會(huì)寶嶺鐵礦全尾砂膠結(jié)充填最優(yōu)配比試驗(yàn)研究

饒運(yùn)章，舒太鏡，鄭長龍，彭立正，張海濤，王正英

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)會(huì)寶嶺鐵礦,山東 臨沂 277712)

會(huì)寶嶺鐵礦是一個(gè)設(shè)計(jì)年采選礦石量300萬t的新型地下開采礦山，該礦發(fā)育兩條平行展布、相向而傾的隱伏狀主礦帶，礦體呈層狀、似層狀，與地層產(chǎn)狀基本一致，礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦，根據(jù)礦體產(chǎn)狀、礦巖穩(wěn)固性及礦石品位特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法，采場分礦房、礦柱，待礦房礦石全部出完后，集中一次全尾砂膠結(jié)充填。

通過全尾砂膠結(jié)充填配比試驗(yàn)研究，可獲得較為詳細(xì)的全尾砂充填特性資料，既可為本礦山實(shí)施充填提供理論支持，解決礦山面臨的尾砂排放時(shí)占用土地及污染環(huán)境等方面的問題，亦可為其他礦山提供借鑒參考[1-3]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 全尾砂回歸正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種將回歸分析與正交設(shè)計(jì)組合起來的試驗(yàn)方法，可以在因素的試驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，用比較少的試驗(yàn)建立回歸方程，并能獲得試驗(yàn)的優(yōu)化解[4]。

設(shè)因素Xj的取值范圍為Xj[Xj1，Xj2]，Xj1為因素Xj的水平下限，Xj2為因素Xj的水平上限，對(duì)因素水平進(jìn)行編碼，見式(1)。

(1)

式中：Xj0為因素零水平，Xj0=(Xj2+Xj1)/2；Δj為因素變化間距，Δj=(Xj2-Xj1)/2。

本試驗(yàn)選定的試驗(yàn)因素為水泥用量(X1)與料漿濃度(X2)兩個(gè)，因子的取值范圍X1[9.5%，20%]，X2[65%, 80%]，其中水泥用量是指占水泥全尾砂總量百分比。由此建立因子水平與編碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1，據(jù)各因子水平的回歸正交設(shè)計(jì)，需進(jìn)行二因素四水平L16(42) 即16組膠結(jié)配比試驗(yàn)。

表1 因子水平與因子編碼對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 全尾砂回歸正交組合試驗(yàn)實(shí)施

本試驗(yàn)采用直徑50mm×高100mm圓柱形試模，在試模內(nèi)進(jìn)行充填漿料的澆注，養(yǎng)護(hù)72h后進(jìn)行試件脫模，每做完一組編上組號(hào)與日期，并送恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。每組澆注圓柱形試件20個(gè)，3個(gè)用于單軸壓縮試驗(yàn)，測試充填體28天單軸抗壓強(qiáng)度(R)、彈性模量(E)，9個(gè)用于剪切試驗(yàn)(30°、45°、60°各3個(gè)分別求平均值)，測試養(yǎng)護(hù)28天充填體的粘聚力(C)及內(nèi)摩擦角(φ)；剩余試塊在養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，測試充填體90天單軸抗壓強(qiáng)度(R)、彈性模量(E)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 全尾砂充填料漿的流動(dòng)性能

坍落度表征了料漿在管道中流動(dòng)性能的好壞，它是充填料漿可泵性的重要指標(biāo)。充填料漿的濃度是制約充填效率的重要因素之一，它決定著料漿的管道輸送性能、充填能力和充填體的力學(xué)強(qiáng)度[5-8]。

為確定全尾砂充填料漿可流動(dòng)濃度范圍、流動(dòng)性態(tài)，根據(jù)水泥-全尾砂-料漿的基本物理性質(zhì)進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)干水泥用量固定時(shí)，不同的重量濃度的料漿坍落度變化較大，當(dāng)重量濃度固定時(shí)，不同的干水泥用量的料漿坍落度變化很微小，可知重量濃度對(duì)坍落度的影響遠(yuǎn)大于干水泥用量的影響；全尾砂料漿的坍落度隨濃度的增大而減小，重量濃度在70%～80%影響較為顯著，即流動(dòng)性隨料漿重量濃度的增大而減小，在重量濃度為75%～80%時(shí)，流動(dòng)性隨料漿濃度的增大減小更快；全尾砂料漿重量濃度為65%時(shí)，料漿流動(dòng)性較好，但析水量較大，對(duì)充填體初凝、強(qiáng)度都會(huì)帶來較大的不利影響；全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時(shí)，全尾砂料漿坍落度在135～200mm范圍，析水量較少，沉降、離析影響小，較適合高濃度井下充填。

圖1 全尾砂充填體重量濃度-坍落度關(guān)系曲線

圖2 全尾砂充填體重量濃度-內(nèi)聚力(C28)關(guān)系曲線

2.2 全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度性能

通過RMT-150壓力系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)護(hù)28天的充填體進(jìn)行無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)，對(duì)養(yǎng)護(hù)90天的充填體進(jìn)行無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得全尾砂料漿重量濃度-抗壓強(qiáng)度(R)、彈性模量(E)、內(nèi)聚力(C28)在不同水泥用量下的關(guān)系曲線，圖2～4表明：當(dāng)干水泥用量相同時(shí)，隨著料漿重量濃度的升高，充填體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力分別增大，但干水泥用量越多時(shí)，其增大趨勢越明顯；當(dāng)料漿重量濃度固定時(shí)，隨著水泥含量的升高，充填體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力分別增大，但料漿重量濃度越低時(shí)，其變化趨勢越小，料漿重量濃度越高其變化趨勢越大。從養(yǎng)護(hù)天數(shù)來說，養(yǎng)護(hù)90天比養(yǎng)護(hù)28天的單軸抗壓強(qiáng)度大，說明充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)全尾砂膏體充填體強(qiáng)度有較大影響，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用得到增強(qiáng)；養(yǎng)護(hù)28天與養(yǎng)護(hù)90充填體的彈性模量變化不大，說明充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用對(duì)彈性模量影響不大。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后可知，干水泥用量為影響充填體力學(xué)性能的主要因素，料漿濃度為次要因素，但二者的作用相輔相成、缺一不可。

(a)養(yǎng)護(hù)28天充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 (b)養(yǎng)護(hù)90天充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(a)養(yǎng)護(hù)28天充填體彈性模量試驗(yàn)結(jié)果 (b)養(yǎng)護(hù)90天充填體彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 全尾砂膠結(jié)充填體回歸分析

在回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度指標(biāo)(抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力)為變量Y，水泥用量、料漿濃度分別為X1、X2，由于X1、X2兩個(gè)因素之間無相關(guān)性，因此無需考慮其交互作用，可建立試驗(yàn)指標(biāo)Y與試驗(yàn)因素X1、X2的二元一次回歸方程，再應(yīng)用基于最小二乘法的多元線性回歸法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9]，來預(yù)測各因素在取值范圍內(nèi)全尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)參數(shù)的一些變化規(guī)律。充填體強(qiáng)度回歸方程[10]見式(2)。

加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，一是做好“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”工作開展的整體性規(guī)劃，建立專門的黨組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)導(dǎo)體系，明確“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”的目標(biāo)和要求，從整體上將“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”納入醫(yī)院黨的建設(shè)的整體規(guī)劃當(dāng)中[3]；二是做好基礎(chǔ)性規(guī)劃。結(jié)合智慧醫(yī)院的建設(shè)，有序推進(jìn)各醫(yī)院黨建信息化建設(shè)，建立權(quán)責(zé)分工、職責(zé)明確，條塊結(jié)合的“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”平臺(tái)，做好崗位的設(shè)置、平臺(tái)的維護(hù)和運(yùn)營、信息化的考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)黨支部的精細(xì)化管理。

(2)

式中：Xn1表示X1的分量與各因素對(duì)應(yīng)分量乘積之和；εn為相互獨(dú)立的并且εn～N(0,σ2)(n=1，2，…，16)。

利用MATLAB軟件，對(duì)試驗(yàn)中的水泥用量，料漿濃度以及養(yǎng)護(hù)28天的充填體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及內(nèi)聚力等數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

1)養(yǎng)護(hù)28天與養(yǎng)護(hù)90天全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的回歸方程分別見式(3)、式(4)。

YR28=2.3567+30.2236(X1-0.1475)+17.4045(X2-0.7250)

(3)

YR90=2.5872+28.1514(X1-0.1475)+19.7410(X2-0.7250)

(4)

2)養(yǎng)護(hù)28天與養(yǎng)護(hù)90天全尾砂膠結(jié)充填體彈性模量的回歸方程分別見式(5)、式(6)。

YE28=0.5229+7.7143(X1-0.1475)+4.0200(X2-0.7250)

(5)

YE90=0.5228+6.6693(X1-0.1475)+4.3305(X2-0.7250)

(6)

3)養(yǎng)護(hù)28天內(nèi)聚力的回歸方程見式(7)。

Yc28=0.7238+7.1960(X1-0.1475)+5.2104(X2-0.7250)

(7)

查表得F0.005=8.19，對(duì)與給定水平α=0.005時(shí)，均有F>F0.005，故回歸方程(3)～(7)的回歸效果顯著。

分析比較養(yǎng)護(hù)28天、90天試驗(yàn)的回歸方程及表2數(shù)據(jù)，式(3)與式(4)、式(5)與式(6)、式(7)分別為考察水泥用量、料漿濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力影響的回歸方程。由方程式的偏差平方和可知：水泥用量對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響大于料漿濃度，通過對(duì)試驗(yàn)回歸方程的F檢驗(yàn)說明回歸方程的精度是可以接受的；抗壓強(qiáng)度回歸方程和彈性模量回歸方程的預(yù)測值精度幾乎相近；養(yǎng)護(hù)28天F值比養(yǎng)護(hù)90天的F值大，因此養(yǎng)護(hù)28天的充填體預(yù)測精度相對(duì)更加準(zhǔn)確；當(dāng)給定抗壓強(qiáng)度或彈性模量、料漿濃度和水泥用量中的任意兩個(gè)值時(shí)，可應(yīng)用回歸方程來估計(jì)試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

表2 全尾砂充填體回歸方程方差分析表

3 最佳配合比優(yōu)化

在上述回歸分析和回歸方程基礎(chǔ)上，為尋找充填材料的最優(yōu)配合比，根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，對(duì)養(yǎng)護(hù)28天試塊的3個(gè)力學(xué)指標(biāo)(抗壓強(qiáng)度yσ、彈性模量yE、內(nèi)聚力yC)提出以下要求：yσ≥1.5MPa、yE≥ 0.2GPa、yC≥ 0.5MPa，根據(jù)3個(gè)試驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)的回歸方程，利用數(shù)值分析軟件求解該組聯(lián)立不等式。

尋找工作被編成MATLAB程序在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具體方法是：在Zj的取值區(qū)間[-1，1]，以一定步長Δj進(jìn)行全面搜索，獲得水泥用量X1和料漿濃度X2在取值區(qū)間內(nèi)的較優(yōu)值域[0.095，0.1475]、[0.725，0.80]，并在此較優(yōu)值域內(nèi)以縮小的步長繼續(xù)搜索，最終獲得滿足上述強(qiáng)度要求而又經(jīng)濟(jì)合理、適合管道輸送的最優(yōu)配比為水泥用量10.5%、充填濃度75%，此時(shí)，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力分別為1.507MPa、0.283GPa、0.553MPa。

4 結(jié)論

1)當(dāng)全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時(shí)，全尾砂料漿坍落度范圍為135～200 mm，析水量較少，比較適合高濃度充填。

2)獲得不同配比充填體28天與90天的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)，由其關(guān)系曲線可知膠結(jié)充填體強(qiáng)度性能與水泥用量和料漿濃度均成正比關(guān)系，水泥用量起主要作用，料漿濃度為次要作用。

3)得出了充填體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)的回歸方程式，對(duì)各回歸方程式進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)28天的F值比90天的F值大，因此養(yǎng)護(hù)28天的充填體預(yù)測精度相對(duì)更加準(zhǔn)確。

4)應(yīng)用回歸方程預(yù)測估計(jì)養(yǎng)護(hù)28天充填體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量或內(nèi)聚力，尋找滿足該礦要求的充填材料最優(yōu)配合比，得出水泥用量10.5%，充填濃度75%。

[1] 周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2010.

[2] 孫德民,任建平,焦華喆，等.某礦全尾砂膠結(jié)充填物料性能研究[J].金屬礦山, 2012(3):6-9.

[3] 饒運(yùn)章.粉煤灰和木鈣雙摻用于膠結(jié)充填的正交組合試驗(yàn)[J].黃金,1994,15(10):20-25.

[4] 上海師范大學(xué)數(shù)學(xué)系概率統(tǒng)計(jì)組編.回歸分析及其試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].上海:上海教育出版社,1978.

[5] 劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[6] 郭利杰,楊小聰.廢石尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,30(11):76-78.

[7] 胡華,孫恒虎.礦山充填工藝技術(shù)的發(fā)展及似膏體充填新技術(shù)[J].中國礦業(yè), 2001,10(6):47-50.

[8] 李一帆,張建明,鄧飛，等.深部采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2005, 26(6):865-868.

[9] 李興尚,許家林,黃偉強(qiáng)，等.江砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的多元回歸研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008, 28(1):10-12.

[10] 陳良,盛佳,李向東.充填試塊強(qiáng)度多元線性回歸分析預(yù)測[J].采礦技術(shù),2012, 12(3):32-33.