基于正交試驗(yàn)法的強(qiáng)化疏水工藝參數(shù)優(yōu)化

周為民，王開(kāi)華，劉君杰，諶 勇，薛 順

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng)市 421001；2.中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司， 北京 100037)

基于正交試驗(yàn)法的強(qiáng)化疏水工藝參數(shù)優(yōu)化

周為民1，王開(kāi)華2，劉君杰1，諶 勇1，薛 順1

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng)市 421001；2.中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司， 北京 100037)

以我國(guó)某地煤型鈾礦的沉積砂巖頂板靜水疏水工藝參數(shù)為研究對(duì)象，以負(fù)壓固結(jié)理論為依據(jù)，通過(guò)負(fù)壓抽氣吸水式強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室對(duì)砂巖模型進(jìn)行強(qiáng)化疏水試驗(yàn)。并以砂巖含水率作為強(qiáng)化疏水試驗(yàn)的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，以砂巖固結(jié)不塌落作為定性觀察評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：影響砂巖疏水的因素依次為疏水花管的直徑及長(zhǎng)度、負(fù)壓以及疏水花管上小孔的分布形式，并得到各因素的疏水工藝優(yōu)化參數(shù)。基于強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置的疏水工藝參數(shù)可作為我國(guó)某地蘊(yùn)藏豐富的煤型鈾礦及其類似條件礦藏的工程疏水提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

煤型鈾礦；頂板疏水；疏水花管；砂巖模型；正交試驗(yàn)

0 引 言

煤型鈾礦的沉積砂巖頂板因含水量大，支護(hù)困難，經(jīng)常發(fā)生安全事故，影響開(kāi)采進(jìn)度，對(duì)泥質(zhì)砂巖頂板進(jìn)行疏水可以解決富含靜水的泥質(zhì)砂巖頂板難以支護(hù)的問(wèn)題。砂巖頂板疏水，若是地下動(dòng)水，可采用上游截流的辦法，對(duì)于地下靜水，則采用鉆孔泄水和坑內(nèi)外引排水等辦法，但疏水效率太低，延誤工期[1]。

我國(guó)某地煤型鈾礦的頂板多為含水率在8%～16%的泥質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒砂巖。這種泥質(zhì)砂巖的含水率在8%左右時(shí)，砂巖固結(jié)堅(jiān)硬，頂板支撐十分方便；砂巖含水率在12%左右時(shí)，砂巖固結(jié)較堅(jiān)硬，頂板支撐較為方便；當(dāng)砂巖的含水率大到一定程度后，砂巖便會(huì)變成豆腐渣狀，若砂巖的含水率達(dá)到臨界飽和狀態(tài)，便會(huì)形成流砂，砂巖頂板根本無(wú)法支護(hù)[1]。據(jù)此問(wèn)題，由負(fù)壓固結(jié)理論而研制的負(fù)壓抽氣吸水式強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置[2](以下簡(jiǎn)稱：強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置)可在實(shí)驗(yàn)室對(duì)濕軟泥質(zhì)砂巖模型進(jìn)行高效疏水。通過(guò)疏水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響疏水效果及效率的因素(疏水工藝參數(shù))較多，若采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，需要做大量的試驗(yàn)，而采用正交試驗(yàn)法可以節(jié)省大量試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，并且容易找到最佳疏水工藝參數(shù)組合。

1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)條件

砂巖模型疏水試驗(yàn)的設(shè)備選用專門(mén)研制的強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置,由真空機(jī)組、負(fù)壓表、疏水花管、砂箱、進(jìn)氣閥及管路系統(tǒng)等組成。真空機(jī)組需具有防爆功能，有較高的負(fù)壓，能連續(xù)工作，既能抽氣也能抽水，并且能通過(guò)細(xì)粒徑泥砂而不損壞；砂箱為可拆卸的全封閉式鋼制結(jié)構(gòu)，砂箱上蓋板安裝有調(diào)節(jié)負(fù)壓的進(jìn)氣閥，砂箱底部出水口與真空機(jī)組進(jìn)氣吸水口連接。砂箱內(nèi)泥質(zhì)砂巖模型高為1000 mm，中間插有一根疏水花管與砂箱底部出水口相聯(lián)。

根據(jù)煤型鈾礦頂板砂巖成分與比例在實(shí)驗(yàn)室制作砂巖模型。

1.2 疏水工藝參數(shù)及試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

前期疏水試驗(yàn)得知：真空機(jī)組的負(fù)壓值，疏水花管長(zhǎng)度、通徑、小孔直徑及其分布形式(小孔垂直間距)以及疏水時(shí)間等參數(shù)均影響疏水效果。為了簡(jiǎn)化正交試驗(yàn)數(shù)量，略去小孔直徑這一因素，并選定適當(dāng)?shù)氖杷畷r(shí)間，將負(fù)壓、疏水花管長(zhǎng)度、通徑及疏水小孔垂直間距作為疏水工藝的主要參數(shù)。以砂巖的平均含水率ω=8%作為疏水試驗(yàn)效果的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，以砂巖固結(jié)不塌落作為定性觀察評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 正交試驗(yàn)表的選用

根據(jù)疏水試驗(yàn)中的負(fù)壓、疏水花管長(zhǎng)度、通徑及疏水小孔垂直間距等4個(gè)疏水工藝參數(shù)，選擇4因素正交表，同時(shí)為了更準(zhǔn)確的找到相應(yīng)的水平點(diǎn)，為每1個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平，分別為1,2,3，正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1，表格中的因素A為花管通徑、B為花管長(zhǎng)度、C為小孔垂直間距和D為負(fù)壓(下同)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表1所確定的各因素值是由前期疏水試驗(yàn)得到的，所選取的4個(gè)因素之間并無(wú)交互作用，所以正交表選用L9(34)表較為合適。結(jié)合因素水平表1可以得到正交試驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

1.4 正交試驗(yàn)疏水花管設(shè)計(jì)

在前期疏水試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)疏水花管上的疏水小孔垂直間距為三段等比式[3](見(jiàn)圖1)比均勻分布式(見(jiàn)圖2)的疏水效果好。所以，正交試驗(yàn)疏水花管小孔垂直間距設(shè)計(jì)為三段等比式，花管小孔間距呈上疏下密等比式分布規(guī)律。從表2知，整個(gè)正交試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)9根不同尺寸和結(jié)構(gòu)的疏水花管，可根據(jù)表2中的三段特征尺寸值并參考圖1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 正交試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 正交試驗(yàn)

利用強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置并按圖3所示的疏水工藝流程對(duì)砂巖模型進(jìn)行疏水試驗(yàn)。調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥可以調(diào)節(jié)負(fù)壓大小。

每次正交試驗(yàn)結(jié)束后，拆除砂箱底板觀察砂巖是否固結(jié)，有無(wú)塌落；然后拆開(kāi)砂箱側(cè)板，在砂巖中心處自上而下等距選取11個(gè)砂巖樣品進(jìn)行含水率檢測(cè)，并計(jì)算砂巖的平均含水率ω。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)及砂巖平均含水率ω記錄到表3中，采用極差分析法[4，5]，對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1) 分析計(jì)算各因素。首先分析計(jì)算因素A(花管通徑)，在表3的第一列中，將包含A因素1水平的1,2,3號(hào)試驗(yàn)作為第一組，把包含A因素2水平的4,5,6號(hào)試驗(yàn)作為第二組，把包含A因素3水平的7,8,9號(hào)試驗(yàn)作為第三組。

圖1 三段等比式疏水花管

圖2 均勻分布式疏水花管

圖3 強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置疏水工藝流程

把第一組試驗(yàn)得到的3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相加后取平均值。即將1,2,3號(hào)試驗(yàn)的平均含水率ω相加后取平均值，和記為Ki，平均值記為ki=Ki/3。因素A的分析計(jì)算如下：

式中，ω1、ω2、ω3為試驗(yàn)號(hào)1,2,3試驗(yàn)時(shí)所得到的砂巖平均含水率。

同理：

用分析因素A的方法分析計(jì)算因素B(花管長(zhǎng)度)、因素C(花管小孔垂直間距)和因素D(負(fù)壓)，并將分析計(jì)算值記入表3中，表中ω表示砂箱中砂巖疏水后的平均含水率。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算分析表

(2) 極差R計(jì)算。計(jì)算各因素的k1、k2、k3每一列中最大值和最小值之差，即極差R，并列于表3中。

(3) 判斷主次。由表3可以看出，RA>RB>RD>RC，其中RA、RB、RD明顯大于RC，因此，因素A(花管通徑)、因素B(花管長(zhǎng)度)及因素D(負(fù)壓)是影響疏水效果的主要因素，因素C(花管小孔垂直間距)是次要因素。

(4) 確定最優(yōu)組合。因?yàn)樯皫r平均含水率ω的水平越低證明疏水效果越好，所以，每個(gè)因素的好水平就是k1、k2、k3每一列中的最小值，因此，最優(yōu)組合為A2B2D1C2。

(5) 正交試驗(yàn)結(jié)果分析。由正交試驗(yàn)極差分析知，在影響疏水效果的4個(gè)因素中，前3個(gè)因素的極差遠(yuǎn)大于第4個(gè)，說(shuō)明前3個(gè)因素對(duì)疏水效果影響較大。并由此可得，在相同負(fù)壓情況下，疏水花管是影響疏水效果的關(guān)鍵部件。這一結(jié)論也可以從疏水試驗(yàn)中得到證實(shí)：

①在各種影響因素中，疏水花管通徑影響最大，在實(shí)際疏水試驗(yàn)中，疏水花管的長(zhǎng)度影響最為明顯。當(dāng)疏水花管的長(zhǎng)度500 mm是砂巖高度1000 mm的1/2時(shí)，疏水后砂巖自上而下各段的含水率相差不大，砂巖通體固結(jié)，其硬化程度上下比較一致，砂巖不塌落；當(dāng)采用800 mm長(zhǎng)度的疏水花管時(shí)，因?yàn)榛ü荛L(zhǎng)度已接近砂巖的高度1000 mm，疏水后砂巖上、下部分含水率相差較大，砂巖上部1/3段首先固結(jié)硬化，并有大裂縫形成，負(fù)壓疏水通道被“短路”，因而下半部分砂巖難以固結(jié)，砂巖較濕軟，部分砂巖塌落；當(dāng)疏水花管長(zhǎng)度只有300 mm時(shí)，由于花管長(zhǎng)度300 mm只為砂巖高度1000 mm的1/3，頂部砂巖與花管的距離“太遠(yuǎn)”，不但疏水時(shí)間長(zhǎng)，而且疏水效果也不理想。

②由砂巖內(nèi)靜水的重力場(chǎng)分布規(guī)律知，在自然狀態(tài)下，砂巖的含水率是自上而下逐步增大，因此，疏水花管小孔垂直間距的排列方式應(yīng)按此規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，即花管小孔垂直間距應(yīng)自上而下先疏后密，呈三段式等比排列分布。從正交試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，小孔垂直間距并不是越密越好，若小孔間距太密，形成了一個(gè)“大通道”，抽氣壓力反而會(huì)下降，所以，小孔垂直間距取表1的中值較好，由此也可解釋疏水花管通徑只能取中值的原因。③負(fù)壓太小，疏水效果肯定最差；負(fù)壓過(guò)大，大部分疏水小孔會(huì)被堵塞，疏水效率也會(huì)下降。

2.3 最優(yōu)組合驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果比較

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)知，試驗(yàn)號(hào)5的組合為A2B2C3D1，是9個(gè)正交試驗(yàn)中最好的組合，而根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的最優(yōu)組合為A2B2D1C2，在9個(gè)正交試驗(yàn)中并未出現(xiàn)過(guò)，因此，要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算A2B2D1C2為最優(yōu)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，按最優(yōu)組合A2B2D1C2進(jìn)行的砂巖疏水試驗(yàn)，砂巖全部固結(jié)且無(wú)塌落，在砂巖中心附近垂直方向取11個(gè)砂巖樣品進(jìn)行含水率檢測(cè)，得到砂巖的平均含水率僅為8.35%，比試驗(yàn)號(hào)5的含水率9.05%低，因此，由計(jì)算得到的A2B2D1C2疏水工藝參數(shù)組合是最優(yōu)組合。

3 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用正交試驗(yàn)法，選取L9(34)正交表并通過(guò)專門(mén)研制的強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室對(duì)砂巖模型進(jìn)行疏水試驗(yàn)，得到的最佳疏水工藝參數(shù)是：疏水花管通徑為DN20 mm，長(zhǎng)度為500 mm，小孔垂直間距為60 mm、30 mm、15 mm，負(fù)壓為-0.078 MPa，在對(duì)砂巖模型進(jìn)行疏水試驗(yàn)后砂巖平均含水率ω從18%降到8.35%，砂巖全部固結(jié)不塌落，疏水試驗(yàn)達(dá)到滿意效果。

(2) 運(yùn)用常規(guī)疏水方法的疏水工期，少則半年，多則2～3年[1]。而通過(guò)專門(mén)研制的強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置，并基于正交試驗(yàn)法得到的最佳疏水工藝參數(shù)對(duì)砂巖頂板靜水進(jìn)行強(qiáng)化疏干，比常規(guī)疏水方法的效率提高5～10倍以上。

(3) 用正交試驗(yàn)法得到的疏水工藝參數(shù)可作為我國(guó)某地蘊(yùn)藏豐富的煤型鈾礦及其類似條件礦藏的工程疏水提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1]王開(kāi)華.煤型鈾礦的開(kāi)采技術(shù)[M].北京:原子能出版社,1991:154-156.

[2]劉君杰,周為民,王開(kāi)華,等.強(qiáng)化疏干試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及疏水試驗(yàn)[J].鈾礦冶，2013(4)：200-203.

[3]周為民,王開(kāi)華,雷澤勇,等.礦山沉積砂巖頂板靜水的疏干方法及疏水花管[P].中國(guó)201410017365.5,發(fā)明專利公報(bào),2014.4(16).

[4]何 為,薛衛(wèi)東,唐 斌.優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012：120-150.

[5]李志西,杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010:96-132.

2014-05-30)

周為民(1958-)，男，湖南衡陽(yáng)人，教授，學(xué)士，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)及礦山開(kāi)采技術(shù)研究,E-mail:zwm_hy@163.com。