高硫尾砂膠結(jié)充填體強度影響因素實驗研究及應(yīng)用

郭進(jìn)平，強 浩，王小林，皇甫風(fēng)成，張 明，嚴(yán)宏君，張曉峰

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安710055；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083;3.新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆 哈巴河 836700)

尾砂是我國產(chǎn)出量最大、綜合利用率最低的大宗固體廢棄物之一，每年以12億t的增長速度堆存在尾礦庫中[1]，成為潛在的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染源頭[2-3].因此，進(jìn)行尾砂利用是礦山安全、綠色開采的必然要求[4].隨著國家對環(huán)保的日益重視，自2018年起尾砂排放將征收15元/t的環(huán)保稅，礦山排尾成本顯著提高.同樣因為環(huán)保的影響，河沙、山石和戈壁料等傳統(tǒng)充填骨料開采成本逐年攀高，且不少地方開始限制開采，礦山獲取充填骨料的成本和難度越來越大.而全尾砂全部或部分取代傳統(tǒng)充填骨料用于井下充填可以有效防止地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染[5-6]，達(dá)到“一廢治兩害(采空區(qū)、尾礦庫)”的效果[7]，還能節(jié)省礦山充填成本，在環(huán)保、安全、經(jīng)濟方面均具有顯著優(yōu)勢.

充填體強度達(dá)標(biāo)是礦山安全開采的前提保證[8]，但有色礦山尾砂大多含有硫化物，硫含量超過某一臨界值后會劣化充填體長期強度[1].現(xiàn)有研究中，骨料硫含量的臨界值存在較大差異，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%[9]、3.64%[10]、12%[11]到18.3%[12]不等.究其原因，充填體強度既與充填料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)[13]，還與灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期和料漿濃度等因素有關(guān)[14-18].由于各礦山在充填料性質(zhì)和充填參數(shù)等方面具有“特異性”，以上研究關(guān)于各因素對充填體強度的影響規(guī)律和主次排序均有較大差異[16-19]，還需針對特定礦山對上述內(nèi)容進(jìn)一步研究.

新疆某銅礦采用充填采礦法，每年充填量超過40萬m3，有大量消耗尾砂的潛力.但全尾砂中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過38%，不宜單獨作為充填骨料.論文以此為工程背景，用高硫尾砂與戈壁料混合作為充填骨料，通過全面實驗法研究硫含量、灰砂比、質(zhì)量濃度、養(yǎng)護(hù)齡期4個因素對膠結(jié)充填體單軸抗壓強度的影響規(guī)律，確定骨料中尾砂的適宜添加量，并借助灰關(guān)聯(lián)法分析各因素對充填體強度影響的主次排序，最后對工程應(yīng)用提出改進(jìn)建議.

1 實驗

1.1 實驗材料

全尾砂來自礦山選礦廠，戈壁料來自礦山附近采集點，膠凝材料為32.5硅酸鹽水泥.骨料粒度分布如圖1.

圖1 全尾砂及戈壁料粒徑分布

測得骨料的基本物理參數(shù)如表1.

表1 實驗材料基本物理參數(shù)

測得骨料的化學(xué)組分如表2.

表2 實驗材料化學(xué)成分含量

1.2 實驗設(shè)計

采用全面實驗法，考查硫含量(混合骨料的質(zhì)量占比)、質(zhì)量濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期4個因素對膠結(jié)充填體單軸抗壓強度的影響.每個因素設(shè)計4個水平，如表3.為方便操作，硫含量用尾砂含量進(jìn)行換算，表3中硫含量從小到大依次對應(yīng)尾砂含量15%、20%、25%、30%.

表3 實驗考慮的因素和水平

試塊采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)模具澆筑，24 h后拆模，在溫度20±1 ℃、相對濕度90%以上的環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到齡期后進(jìn)行測試.

2 實驗結(jié)果分析

除養(yǎng)護(hù)齡期外，其余因素分析時均采用充填體的60 d單軸抗壓強度值.對實驗結(jié)果均采用多種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，論文中列出擬合優(yōu)度R2最高的結(jié)果.

2.1 硫含量對充填體強度的影響

對64組60 d強度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度R2的平均值為0.973，擬合結(jié)果如圖2.

圖2 硫含量與充填體強度的擬合關(guān)系

由圖2可知，充填體強度隨硫含量的增加呈線性增長.硫含量5.88%、7.82%、9.77%、11.72%對應(yīng)的各組所有試塊的60 d平均強度分別為2.90 MPa、3.35 MPa、3.70 MPa、4.25 MPa，硫含量由5.88%(尾砂15%)增加至11.72%(尾砂30%)時，充填體平均強度提高46.6%.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，充填體強度St隨尾砂含量x1增加同樣呈線性增長，可表示為St=a1+b1x1(a1、b1為與灰砂比、濃度和養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)的回歸系數(shù)).

2.2 灰砂比對充填體強度的影響

進(jìn)一步分析圖2中數(shù)據(jù)可知，充填體強度St隨灰砂比x2的增加呈線性增長，可表示為St=a2+b2x2(a2、b2為與尾砂含量、濃度和養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)的回歸系數(shù))，擬合優(yōu)度R2的平均值為0.991.

灰砂比1∶10、1∶8、1∶6、1∶4對應(yīng)的各組所有試塊的60 d平均強度分別為1.63 MPa、2.26 MPa、3.78 MPa、6.50 MPa，灰砂比由1∶10增加至1∶4時，充填體平均強度提高298.8%.

2.3 濃度對充填體強度的影響

進(jìn)一步分析圖2中數(shù)據(jù)可知，充填體強度St隨料漿濃度x3的增加呈線性增長，可表示為St=a3+b3x3(a3、b3為與尾砂含量、灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)的回歸系數(shù))，擬合優(yōu)度R2的平均值為0.971.

料漿濃度75%、77%、79%、81%對應(yīng)的各組所有試塊的60 d平均強度分別為2.66 MPa、3.21 MPa、3.75 MPa、4.57 MPa，料漿濃度由75%增加至81%時，充填體平均強度提高71.8%.

2.4 養(yǎng)護(hù)齡期對充填體強度的影響

對256組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度R2的平均值為0.961，擬合結(jié)果如圖3.

研究表明，含硫量超過臨界值后，充填體從28 d開始產(chǎn)生不可逆的強度劣化[10-11，20-22]，論文實驗范圍內(nèi)未觀察到此種現(xiàn)象，而是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加強度呈多項式函數(shù)增長，在60 d時趨于平緩.因此認(rèn)為含硫量低于11.72%時不會對充填體長期強度造成明顯的劣化，確定骨料中尾砂占比為30%，以降低戈壁料用量和充填成本.

對全面實驗獲得的256組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到充填體強度St與尾砂含量x1、灰砂比x2、料漿濃度x3、養(yǎng)護(hù)齡期x4四個因素的函數(shù)關(guān)系：

0.388 1x1x2+0.003 8x1x3+2.025x2x3+

0.393 2x2x4+0.003 3x3x4-0.292 8x1-

156.0x2-2.058 4x3-0.21x4+89.71

(1)

擬合優(yōu)度R2=0.978，可作為礦山調(diào)整相關(guān)參數(shù)并預(yù)測充填體強度的依據(jù).

2.5 充填體強度影響因素主次排序

獲得充填體強度影響因素的主次排序，有助于礦山有針對性地采取工程應(yīng)對措施.

灰關(guān)聯(lián)分析能精確地尋找兩個系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性的大小，能克服傳統(tǒng)單因素分析無法同時考慮所有因素影響的局限性[23].論文引入灰關(guān)聯(lián)分析法研究各因素對充填體強度影響的主次排序，主要步驟為[18]

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期與充填體強度的擬合關(guān)系

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立母數(shù)列(充填體強度)X0(t)和子數(shù)列(各影響因素)Xi(t).

X0(t)={X0(1),X0(2),…X0(m)}，

Xi(t)={Xi(1),Xi(2),…Xi(m)}

其中:t為實驗組數(shù)，i為影響因素個數(shù).

(2)對母數(shù)列和子數(shù)列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.

(2)

子數(shù)列處理方法與(2)式相同.

(3)求標(biāo)準(zhǔn)化后的母數(shù)列X0(t)和子數(shù)列Xi(t)在序列t=k時的關(guān)聯(lián)度ξ0i(k)：

(3)

(4)計算子序列與母序列的關(guān)聯(lián)度R0i：

(4)

R0i越大表明關(guān)聯(lián)度越大，即因素對充填體強度的影響越大.

將實驗得到的256組數(shù)據(jù)按照步驟(1)～(4)進(jìn)行處理，得到尾砂含量、灰砂比、濃度、養(yǎng)護(hù)齡期的灰關(guān)聯(lián)度分別為0.618 0、0.730 1、0.626 2、0.726 9，分析此結(jié)果可知：

(1)灰砂比對充填體強度影響最大，提高灰砂比能顯著提高充填體強度，但也意味著充填成本的升高.

(2)養(yǎng)護(hù)齡期對充填體強度的影響略次于灰砂比，但也明顯大于濃度和尾砂含量的影響，在采充周期允許的情況下，延長養(yǎng)護(hù)時間是提高充填體強度最經(jīng)濟有效的辦法.

(3)濃度對充填體強度的影響略大于尾砂含量，在滿足流動性的前提下，應(yīng)盡量提高料漿濃度.

3 工程應(yīng)用及建議

礦山采用的充填濃度為77%，骨料中尾砂摻量為30%.階段空場嗣后充填為主要采礦方法，采場高50 m，寬12 m，長為礦體厚度，頂部和底部8 m灰砂比1∶4，上部和下部10 m灰砂比1∶6，中部14 m灰砂比1∶8.二步驟回采時充填體未出現(xiàn)大規(guī)模垮落現(xiàn)象.

礦山部分高品位破碎礦石采用下向進(jìn)路充填開采，進(jìn)路沿礦體走向進(jìn)行南北布置，南北2條進(jìn)路同時開采，進(jìn)路長50 m，每日進(jìn)尺1.5～2.0 m，工期25～33 d.2條進(jìn)路回采完畢后同時充填，灰砂比1:4，充填3～7 d后開采相鄰進(jìn)路.缺點是充填體養(yǎng)護(hù)時間過短，且頻繁受爆破擾動，影響強度增長.

料漿濃度77%、尾砂含量30%時，灰砂比1∶4的7 d強度為2.88 MPa，1∶6的28 d強度為3.49 MPa，后者比前者高21.2%，同時滿足《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范(GB50771-2012)》關(guān)于下向進(jìn)路充填體單軸抗壓強度不小于3 MPa的要求.

因此建議將南北進(jìn)路同時開采改為南北進(jìn)路交叉開采，充填體養(yǎng)護(hù)時間可由3～7 d延長至28 d，同時將灰砂比由1∶4降為1∶6，如此可在滿足充填體強度和采充周期的同時降低充填成本.改進(jìn)后的施工組織方案如圖4.

圖4 進(jìn)路采礦施工組織改進(jìn)方案

礦山每天需要4個進(jìn)路采礦工作面，根據(jù)現(xiàn)有開拓情況，可以實現(xiàn)上述改進(jìn)方案.

4 結(jié)論

(1)骨料含硫量低于11.72%(全尾砂摻量30%)時不會劣化充填體長期強度，充填體強度隨灰砂比、濃度和硫含量增加呈線性增長，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加呈多項式函數(shù)增長.

(2)回歸得到充填體強度與尾砂含量、灰砂比、濃度和養(yǎng)護(hù)齡期的函數(shù)關(guān)系，充填體強度影響因素的主次排序為灰砂比>養(yǎng)護(hù)齡期>濃度>尾砂含量.采充周期允許時，延長養(yǎng)護(hù)時間是提高充填體強度最經(jīng)濟有效的辦法.

(3)建議礦山將南北進(jìn)路同時開采改為南北進(jìn)路交叉開采以延長養(yǎng)護(hù)時間，灰砂比由1∶4降為1∶6，可在滿足充填體強度和采充周期的同時降低充填成本.