基于正交設(shè)計的某礦超細全尾砂膏體材料配比試驗研究

張浩強

(中色國際帕魯特有限責(zé)任公司，北京 100029)

近年來，膏體充填技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢在金屬礦山的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，極大地促進了礦山的可持續(xù)發(fā)展[1-3]?？蒲腥藛T通常認為，膏體由尾砂與水泥等膠結(jié)材料加水配制而成，有時還包括粗骨料和一些添加劑等改性材料，其通常具有充填體強度高、料漿易泵送、易接頂、不需脫水等特點，尤其在深部礦井開采時，具有控制地壓，為回采創(chuàng)造安全空間的獨特優(yōu)勢[4-6]。目前，我國膏體充填工藝主要包括尾砂濃密、膏體材料制備、膏體輸送三大部分。其中膏體材料是整套膏體充填技術(shù)的核心，其不僅直接影響著材料在管道的輸送性能，控制著采空區(qū)充填體質(zhì)量的好壞，并且極大地影響著充填成本。

目前，國內(nèi)外對膏體材料配比的研究較多，并且取得了許多有益的成果。例如，趙才智等研究了粉煤灰對全尾砂膏體性能的影響，探明了粉煤灰在膏體材料中不同水化時期的作用[7]；王新民等針對新橋硫鐵礦的充填現(xiàn)狀，通過系統(tǒng)的試驗研究確定了膠結(jié)充填材料的配比，降低了生產(chǎn)成本[8]；劉浪確定了膏體充填材料的配比選擇原則，建立了相應(yīng)的配合比模型[9]；王正輝等介紹了某礦山自流充填料漿的試驗研究，確定了滿足此礦山生產(chǎn)條件的最佳配合比[10]；楊瑩等針對白嶺銅鋅礦的充填設(shè)計現(xiàn)狀，利用正交設(shè)計的試驗方法研究得出了各因素對膏體的影響程度，并分析得出了礦山的最佳膏體濃度和灰砂比[11]；張?zhí)竦妊芯苛斯杷徕c對水泥—粉煤灰基膏體充填材料的效果影響，得出了硅酸鈉對某礦膏體的凝結(jié)時間具有促進作用的結(jié)果[12]；彭亮等研究了分級尾砂和戈壁集料在膏體材料配比中的工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的效果[13]。

如今隨著選礦工藝的發(fā)展，磨礦選出的尾砂越來越細。但是，現(xiàn)有大部分的研究工作都是基于分級尾砂或者粒徑比較大的全尾砂或者以粉煤灰為細骨料，廢石為粗骨料展開試驗的，并沒有對超細尾砂展開深入的材料配比研究工作，這就大大阻礙了超細尾砂在膏體充填領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，本文基于甘肅某鐵礦的膏體充填項目，對礦山的超細尾砂膏體材料配比進行試驗，分析試驗結(jié)果并提出最優(yōu)配比，以期對相類似的礦山提供借鑒意義。

1 膏體材料配比試驗

1.1 試驗材料

甘肅某礦屬于品位較高的鐵礦，其平均品位達到43%，據(jù)此可以計算出，如果采用高濃度的膏體充填技術(shù)時，其尾砂供給量會存在明顯不足。經(jīng)過現(xiàn)場論證，此礦山在基建期及正常生產(chǎn)期會掘進一定量的廢石，可以將廢石作為粗骨料的來源從而彌補尾砂產(chǎn)量的不足。因此，此礦山的膏體材料主要由水泥、尾砂、廢石與水混合而成，其中水泥為標(biāo)號為32.5的普通硅酸鹽水泥。下面分別介紹其它主要材料的物理化學(xué)性質(zhì)。

1)尾砂

礦山尾砂密度為2.95 t/m3，松散容重為1.429 t/m3，密實容重為1.608 t/m3，松散孔隙率為51.56%，密實孔隙率為45.49%。尾砂的粒徑分布曲線如圖1所示，其中-20μm的超細顆粒含量達到54%，-37μm的細顆粒含量為69%，因此，此礦的尾砂屬于超細尾砂。試驗采用X射線熒光光譜分析(XRF，X-Ray Fluorescence)以及化學(xué)元素標(biāo)定法分析各種充填材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

2)廢石

廢石密度為2.461 t/m3，松散容重為1.683 t/m3，密實容重為1.905 t/m3，松散孔隙率為31.6%，密實孔隙率為22.6%。廢石為連續(xù)級配，-74 μm的細顆粒含量僅為3.53%，顆粒中-5 mm顆粒含量占92.03%，最大粒徑為13 mm。

圖1 尾砂粒度分布Fig.1 Size distribution of tailings

Table 1 Main chemical ingredient analysis /%

1.2 試驗方案設(shè)計

由于此礦山的充填材料含有多種組成成分，影響膏體的各項性能的優(yōu)劣就存在較多影響因素，主要包括質(zhì)量濃度、尾廢比、灰砂比。正交試驗的基本特點是用部分試驗來代替全面試驗，從而達到“均勻分散，齊整可比”的試驗效果。根據(jù)前期試驗基礎(chǔ)及本次試驗的目標(biāo)，將各影響因素設(shè)定為以下值：充填材料濃度范圍設(shè)定在75%～78%，尾廢比設(shè)定范圍為9∶1～7∶3，灰砂比(水泥∶(全尾砂+廢石))范圍1∶30～1∶15。試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案設(shè)計

2 配比試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果2.2 結(jié)果分析

試驗結(jié)果見表3。

2.2.1 極差分析

對上述試驗結(jié)果指標(biāo)進行極差分析，結(jié)果見表4。

通過表4可以看出，各因素對膏體料漿的塌落度的極差從大到小依次為質(zhì)量濃度、尾廢比、灰砂比。由此可以推斷出，濃度是影響膏體塌落度的主要因素，這與其它膏體材料的性質(zhì)是一樣的，其次影響膏體塌落度的因素是尾廢比，這是因為超細尾砂和廢石粗骨料混合后，粗骨料的表面摩擦度會提高骨料與水泥、尾砂之間的摩擦力，從而會較大程度地提高膏體的塌落度。另外，濃度極差R(8.98)要高于尾廢比極差R(5.5)和灰砂比極差R(2.3)分別63.3%、290%，這就顯然證明質(zhì)量濃度在控制膏體料漿輸送過程中的重要作用。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 膏體塌落度和抗壓強度極差分析表

對于不同齡期超細尾砂充填體的抗壓強度，其影響因素的比重卻存在顯著差別。對于前期強度(3 d和7 d)，抗壓強度的極差從大到小依次為質(zhì)量濃度、灰砂比、尾廢比，而對于后期強度(28 d)來說，其極差從大到小依次為灰砂比、尾廢比、質(zhì)量濃度。這主要是因為超細尾砂的比表面積值很大，具有強大的吸水能力，在充填體前期水化過程中，水分所占比例較高，阻礙了水泥的水化進程，進而影響了充填體的強度發(fā)展，而隨著養(yǎng)護時間的增長，水分逐漸減少，灰砂比的作用會明顯加劇，在最大程度上決定著充填體的強度。

2.2.2 直觀分析

從以上極差分析中，得到了各因素對膏體塌落度及充填體各齡期強度的敏感程度。下面，通過直觀分析方法繪制各指標(biāo)隨各因素的變化曲線，分析各性能指標(biāo)隨著不同因素水平的發(fā)展趨勢，從而為膏體充填的材料配比起到更為直觀的指導(dǎo)作用。

試驗方案中A1—A4分別代表質(zhì)量濃度75%、76%、77%、78%，B1—B4分別代表尾廢比10∶1、9.5∶1.5、9∶2、8∶3，C1—C4分別代表灰砂比1∶30、1∶25、1∶20、1∶15。

從圖2中可以看出，隨著膏體質(zhì)量濃度的增加，塌落度呈下降趨勢，這就說明料漿的流動性減弱，不利于膏體在管道中的長距離輸送。從尾廢比和灰砂比兩個影響因素的趨勢圖中可以看出，隨著尾砂含量的減少，塌落度呈現(xiàn)輕微地增大或降低，此性質(zhì)從極差分析中也可以看出，這與濃度對膏體的影響敏感度相比很小。

圖2 膏體塌落度與因素水平趨勢圖Fig.2 Tendency of collapsed slump and factors level of paste

圖3 充填體3 d強度與因素水平趨勢圖Fig.3 Tendency of 3 d compressive strength and factors level of filling body

圖4 充填體7 d強度與因素水平趨勢圖Fig.4 Tendency of 7 d compressive strength and factors level of filling body

圖5 充填體28 d強度與因素水平趨勢圖Fig.5 Tendency of 28 d compressive strength and factors level of filling body

從圖3至圖5中可以看出，隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的增加，不同齡期的充填體強度均有不同程度的增長，但是在充填體養(yǎng)護齡期為3 d時，可以明顯得出，其強度增長非常緩慢，這主要是由于超細尾砂吸收了大量的水分，在養(yǎng)護初期抑制了水泥的水化反應(yīng)進程，而在養(yǎng)護齡期為28 d時，強度隨濃度和灰砂比的增大而較快增長。另外，從上述三個圖中可以得出，尾廢比對充填體的強度影響不大，在養(yǎng)護齡期為28 d時，強度隨尾廢比的增加而輕微增長，而在養(yǎng)護齡期為3 d和7 d時，充填體強度隨尾廢比的增加反而呈略微降低的趨勢。這種現(xiàn)象的主要原因是由于廢石屬于粗骨料，在充填體當(dāng)中起到骨架連接的作用，當(dāng)充填體強度很低，水泥水化還沒有充分發(fā)揮作用時，骨料的支撐作用顯現(xiàn)不出來，在養(yǎng)護后期時，其骨架支撐作用才逐漸開始顯現(xiàn)。

2.2.3 配比優(yōu)化

從以上的分析結(jié)果可以看出，膏體料漿的塌落度隨著質(zhì)量濃度的增加而減小，而單軸抗壓強度卻隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的增加而呈現(xiàn)明顯的增長。然而，充填材料的成本主要來自水泥，因此，結(jié)合上述所做的試驗結(jié)果及分析，在保證各項指標(biāo)滿足礦山要求的前提下，合理選擇出最低消耗水泥和最優(yōu)膏體各項性能的最佳配合比。對于指標(biāo)塌落度，通過比較各影響因子的平均值，可以得到，A1B4C2為最優(yōu)配比；對于早期3 d和7 d養(yǎng)護齡期指標(biāo)，可以得到，A4B1C4為最優(yōu)配比；對于長期28 d的養(yǎng)護齡期指標(biāo)而言，A4B3C4為最優(yōu)配比。通過上述綜合考慮，選定A4B3C2為最佳配比，此時，膏體的各項性能指標(biāo)均能達到實際生產(chǎn)的要求。

3 結(jié)論

本文針對某鐵礦超細尾砂的實際情況，結(jié)合膏體充填材料的研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一系列相關(guān)室內(nèi)試驗，研究了超細尾砂膏體充填材料的各項性能及變化規(guī)律，主要得到了以下幾個方面的研究成果：

1)由于超細尾砂的強吸水性，質(zhì)量濃度對控制膏體塌落度具有主導(dǎo)的控制作用，在配制超細尾砂膏體時應(yīng)當(dāng)嚴格控制料漿的質(zhì)量濃度。

2)正交試驗結(jié)果表明對于充填體的前期強度(3 d和7 d)，抗壓強度的影響力從大到小依次為質(zhì)量濃度、灰砂比、尾廢比，而對于后期強度(28 d)來說，其影響力從大到小依次為灰砂比、尾廢比、質(zhì)量濃度。

3)通過正交試驗的極差分析和直觀分析，結(jié)合成本控制和生產(chǎn)實踐的要求，確定A4B3C2為最佳配比，即質(zhì)量濃度為78%，尾廢比為9∶2，灰砂比為1∶25，此時膏體的各項性能指標(biāo)均能達到實際生產(chǎn)的要求。