金川全尾砂新型充填膠凝材料激發(fā)劑配比與力學(xué)特性研究

田立鵬，楊志強(qiáng)，，高 謙＊，把多恒

（1．北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2．金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌737100）

工業(yè)社會的飛速發(fā)展帶來了礦產(chǎn)需求量的迅速增加，而大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生了大量固體廢棄物，這些廢棄物以尾礦為主。資源開發(fā)利用和廢棄物的排放同時也產(chǎn)生了不可避免的環(huán)境問題。建設(shè)尾礦庫存儲選礦尾砂不僅會占用大量土地，而且還會污染環(huán)境，甚至產(chǎn)生潛在潰壩、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。充填采礦法具有礦石回收率高、貧化率低、采礦安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被逐漸應(yīng)用于各種資源開發(fā)，尤其是全尾砂膠結(jié)充填法，可以將選礦尾砂全部回填于地下采場，不僅能夠控制采場地壓，提高采場整體穩(wěn)定性，而且還能防止巖層移動和地表塌陷，實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

由于全尾砂充填料細(xì)泥含量高，目前普遍采用水泥作為膠結(jié)材料進(jìn)行膠結(jié)充填，導(dǎo)致充填采礦成本高，從而降低了資源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，限制了全尾砂充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用。針對全尾砂膠凝充填材料，利用礦渣脫硫開展低成本、高強(qiáng)度的全尾砂新型膠凝材料的開發(fā)研究顯得至關(guān)重要［1－9］。

新型膠凝材料是針對以往采用的將水泥作為膠凝材料使用而言，該材料取堿和鹽類等作為復(fù)合激發(fā)劑來激發(fā)礦渣微粉等材料的潛在活性，并使其發(fā)生水化反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)膠凝充填的效果。本文所研究的新型膠凝材料以礦渣作為膠結(jié)劑，用石灰、脫硫灰渣作為主要激發(fā)劑來激發(fā)其活性，同時加入芒硝和NaOH來提高其前期的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)獲得了一組數(shù)據(jù)［10－18］，用 MATLAB軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析和預(yù)測［19］。研究表明，新型膠凝材料7d和28d強(qiáng)度分別是32．5R水泥強(qiáng)度的2倍以上，同時成本低于32．5R水泥。

1 全尾砂及膠凝材料原材料性質(zhì)

1．1 全尾砂充填料

采用金川鎳礦全尾砂，在現(xiàn)場進(jìn)行尾砂取樣，離析沉淀、烘干后得到全尾砂。經(jīng)測量，尾砂密度為2．83t／m3，容重為1．14t／m3，孔隙率為59．72%。尾砂的化學(xué)成分測定結(jié)果見表1。

表1 全尾砂的化學(xué)成分Table 1 Chemical constituents of full tailings

對尾砂進(jìn)行粒徑分析，測得其全粒級組成如表2所示。分布粒徑如下：d10＝5．90μm、d50＝62．18 μm、d90＝124．35μm、d平均＝64．55μm，尾砂偏細(xì)，Cu＝12．71，物料的密實(shí)性不是很好。采用傳統(tǒng)水泥作為膠結(jié)劑進(jìn)行充填，效果會比較差。由此可見開發(fā)新型膠凝材料是十分必要的。

表2 全尾砂粒級組成Table 2 Particle size compositions of full tailings

1．2 新型膠凝材料原料

選用礦渣微粉是由唐龍新型建材有限公司所生產(chǎn)，其性質(zhì)參數(shù)和化學(xué)成分分析結(jié)果見表3和表4。

表3 礦渣的性質(zhì)參數(shù)Table 3 Property parameters of slag

表4 礦渣的化學(xué)成分Table 4 Chemical constituents of slag

1．3 激發(fā)劑

采用唐山某電廠發(fā)電過程中脫硫得到的副產(chǎn)品——脫硫灰渣，化學(xué)成分構(gòu)成如表5所示。

選用唐山某公司生產(chǎn)的高鈣石灰，相對密度2．32g／cm3，平均粒徑21．84μm，比表面積2 662 cm2／g。該石灰的CaO含量為86．06%，MgO含量為12．61%，二者合計(jì)含量達(dá)到98．67%。由此可見，高鈣石灰為優(yōu)等品。芒硝和NaOH均為購買的高純度工業(yè)原料。

表5 脫硫灰渣化學(xué)成分Table 5 Chemical constituents of desulfurization ash

2 激發(fā)劑配比正交試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)方案

采用料漿濃度為78%，膠砂比為1︰4。選取石灰、脫硫灰渣、芒硝、NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為試驗(yàn)因素，礦渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由上述4因素決定。各因素設(shè)置3個水平，水平上下限由前期試驗(yàn)確定。因此本試驗(yàn)為4因素3水平正交試驗(yàn)，進(jìn)行兩次試驗(yàn)，因素與水平情況均見表6。

表6 前期試驗(yàn)確定的優(yōu)化配比設(shè)計(jì)的因素與水平Table 6 Factor and level of determined optimization proportioning design

2．2 試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)試驗(yàn)方案，將膠凝材料、水、全尾砂混合后，使用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌180s，制成膠砂后將其倒入7．07cm×7．07cm×7．07cm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模中，用水泥膠砂試體成型振實(shí)臺振實(shí)成型。將三聯(lián)試模編號后放入YH－40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±1℃、濕度不低于95%。養(yǎng)護(hù)48h后進(jìn)行脫模，脫模后繼續(xù)放置養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至達(dá)到養(yǎng)護(hù)期齡（3d、7d和28d），用SANS數(shù)顯固定位移壓機(jī)以0．5mm／s勻速加荷，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度的測定，分別測試各組試塊3種齡期下的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表7。

表7 全尾砂新型充填膠凝材料配比正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The optimization proportioning experimental results of new filling cementations material of whole tailings

3 激發(fā)劑配比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測

3．1 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

為了揭示全尾砂新型充填膠凝材料激發(fā)劑添加量對充填體強(qiáng)度的影響與變化規(guī)律，采用表6中的18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測研究，其中以A9和C9兩組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，其余的16組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本。通過對16組試驗(yàn)樣本的訓(xùn)練，獲得全尾砂充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑材料配比之間的隱含關(guān)系。

3．2 模型進(jìn)度檢驗(yàn)與修正

首先根據(jù)表6中的試驗(yàn)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，直至收斂。然后，采用收斂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行2個檢驗(yàn)樣本的預(yù)測，將預(yù)測值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析和誤差計(jì)算。由于受試驗(yàn)因素的影響，個別試驗(yàn)樣本可能存在異常，需要根據(jù)樣本的誤差值來剔除異常樣本。設(shè)定樣本誤差允許值為5%，對剔除誤差大于5%后剩下的樣本繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練，直至所有的樣本誤差均在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，由此獲得滿足精度要求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

3．3 網(wǎng)絡(luò)模型的選取

由Kolmogorov定理可知，3層前向網(wǎng)絡(luò)可以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)，所以選取網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)為3層。第1層為輸入層，為4個神經(jīng)元，分別代表生石灰、脫硫灰渣、芒硝和NaOH。第2層為隱含層，神經(jīng)元數(shù)選為8，第3層為輸出層，分別研究3d、7d和28d的強(qiáng)度，故選取神經(jīng)元數(shù)為1。

3．4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

為了使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練一開始就給各輸入分量以同等重要地位，加快網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和計(jì)算收斂效率，將輸入層數(shù)據(jù)歸一化至［0，1］，同理，預(yù)測結(jié)果需進(jìn)行反歸一化處理，處理后的數(shù)據(jù)才是真實(shí)的結(jié)果。采用建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測，兩組優(yōu)化配比的充填體強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果見表8。

表8 檢驗(yàn)樣本的試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果Table 8 The experimental results and prediction results of testing sample

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試樣本的訓(xùn)練誤差曲線以及訓(xùn)練結(jié)果分析Fig．1 Training error curve and training result analysis of test sample of BP neural network

運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對充填體3d的強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練步數(shù)為31步，精度達(dá)到8．2006×10－5，相關(guān)系數(shù)為0．99945；對充填體7d的強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練步數(shù)為24步，精度達(dá)到3．5974×10－6，相關(guān)系數(shù)為0．99998；對充填體28d的強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練步數(shù)為12步，精度達(dá)到7．732×10－5，相關(guān)系數(shù)為0．99975。由于類似，僅列舉3d的誤差曲線以及測試樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果分析圖，見圖1。

4 激發(fā)劑影響規(guī)律研究

由表6可見，全尾砂新型膠凝材料激發(fā)劑最優(yōu)配比為生石灰7%、脫硫灰渣16%、芒硝3%和NaOH 0．5%。7d和28d的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，但3d強(qiáng)度偏低，故需研究各因素對于膠凝材料早期強(qiáng)度的影響。由化學(xué)成分可知，礦渣在一定的堿性環(huán)境中，OH－離子能促使硅氧聚合鏈的鍵破壞從而加速其分解溶解，再加入定量的硫酸鹽使之形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，能夠較為充分地激發(fā)其活性。因此先固定石灰和脫硫灰渣的用量，研究芒硝和NaOH的添加量對于早期強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)如表9的試驗(yàn)方案進(jìn)行預(yù)測。

表9 NaOH和芒硝不同摻量條件下充填體3d強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果Table 9 The prediction results of filling body’s 3dstrength in different mixing amount of NaOH and mirabilite

由表9中數(shù)據(jù)可得出芒硝和NaOH摻量增加對于強(qiáng)度值的影響關(guān)系圖，考慮到芒硝與NaOH的價格偏高，僅列舉NaOH摻量水平較低部分的水平關(guān)系，如圖2所示。

分析以上數(shù)據(jù)可知，NaOH和芒硝同時增加時，強(qiáng)度值保持在較高水平，選取每個NaOH水平在強(qiáng)度最高時的芒硝摻量，擬合得到NaOH（設(shè)為y）和芒硝（設(shè)為x）獲得最大強(qiáng)度時的關(guān)系式y(tǒng)＝0．44x－0．813（R2＝0．981）。綜合以上研究，確定最優(yōu)配比為生石灰7%、脫硫灰渣16%、芒硝2．5%、NaOH 0．3%。將最優(yōu)配比與水泥進(jìn)行強(qiáng)度對比，結(jié)果見表10。

圖2 不同NaOH摻量下充填體3d強(qiáng)度與芒硝含量關(guān)系曲線Fig．2The filling body’s 3dstrength－mirabilite content curve in different mixing amount of NaOH

表10 新型充填膠凝材料最優(yōu)配比結(jié)果與水泥對比試驗(yàn)結(jié)果Table 10 The results of optimal formulation for new filling cementitious material and the contrast test of cement

5 結(jié)論

1）本研究所選用的全尾砂砂粒過細(xì)，含有較多細(xì)泥，使用水泥作為膠凝材料進(jìn)行充填，充填體強(qiáng)度較低，無法滿足金川礦山的充填要求。

2）根據(jù)上述的全尾砂充填材料進(jìn)行新型膠凝材料的開發(fā)試驗(yàn)研究，在礦山設(shè)定的膠砂比為1︰4和料漿濃度為78%的前提下，通過對已有試驗(yàn)結(jié)果用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測，并分析激發(fā)劑變化對于強(qiáng)度的影響，最后得出最優(yōu)激發(fā)劑配方為生石灰 7%、脫硫灰渣 16%，芒硝 2．5%、NaOH 0．3%，其充填強(qiáng)度可以達(dá)到相同條件下使用32．5R水泥時的2倍以上，這對于取代水泥進(jìn)行礦山充填提供了有力的論證，并且其較為低廉的成本也能夠?yàn)榈V山提高經(jīng)濟(jì)效益。

3）驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該配合比是可靠的，可為礦山膠結(jié)充填開采時膠凝材料的配合比設(shè)計(jì)提供參考。但是該最優(yōu)方案的3d強(qiáng)度均小于1．5MPa，不能滿足金川礦山采用的下向分層膠結(jié)充填法對于3d充填體強(qiáng)度的要求，為此需要進(jìn)一步開展新型膠凝材料的復(fù)合早強(qiáng)劑試驗(yàn)研究。

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