某礦膏體充填物料配比優(yōu)化研究

閆其盼 吳愛(ài)祥 王貽明 李 濤 陳 勛 張友志

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

某礦8 號(hào)礦體的礦體形態(tài)在剖面上呈層狀和似層狀，平面上為透鏡狀，縱投影呈條帶狀向南西側(cè)伏。礦體水平厚度2.5 ～18.8 m，平均9.93 m。礦體沿走向和傾斜方向都較穩(wěn)定，屬于產(chǎn)狀、形態(tài)都較穩(wěn)定的礦體。依據(jù)8 號(hào)礦體的礦床開(kāi)采技術(shù)條件，決定采用上向分層充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采。根據(jù)采場(chǎng)充填體的強(qiáng)度要求，對(duì)于上向分層進(jìn)路式充填法而言，不同的充填體深度內(nèi)，充填體的強(qiáng)度要求不一樣［1］。充填體表面1.0 m 以?xún)?nèi)，充填體的14 d 強(qiáng)度R14在0.38 ～0.98 MPa，而1.0 m 以下可以低于0.38 MPa。同時(shí)考慮在爆破條件下能確保充填體的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)其靜載抗壓強(qiáng)度為σv≥1.2 MPa［2-4］。

充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其配合比優(yōu)化是充填工藝的主要研究?jī)?nèi)容［5］。設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)低，則充填體不能對(duì)地壓活動(dòng)進(jìn)行有效控制;設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)高，又會(huì)加大水泥等膠結(jié)材料的摻入量，造成不必要的浪費(fèi)。上向分層進(jìn)路式充填法對(duì)充填體的早期強(qiáng)度要求較高［6］，為獲取技術(shù)經(jīng)濟(jì)較為合理的充填配合比，利用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，對(duì)膏體的流動(dòng)特性及強(qiáng)度特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察濃度、尾庫(kù)比、砂灰比和添加劑硫化鈉添加量對(duì)充填體強(qiáng)度及凝結(jié)性能的影響，尋求最優(yōu)的充填配比。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料包括昭通水泥，全尾砂，庫(kù)存尾砂，添加劑硫化鈉。

將全尾砂和庫(kù)存尾砂烘干待用，運(yùn)用四因素三水平的均勻設(shè)計(jì)方法研究充填料漿濃度、尾庫(kù)比(全尾礦與庫(kù)存尾砂用量比)、砂灰比和添加劑硫化鈉添加量對(duì)膏體性能的影響，每個(gè)因素各取3 個(gè)水平，采用正交表L9(34)安排試驗(yàn)，尋求達(dá)到不同強(qiáng)度的新型膏體充填配比。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Testing factors

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Testing design and record

對(duì)表2 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis of various factors

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凝結(jié)時(shí)間分析

由凝結(jié)時(shí)間的極差分析可知:對(duì)于凝結(jié)時(shí)間這一指標(biāo)，各因素對(duì)其影響程度大小依次為砂灰比、硫化鈉添加量、濃度和尾庫(kù)比。水泥的水化反應(yīng)及硫化物均可大幅縮短料漿的凝結(jié)時(shí)間［7-10］。從不同濃度、不同硫化鈉摻量、不同砂灰比及尾庫(kù)比膏體凝結(jié)時(shí)間看，膏體的凝結(jié)時(shí)間均能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求。

3.2 強(qiáng)度分析

3.2.1 R7強(qiáng)度分析

對(duì)R7強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析可知:對(duì)于R7強(qiáng)度這一指標(biāo)，各因素對(duì)其影響程度大小依次為砂灰比、濃度、硫化鈉添加量和尾庫(kù)比。從極差分析結(jié)果看，尾庫(kù)比和硫化鈉添加量對(duì)R7強(qiáng)度的影響甚小，基本可以忽略，故將其作為空白列進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 關(guān)于R7 的方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis about R7

由表4 方差分析結(jié)果可以看出，濃度與砂灰比對(duì)于膏體7 d 強(qiáng)度的影響是顯著的。尤其是砂灰比對(duì)膏體早期強(qiáng)度的影響高度顯著，表明與早期強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性最大。因此，為保證膏體強(qiáng)度，應(yīng)盡力降低砂灰比，即提高水泥用量。同時(shí)，為了避免膏體料漿在輸送過(guò)程中產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，影響強(qiáng)度的發(fā)展，應(yīng)盡量提高膏體濃度［11］。

當(dāng)硫化鈉摻量為0.4%和0.6%時(shí)，主要因素砂灰比和濃度對(duì)7 d 強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性分析見(jiàn)圖1、圖2。

根據(jù)圖1、圖2 的關(guān)聯(lián)性分析，現(xiàn)場(chǎng)不同部位充填體強(qiáng)度要求，同時(shí)綜合考慮充填成本，7 d 強(qiáng)度要求達(dá)到1.0 MPa 時(shí)，在0.4%硫化鈉摻量下，砂灰比宜為7 ∶1，膏體濃度為77%，尾庫(kù)比為7 ∶1;0.6%硫化鈉摻量下，砂灰比宜為8 ∶1，膏體濃度為76.5%，尾庫(kù)比為7 ∶1。7 d 強(qiáng)度要求達(dá)到0.72 MPa 時(shí)，0.4%硫化鈉摻量下，砂灰比宜為9 ∶1，膏體濃度為76%，尾庫(kù)比為7 ∶1;0.6%硫化鈉摻量下，砂灰比宜為10 ∶1，膏體濃度為75.5%，尾庫(kù)比為7 ∶1。

3.2.2 R14強(qiáng)度分析

對(duì)R14強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析可知:對(duì)于R14強(qiáng)度這一指標(biāo)，各因素對(duì)其影響程度大小依次為砂灰比、尾庫(kù)比、硫化鈉添加量和濃度。從極差分析結(jié)果看，濃度和硫化鈉添加量對(duì)R14強(qiáng)度的影響甚小，基本可以忽略，故將其作為空白列進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

圖1 砂灰比與7 d 強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between R7 strength and different aggregate-to-cement ratio

圖2 濃度與7 d 強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between R7 strength and different concentration

由表5 方差分析結(jié)果可以看出:尾庫(kù)比對(duì)于膏體14 d 強(qiáng)度的影響不顯著;砂灰比對(duì)于膏體14 d 強(qiáng)度的影響是顯著的，而且砂灰比對(duì)膏體中期強(qiáng)度的影響高度顯著，表明砂灰比與中期強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性最大，即砂灰比對(duì)膏體中期強(qiáng)度的影響最大。

表5 關(guān)于R14的方差分析結(jié)果Table 5 Results of variance analysis about R14

3.2.3 R28強(qiáng)度分析

對(duì)R28強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析可知:對(duì)于R28強(qiáng)度這一指標(biāo)，各因素對(duì)其影響程度大小依次為砂灰比、濃度、尾庫(kù)比和硫化鈉添加量。從極差分析結(jié)果看，尾庫(kù)比和硫化鈉添加量對(duì)后期R28強(qiáng)度的影響甚小，將其作為空白列進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 關(guān)于R28的方差分析結(jié)果Table 6 Results of variance analysis about R28

由表6 方差分析結(jié)果可以看出:濃度對(duì)于膏體28 d 強(qiáng)度的影響是不顯著的;砂灰比對(duì)于膏體28 d強(qiáng)度的影響是顯著的，而且砂灰比對(duì)膏體后期強(qiáng)度的影響高度顯著［12］，表明砂灰比與后期強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性最大，即此時(shí)砂灰比對(duì)膏體后期強(qiáng)度影響最大。

4 結(jié) 論

(1)從不同濃度、不同硫化鈉摻量、不同砂灰比及尾庫(kù)比膏體凝結(jié)時(shí)間看，膏體的凝結(jié)時(shí)間均滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求。故縮短采充周期，提高礦石采出量，應(yīng)從強(qiáng)度是否達(dá)到采礦要求的角度重點(diǎn)分析。

(2)膏體強(qiáng)度主要受灰砂比影響，對(duì)于前期強(qiáng)度，硫化鈉添加量是強(qiáng)度的次要影響因素;對(duì)于中期強(qiáng)度，尾庫(kù)比是強(qiáng)度的次要影響因素。

(3)根據(jù)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度要求，同時(shí)綜合考慮充填成本，當(dāng)硫化鈉添加量為0.4%時(shí)，灰砂比宜為1 ∶8，尾庫(kù)比為8 ∶1，濃度控制在77%，當(dāng)硫化鈉添加量為0.6%時(shí)，灰砂比宜為1 ∶9，尾庫(kù)比為8 ∶1，濃度控制在76%。該結(jié)果為充填工藝的制定提供了理論依據(jù)。

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