混合充填集料RRB方程分布特征對(duì)充填體強(qiáng)度影響研究

楊　嘯,　楊志強(qiáng),,　高　謙,　王永前,　陳得信

(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)

?

混合充填集料RRB方程分布特征對(duì)充填體強(qiáng)度影響研究

楊嘯1,楊志強(qiáng)1,2,高謙1,王永前2,陳得信2

(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)

由于應(yīng)用棒磨砂作為單一充填骨料制備充填體的成本過(guò)高,金川礦山面臨充填成本居高不下的難題。根據(jù)金川礦山實(shí)際工程背景,文章采用成本較低的戈壁砂、選礦尾砂和棒磨砂制備混合集料,開展了不同骨料配比的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)。為了得到不同充填集料的特征粒徑評(píng)價(jià),采用RRB(Rosin-Rammler-Bennet)模型的原數(shù)學(xué)表達(dá)式并根據(jù)最小二乘法計(jì)算出不同配比骨料的特征粒徑和均勻性系數(shù)。研究結(jié)果表明:單一充填骨料制備出的充填體強(qiáng)度較低,充填體強(qiáng)度隨著特征粒徑的減小,均勻性系數(shù)逐漸增大，并接近1,但當(dāng)棒磨砂、戈壁砂、選礦尾砂的配比為4.5∶4.5∶1時(shí),所制備的充填體強(qiáng)度達(dá)到最大值。

充填骨料;RRB模型;最小二乘法;特征粒徑;均勻性系數(shù)

隨著環(huán)境保護(hù)法規(guī)日趨嚴(yán)格,具有損失率小、貧化率低、安全性高,且能有效控制采場(chǎng)地壓活動(dòng)和防治地質(zhì)災(zāi)害的充填采礦法倍受采礦業(yè)青睞[1-2]。金川鎳礦是我國(guó)最大的硫化銅鎳礦,也是世界上特大型硫化銅鎳礦之一。金川鎳礦經(jīng)歷了強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,水平應(yīng)力高,礦巖破碎,穩(wěn)定性極差,巖石力學(xué)與工程穩(wěn)定問(wèn)題的難度被國(guó)內(nèi)外同行所公認(rèn)[3],因此采用充填成本高和生產(chǎn)能力低的下向分層膠結(jié)充填法開采。面對(duì)當(dāng)前有色金屬價(jià)格低迷,而金川礦山充填成本居高不下[4],探索低成本充填骨料來(lái)降低充填采礦成本,成為金川礦山的研究課題之一。

選用選礦尾砂、戈壁砂與棒磨砂混合料作為充填骨料,能夠有效地降低充填骨料的生產(chǎn)成本[5]。研究表明，廢石-尾砂混合骨料的膠結(jié)充填體強(qiáng)度,隨著廢石含量增加而提高[6]。文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)金川礦山充填材料,分別開展了全尾砂與棒磨砂以及全尾砂與廢石混合料的合理配比試驗(yàn)。對(duì)多種充填骨料混合料采用RRB模型描述,獲得用以表征其粒度分布特征的特征粒徑De和均勻性系數(shù)n,可以方便地分析粉體粒度分布對(duì)充填體性能的影響[9-10]。采用RRB(Rosin-Rammler-Bennet)模型的原數(shù)學(xué)表達(dá)式直接根據(jù)最小二乘法原理計(jì)算得到的De和n值，與采用經(jīng)變量代換后的“l(fā)nln-ln”數(shù)學(xué)形式線性回歸得到的結(jié)果相比偏差較小[11]。本文根據(jù)金川礦山工程現(xiàn)況,運(yùn)用RRB模型的原數(shù)學(xué)表達(dá)式,對(duì)棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂混合骨料的粒徑分布進(jìn)行計(jì)算分析,從而研究不同骨料配比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。

1　充填骨料物化特性

國(guó)內(nèi)外礦山使用的充填骨料品種很多,主要有選礦尾砂、棒磨砂、戈壁砂、廢石和河砂等。根據(jù)金川礦山實(shí)際情況以及采礦方法對(duì)充填體強(qiáng)度的要求,選用選礦尾砂、戈壁砂與棒磨砂的混合料作為充填骨料開展了一系列試驗(yàn)研究。

1.1棒磨砂

金川砂石廠棒磨機(jī)的主體工藝是將露天采出的戈壁集料砂卵石,先經(jīng)破碎篩分制成粒徑小于25 mm的粗集料,除部分直接送龍首礦做充填材料外,其余經(jīng)棒磨機(jī)磨成小于3 mm的細(xì)砂,供二礦區(qū)充填使用。-3 mm棒磨砂基本物理化學(xué)性能見表1所列,棒磨砂、戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2所列。粒徑級(jí)配采用S1064型激光粒度分析儀進(jìn)行激光粒度測(cè)定,分布曲線如圖1所示。

表1　棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂的物理性質(zhì)與化學(xué)成分

注：ρ和容重的單位均為103kg/m3。

表2　棒磨砂、戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

圖1　棒磨砂粒級(jí)分布曲線

1.2戈壁砂

戈壁砂是露天采出的戈壁集料砂卵石,經(jīng)篩分后+5 mm進(jìn)入砂石廠進(jìn)行棒磨加工,而-5 mm直接運(yùn)至充填站砂池中用于充填。戈壁砂物理化學(xué)性能見表1所列。

戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2所列。

粒級(jí)分布曲線如圖2所示。

圖2　戈壁砂粒級(jí)分布曲線

1.3選礦尾砂

從二礦區(qū)充填站尾砂倉(cāng)放出的尾砂中取樣,測(cè)定其物理化學(xué)性質(zhì)見表1所列。

粒級(jí)組成分析結(jié)果見表3所列,粒級(jí)分布曲線如圖3所示。

選礦尾砂的分布粒徑如下:d10=5.90 μm，d50=62.18 μm，d90=124.35 μm，d平均=64.55 μm。

表3　選礦尾砂粒級(jí)組成

圖3　選礦尾砂粒徑分布曲線

2　充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

利用金川礦區(qū)膏體充填系統(tǒng),開展了棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂3種骨料在不同配比條件下的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)的膠凝材料為金川礦用32.5#增強(qiáng)水泥。根據(jù)礦山管道自流輸送充填系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo),采用灰砂比1∶4,漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%和79%。使用JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī),將膠凝材料、水、混合充填骨料按設(shè)計(jì)的灰砂比和料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算出相應(yīng)的質(zhì)量比,先混合攪拌180 s制成充填料漿,然后邊攪拌、邊注入尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)試模中。

將試模編號(hào)放入(20±1) ℃、相對(duì)濕度不低于90%的YH-40B型養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),48 h后脫模。將脫模后的充填體試塊重新編號(hào),然后放入YH-40B型養(yǎng)護(hù)箱繼續(xù)養(yǎng)護(hù),直到養(yǎng)護(hù)齡期。在SANS數(shù)顯固定位移壓機(jī)上以0.5 mm/s速度對(duì)充填體試塊施加連續(xù)荷載,然后測(cè)定充填體試塊(單軸)抗壓強(qiáng)度。每個(gè)齡期測(cè)試3塊,取平均值。不同骨料配比的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)方案和結(jié)果見表4所列。表4中的骨料配比為棒摩砂、戈壁砂、選礦尾砂三者的質(zhì)量比，下同。

表4　混合集料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3　充填骨料粒度分布對(duì)強(qiáng)度的影響

為了研究混合集料配比對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律,根據(jù)9組充填集料的配比以及棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂的粒徑分布特征,按照配比加權(quán)計(jì)算出9組充填集料的粒徑分布值,再由RRB方程計(jì)算出粒徑特征值De和均勻性系數(shù)n。

3.1RRB方程特征粒徑和均勻性系數(shù)計(jì)算

RRB分布方程表達(dá)式如下：

(1)

其中,R為粒徑為D時(shí)的篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù);De為特征粒徑,表示顆粒群的粗細(xì)程度,物理意義為R=36.8%時(shí)的顆粒粒徑;n為均勻性系數(shù),表示粒度分布的寬窄程度,n值越小,粒度分布范圍越廣。

對(duì)于某一粒徑Di,其篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ri與模型預(yù)測(cè)值Rj之差的平方記為Δi,離差平方和記為Δ,實(shí)驗(yàn)總個(gè)數(shù)記為N,則根據(jù) (1) 式可得:

(2)

(3)

由 (3) 式可見,Δ是De和n的函數(shù),隨著De和n的變化,Δ存在最小值。根據(jù)最小二乘法原理,當(dāng)Δ取最小值時(shí),對(duì)應(yīng)的De和n值為采用(1)式所計(jì)算得到的最優(yōu)值。欲求得Δ的最小值,可令?Δ/?De=0且?Δ/?n=0,求解聯(lián)立方程組即得。

采用Matlab軟件編制運(yùn)算程序,由此計(jì)算出不同配比的混合集料的特征粒徑De和均勻性系數(shù)n,計(jì)算結(jié)果見表5所列。

表5　不同配比的混合集料的特征粒徑和均勻性系數(shù)

3.2充填體強(qiáng)度與特征粒徑的關(guān)系

由不同配比混合集料的充填體3、7、28 d強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)混合集料的特征粒徑關(guān)系如圖4所示。

圖4　不同骨料配比充填體強(qiáng)度與特征粒徑關(guān)系

圖4中特征粒徑為2 213 μm和2 828 μm分別對(duì)應(yīng)單一充填骨料棒磨砂和戈壁砂。由圖4可以看出,單一充填骨料制備的充填體3、7、28 d強(qiáng)度均低于混合充填骨料。而在特征粒徑2 278 μm時(shí),即充填骨料棒磨砂、戈壁砂、尾砂的配比為4.5∶4.5∶1,充填體的3、7、28 d強(qiáng)度達(dá)到了最大值。剔除強(qiáng)度最大值的骨料配比與單一充填骨料,作出混合骨料充填體強(qiáng)度與特征粒徑關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5　混合骨料充填體強(qiáng)度與特征粒徑關(guān)系

從圖5可以看出,隨著充填骨料特征粒徑增大,3 d和7 d充填體強(qiáng)度隨之減小,而28 d充填體強(qiáng)度在特征粒徑2 337 μm之后呈輕微上升趨勢(shì)。

3.3充填體強(qiáng)度與均勻系數(shù)的關(guān)系

由于有2組充填骨料均勻性系數(shù)為0.984,且其中一組是強(qiáng)度最大值的骨料配比,所以將均勻性系數(shù)為0.984的2組充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)剔除后,可得混合骨料充填體強(qiáng)度與均勻性系數(shù)關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出,均勻性系數(shù)在1以下時(shí),隨著均勻性系數(shù)增大,充填體強(qiáng)度逐漸增大;但均勻性系數(shù)在1以上時(shí),隨著均勻性系數(shù)增大,充填體強(qiáng)度逐漸減小。

圖6　混合骨料充填體強(qiáng)度與均勻性系數(shù)關(guān)系

4　結(jié)　　論

為了安全可靠地利用戈壁砂和選礦尾砂作為金川鎳礦充填法采礦的充填骨料,本文開展了棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂3種充填骨料在不同配比條件下的膠結(jié)充填體試驗(yàn),由試驗(yàn)可得以下結(jié)論:

(1) 使用單一充填骨料制備出的充填體比使用混合骨料制備出的充填體強(qiáng)度低。

(2) 采用棒磨砂、戈壁砂、選礦尾砂配比為4.5∶4.5∶1的混合骨料時(shí),制備出的充填體強(qiáng)度達(dá)到最大值。漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%時(shí)3、7、28 d強(qiáng)度分別為2.86、4.79、6.62 MPa,漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79%時(shí)3、7、28 d強(qiáng)度分別為3.08、4.87、7.30 MPa,均符合金川礦山對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。同時(shí)這種充填骨料的成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的棒磨砂充填骨料。

(3) 隨著混合充填骨料特征粒徑的增大,充填體早期強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),但后期強(qiáng)度在特征粒徑2 337 μm之后呈上升趨勢(shì)。

(4) 充填骨料的均勻性系數(shù)越接近1,充填體強(qiáng)度越大。

[1]謝龍水.礦山膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展[J].湖南有色金屬,2003,19(4):1-5.

[2]趙傳卿,胡乃聯(lián).充填膠凝材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].黃金學(xué)報(bào),2008,29(1):25-29.

[3]陳仲杰,楊金維.金川礦區(qū)深部高應(yīng)力碎脹蠕變巖體支護(hù)對(duì)策[J].金屬礦山,2005(1):18-22.

[4]王正輝.金川礦山廢料膠結(jié)充填工藝技術(shù)研究[J].采礦技術(shù),2011,11(4):32-36.

[5]楊志強(qiáng),王永前,高謙,等.金川鎳礦尾砂膏體充填系統(tǒng)工藝技術(shù)改造與應(yīng)用研究[J].有色金屬科學(xué)與工程,2014,5(2):1-9.

[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):75-78.

[7]楊志強(qiáng),王永前,高謙,等.全尾砂棒磨砂混合充填料漿的優(yōu)化配比試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦山工程,2013,42(6):1-5.

[8]喬登攀,姚維信.金川礦山廢石-全尾砂高濃度充填工藝試驗(yàn)研究[J].有色金屬科學(xué)與工程,2011,2(6): 57-61.

[9]趙旭光,文梓蕓,趙三銀,等.高爐礦渣粉的粒度分布對(duì)其性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2005,33(7):907-915.

[11]趙三銀,趙旭光,余其俊.RRB分布模型特征粒徑和均勻性系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算[J].有色礦冶,2006,22(增刊1):49-52.

(責(zé)任編輯閆杏麗)

Research on the influence of mixed filling aggregate distribution based on RRB model on filling body strength

YANG Xiao1,YANG Zhiqiang1,2,GAO Qian1，WANG Yongqian2,CHEN Dexin2

(1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China; 2.Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737100, China)

Due to the fact that the cost of rod-mill tailings using as single filling aggregate is too high, Jinchuan Mine is faced with the problem of high filling cost. In view of the engineering environment of Jinchuan Mine, the aggregate mixed with low-cost gobi sand, mill tailings and rod-mill tailings was prepared, and then the strength tests of the filling body with different aggregate ratios were carried out. In order to get the characteristic particle size evaluation of different filling aggregates, the original mathematical expression of Rosin-Rammler-Bennet(RRB) model was used and the characteristic particle size and uniformity coefficient of different aggregates were calculated by using the least squares method. The results show that the strength of the filling body made with the single filling aggregate is lower than that made with the mixed aggregate. And the strength of filling body increases gradually with the decrease of characteristic particle size and the uniformity coefficient is close to 1. When the aggregate ratio of rod-mill tailings, gobi sand and whole-tailings is 4.5∶ 4.5∶ 1, the strength of filling body reaches the maximum.

filling aggregate; Rosin-Rammler-Bennet(RRB) model; least squares method; characteristic particle size; uniformity coefficient

2015-03-19；

2015-05-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展863計(jì)劃資助項(xiàng)目(SS2012AA062405)

楊嘯(1988-),男,河南鄭州人,北京科技大學(xué)博士生;

高謙(1956-),男,江蘇徐州人,博士,北京科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.020

TD863

A

1003-5060(2016)07-0965-05