出高温补水量为6~8m3.h-1,水温70~100℃，膏 sion.J Mater Sci,2007,42(11):3914 体温度可由6℃提高至15~19℃：建议采用工业热 [8]Yilmaz E,Kesima A,Ercidi B.Strength development of paste 水器提供高温水，热水器功率保守选择400kW可满 backfill simples at long term using different binders /Proceedings 足加热要求，每方充填料增加2.9元成本. of 8th Symposium MineFill04.China,2004:281 [9]Wang Y,Wu A X,Wang H J,et al.Damage constitutive model 参考文献 of cemented tailing paste under initial temperature effect.Chin J Eng,2017,39(1):31 [1]Wu A X,Wang H J.Theory and Technology of Metal Mine Ce- (王勇，吴爱祥，王洪江，等.初始温度条件下全尾胶结膏体 mented Paste Backfill.Beijing:Science Press,2015 损伤本构模型.工程科学学报，2017,39(1)：31) (吴爱祥，王洪江.金属矿膏体充填理论与技术.北京：科学 [10]Zhan HH,Long X B.Zhan X H.Fluid Mechanic Chemistry 出版社，2015) Theory.Changsha:Central South University Press,2007 [2]Li L,Zhang J,Hassani F,et al.Slump tests for yield stress of (湛含辉，龙小兵，湛雪辉.流体力化学原理.长沙：中南大
王 勇等: 低温对某铜矿膏体充填早期强度影响及工程建议 图 4 伽师铜矿膏体充填系统高温补水点方案 Fig. 4 High temperature water adding program for Jiashi Copper Mine paste backfill system 题,不仅影响了采矿效率,更是会造成井下生产安全 隐患. 因此,从采充周期和安全角度来讲,仅在冬季 寒冷情况下增加每立方米 2郾 9 元的充填料的使用成 本,这对整个矿山来说是利大于弊的. 4 结论 (1)针对新疆伽师铜矿冬季膏体温度较低(小 于 10 益 )的情况,对不同配比下 129 个膏体试块进 行强度测试. 结果表明,伽师铜矿膏体在 7 d 时的强 度演化遵循 2 益时水化反应度进程,而 28 d 与 3 d 强 度比值则与 28 d 20 益与 3 d 2 益 时水化反应度比值 基本一致. 这表明伽师膏体温度较低,初期(7 d)反 应速率较慢,而当在养护箱中养护一段时间之后,膏 体温度逐渐升高,水化反应进度在 28 d 时与 20 益情 况下的水化反应速率持平. (2)针对伽师铜矿膏体在冬季早期强度发展缓 慢的问题,首次提出了充填系统添加高温补水点的 工程建议. 根据伽师铜矿膏体实际配比,理论计算 出高温补水量为 6 ~ 8 m 3·h - 1 ,水温 70 ~ 100 益 ,膏 体温度可由 6 益提高至 15 ~ 19 益 ;建议采用工业热 水器提供高温水,热水器功率保守选择 400 kW 可满 足加热要求,每方充填料增加 2郾 9 元成本. 参 考 文 献 [1] Wu A X, Wang H J. Theory and Technology of Metal Mine Ce鄄 mented Paste Backfill. Beijing: Science Press, 2015 (吴爱祥, 王洪江. 金属矿膏体充填理论与技术. 北京: 科学 出版社, 2015) [2] Li L, Zhang J, Hassani F, et al. Slump tests for yield stress of paste tailings. Met Mine, 2017(1): 30 (李亮, 张柬, Hassani Ferri, 等. 膏体尾矿屈服应力的塌落度 试验研究. 金属矿山, 2017(1): 30) [3] Wu A X, Wang Y, Wang H J. Status and prospects of the paste backfill technology. Met Mine, 2016(7): 1 (吴爱祥, 王勇, 王洪江. 膏体充填技术现状及趋势. 金属矿 山, 2016(7): 1) [4] Guo L J, Yang X C, Xu W Y, et al. Industrial practice on optimi鄄 zing tailings composition combined with ore concentration proces鄄 ses. China Min Mag, 2017, 26(4): 99 (郭利杰, 杨小聪, 许文远, 等. 基于选矿流程的尾矿优选组 合膏体充填技术. 中国矿业, 2017, 26(4): 99) [5] Yang L H, Wang H J, Wu A X, et al. Gradation optimization of unclassified tailings paste with Gobi aggregates. Chin J Nonferrous Met, 2016, 26(7): 1552 (杨柳华, 王洪江, 吴爱祥, 等. 全尾砂戈壁集料膏体充填粒 级优化. 中国有色金属学报, 2016, 26(7):1552) [6] Wu A X, Wang Y, Wang H J, et al. Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill. Int J Miner Process, 2015, 143: 65 [7] Fall M, Belem T, Samb S, et al. Experimental characterization of the stress鄄strain behaviour of cemented paste backfill in compres鄄 sion. J Mater Sci, 2007, 42(11): 3914 [8] Yilmaz E, Kesima A, Ercidi B. Strength development of paste backfill simples at long term using different binders / / Proceedings of 8th Symposium MineFill04. China, 2004: 281 [9] Wang Y, Wu A X, Wang H J, et al. Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect. Chin J Eng, 2017, 39(1): 31 (王勇, 吴爱祥, 王洪江, 等. 初始温度条件下全尾胶结膏体 损伤本构模型. 工程科学学报, 2017, 39(1): 31) [10] Zhan H H, Long X B, Zhan X H. Fluid Mechanic Chemistry Theory. Changsha: Central South University Press, 2007 (湛含辉, 龙小兵, 湛雪辉. 流体力化学原理. 长沙: 中南大 ·929·
.930· 工程科学学报，第40卷，第8期 学出版社，2007) 534 [11]Wu A X,Wang Y,Zhou B,et al.Effect of initial backfill tem- [14]Schindler A K.Effect of temperature on hydration of cementitious perature on the deformation behavior of early age cemented paste materials.ACI Mater J,2004,101(1):72 backfill that contains sodium silicate.Ade Mater Sci Eng,2016: [15]Kosmatka S H,Panarese W C.Kerkhoff B.Design and Control 1 of Concrete Mixtures.14th Ed.Skokie,IL:Portland Cement As- [12]Abdul-Hussain N,Fall M.Unsaturated hydraulic properties of sociation,2002 cemented tailings backfill that contains sodium silicate.Eng Ge- [16]Wang Y,Fall M,Wu A X.Initial temperature-dependence of od,2011,123(4):288 strength development and self-desiccation in cemented paste [13]Pane I.Hansen W.Concrete hydration and mechanical proper- backfill that contains sodium silicate.Cem Coner Compos,2016. ties under nonisothermal conditions.AC/Mater J,2002,99(6): 67:101
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 学出版社, 2007) [11] Wu A X, Wang Y, Zhou B, et al. Effect of initial backfill tem鄄 perature on the deformation behavior of early age cemented paste backfill that contains sodium silicate. Adv Mater Sci Eng, 2016: 1 [12] Abdul鄄Hussain N, Fall M. Unsaturated hydraulic properties of cemented tailings backfill that contains sodium silicate. Eng Ge鄄 ol, 2011, 123(4): 288 [13] Pane I, Hansen W. Concrete hydration and mechanical proper鄄 ties under nonisothermal conditions. ACI Mater J, 2002, 99(6): 534 [14] Schindler A K. Effect of temperature on hydration of cementitious materials. ACI Mater J, 2004, 101(1): 72 [15] Kosmatka S H, Panarese W C, Kerkhoff B. Design and Control of Concrete Mixtures. 14th Ed. Skokie, IL: Portland Cement As鄄 sociation, 2002 [16] Wang Y, Fall M, Wu A X. Initial temperature鄄dependence of strength development and self鄄desiccation in cemented paste backfill that contains sodium silicate. Cem Concr Compos, 2016, 67: 101 ·930·
