摻粉煤灰的混合充填骨料配比優(yōu)化實驗

卓慶奉，巴蕾，王奇峰

（1.鄂爾多斯職業(yè)學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.國家能源集團神東煤炭集團信息管理中心，陜西 榆林 719000）

近年來，隨著國家對安全和環(huán)保要求的提高，充填采礦法在世界范圍內得到越來越廣泛的應用[1-3]。一方面是由于地下開采深度加大后維護礦山和采場穩(wěn)定的需要，另一方面是提高自然資源回收率和環(huán)境保護的需要[4-5]。充填采礦技術在采礦活動中的應用不僅可以最大化地回收礦石資源，降低礦石貧化，而且還能夠有效地控制采場地壓，減少地表下沉，具有回采作業(yè)安全、資源回采率高、保護礦山環(huán)境以及廢棄物資源化[6-7]。實現(xiàn)安全采礦，降低采礦成本和提高采礦經濟效益，是充填法采礦一直追求的目標。在充填采礦法中，高濃度管輸膠結充填采礦法是目前常用的方法，其不僅具有安全高效等特點，而且能夠對采礦和選礦活動中產生的廢石和尾砂等固體廢棄物進行綜合利用，有效減少環(huán)境污染[8]，但是在充填過程中容易產生充填料漿的分層離析，不但影響充填體強度，嚴重地可能造成堵管和爆管影響充填效率，甚至危及采礦安全[9]。造成料漿離析的因素很多，其中骨料的配比及級配是其中重要因素之一[10-11]。國內外專家學者對此進行了大量研究，其中，董培鑫[10,12-13]等研究了充填骨料粒徑級配對料漿流變特性的影響；楊小聰[14]等研究了充填體不均勻性對充填的影響；Wang X等[15-16]研究結果表明，骨料級配是影響充填料漿分層離析的重要因素。針對甘肅某礦山采用廢石和棒磨砂混合粗骨料存在充填料漿分層離析的問題，本文在前期大量實驗研究的基礎上，選擇添加粉煤灰作為細骨料，以期優(yōu)化混合骨料的級配，在保證充填體強度的前提下，改善料漿離析程度，實現(xiàn)高濃度高流態(tài)高效充填采礦。

1 實驗材料物化特性分析

1.1 充填骨料

1.1.1 充填骨料物化特性分析

實驗采用混合骨料進行，廢石、棒磨砂作為粗骨料，其中廢石由礦山井下開拓或采礦活動產生的廢石混合料，破碎機破碎后達到礦山充填骨料粒度設計要求，棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石經“兩段-閉路”的破碎工藝和棒磨工藝后加工而成，用以充填；粉煤灰作為細骨料，其是從燃煤熱電廠排放的粉狀物，在高濃度或膏體充填料漿中，添加適量的粉煤灰可顯著提高料漿濃度，降低管道輸送阻力，改善膏體的泵送性能，對充填骨料進行物理特性以及化學成分測定，結果見表1、2。

表1 充填骨料物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of filling aggregate

表2 充填骨料化學成分組成Table 2 Chemical composition of filling aggregate

1.1.2 充填骨料粒徑分析

采用篩分法對骨料進行粒度分析，結果見圖1。

圖1 充填骨料粒徑分布特征Fig.1 Characteristics of particle size distribution of filling aggregate

采用插值法求骨料的特征粒徑，見表3。

表3 充填骨料特征粒徑Table 3 Characteristic particle size of filling aggregate

看出廢石和棒磨砂的自然級配良好，級配指數(shù)分別為0.563和0.549，0.3 mm以上粒徑占83.09%和84.21%，粗顆粒含量較多，在實驗中作為粗骨料，根據(jù)前期廢石-棒磨砂堆積密實度實驗，確定廢石-棒磨砂較優(yōu)配比為3:7，但是若單獨使用混合粗骨料仍會造成充填料漿離析，必須摻加一定的細骨料，而粉煤灰不均勻系數(shù)為17.6，0.3 mm以下粒徑占95%以上，細顆粒較多，充填中作為細骨料。

1.2 充填膠凝材料

膠凝材料選用由甘肅省永昌縣熙金公司生產的新型膠凝材料—“固結粉”，其主要成分為礦渣微粉、脫硫石膏以及熟料，其密度為2.95 t/m3。

不同粉煤摻量的混合骨料粒徑分析

粉煤灰摻量對混合骨料粒徑級配有很大影響，根據(jù)前期混合骨料堆積密實度實驗確定在廢石-棒磨砂配比為3:7時，粉煤灰摻量在15% ~ 35%范圍內較優(yōu)，故以此范圍進行混合骨料粒徑分析，結果見圖2，相應的特征粒徑見表4。

表4 不同粉煤灰摻量的混合骨料粒徑分布特征值Table 4 Particle size distribution characteristic value of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

圖2 不同粉煤灰摻量的混合骨料粒徑分布特征曲線Fig.2 Characteristic curves of particle size distribution of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

3 混合骨料充填體強度實驗

3.1 實驗方案及結果

在混合粗骨料中摻加粉煤灰不僅彌補細顆粒的不足，優(yōu)化骨料級配，而且有利于形成高濃度料漿，提高其管輸性能和充填體強度。為此開展不同比例粉煤灰摻量的混合骨料膠結充填體強度實驗，實驗方案為：（1）充填骨料采用3:7的廢石-棒磨砂粗骨料與不同含量粉煤灰混合骨料，具體摻量為15%、20%、25%、30%、35%；（2）料漿質量濃度為77%、79%、81%；（3）膠凝材料采用“固結粉”新型充填膠凝材料，添加量為270 kg/m3、290 kg/m3、310 kg/m3。具體實驗方案及結果見表5，其中前9組為正交實驗，后8組為補充實驗。

表5 不同粉煤灰摻量的混合骨料充填體強度實驗結果Table5 Strength test results of mixed aggregate fillers with diあerent fly ash contents

3.2 實驗結果分析

各因素對充填體強度的影響見圖3。

圖3 各因素對充填體強度的影響Fig.3 The influence of various factors on the strength of filling body

其中圖3（a）為膠凝材料添加量290 kg/m3，料漿濃度為79%時粉煤灰摻量對充填體強度的影響，可以看出3 d、7 d和28 d強度均隨粉煤灰摻量增加而增大，粉煤灰摻量從15%增加至35%時，各齡期強度分別增大了38.6%、41.4%和29.3%；圖3（b）為以粉煤灰摻量20%、料漿濃度為79%時膠凝材料用量對充填體強度的影響，可以看出各齡期強度隨著膠凝材料用量增加而逐漸增大，膠凝材料用量從270 kg/m3增加到310 kg/m3時，3 d、7 d和28 d強度分別增大了32.3%、16.5%和48.0%；圖3（c）為以粉煤灰摻量20%、膠凝材料添加量290 kg/m3時料漿濃度對充填體各齡期強度的影響，可以看出充填體強度隨著料漿濃度的增大而增大，濃度從77%增大到81%，3 d、7 d和28 d強度分別提高了50.1%、44.8%和32.2%

3.3 回歸分析

為了揭示粉煤灰摻量、膠凝材料用量和料漿濃度與充填體各齡期強度之間的定量關系，以粉煤灰摻加量（%）、膠凝材料用量（kg/m3）和料漿濃度(%)為自變量，并分別以x1、x2和x3來表示，以3 d、7 d、28 d的抗壓強度(MPa)作為因變量，分別以用R3d、R7d和R28d表示，通過DPS數(shù)據(jù)處理軟件建立R3d、R7d和R28d與x1、x2和x3的回歸公式，如式(1) ~ (3)：

4 摻粉煤灰的混合骨料充填料漿工作特性實驗

4.1 實驗方案及實驗結果分析

礦山充填不僅要滿足充填體強度要求，而且要滿足充填料漿的管輸要求，因此需要對摻粉煤灰的混合骨料充填料漿管輸工作特性進行研究。因此，分別測定在不同粉煤灰摻量（15%、20%、25%、30%和35%）、不同膠凝材料添加量（270、290、310和310 kg/m3）、不同濃度（77%、79%和81%）條件下料漿的塌落度、分層度和泌水率等參數(shù)。粉煤灰摻量對充填料漿工作特性的影響見圖4。

圖4 粉煤灰摻量對充填料漿工作特性的影響Fig.4 Eあect of fly ash content on working characteristics of filling slurry

圖4（a）為粉煤灰摻量對料漿塌落度的影響，可以看出粉煤灰添加量與塌落度的關系并不顯著。當塌落度大于25 cm時，用塌落度表征料漿可輸送性能意義不大，只能定性得到都具有良好的可輸送性。塌落度隨粉煤灰摻加量的增加先增大后減少，粉煤灰的較佳摻加量為25%，其他具體的定量的規(guī)律需從其他參數(shù)得到；從圖4（b）可以看出，分層度隨粉煤灰添加量的增加呈波動狀態(tài)，并無明顯規(guī)律，但是分層度在粉煤灰摻量35%時最??；圖4（c）為粉煤灰摻量對料漿泌水率的影響，可以看出，整體上，泌水率隨粉煤灰摻加量的增加逐漸降低，直到粉煤灰添加量超過30%時，泌水率基本平緩不變，這是因為漿體已經達到高濃度漿體“不分層不離析”的極限狀態(tài)，因此添加粉煤灰可以使?jié){體的保水性增強，提高漿體的穩(wěn)定性。

4.2 回歸分析

根據(jù)料漿工作特性實驗結果，對塌落度、分層度和泌水率進行回歸分析，從而建立充填料漿工作特性參數(shù)與各充填物料之間的函數(shù)關系，結果如式(4) ~ (6)所示。

式中：T、F和M分別為膠結充填體塌落度、分層度和泌水率，MPa；x1為粉煤灰摻加量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質量濃度，%。

5 混合骨料充填配比優(yōu)化

在滿足礦山充填體強度要求的前提下，盡可能降低充填成本以期獲得最大的經濟效益，因此，以單位體積的充填成本最低為優(yōu)化目標，以強度要求為約束條件建立優(yōu)化模型進行求解，即充填單位體積所消耗的固結粉、廢石、棒磨砂和銅渣尾砂的成本（各物料單位成本見表6）和構成總成本，以礦山對于充填體各齡期強度的要求（即R3d≥1.5 MPa，R7d≥2.5 MPa，R28d≥5 MPa，M≤10）為約束條件，具體構造如下優(yōu)化模型：

表6 充填材料單位成本Table 6 Unit cost of filling materials

式中：Z為單位體積充填料漿成本，元；x1為粉煤灰摻加量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質量濃度，%；x4為單位體積充填料漿中棒磨砂用量，kg；x5為單位體積充填料漿中廢石用量，kg；x6為單位體積充填料漿中粉煤灰用量，kg；x7為單位體積充填料漿中水的用量，kg。

利用MATLAB線性優(yōu)化模型對實驗數(shù)據(jù)按上述建模并分析，在滿足充填強度要求的前提下，成本最低的方案為：粉煤灰添加量354.9 kg/m3、膠凝材料添加量286 kg/m3、廢石添加量305.25 kg/m3、棒磨砂用量712.3 kg/m3、水用量380 kg/m3，即：粉煤灰摻量26%、膠凝材料添加量為286 kg/m3，料漿濃度為81.36%時充填材料成本最低，并以此進行驗證實驗，得到3 d強度為1.56 MPa，7 d強度為2.86 MPa，28 d強度為6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分層度3.1 cm，泌水率為5.7%，充填成本為124元/m3較原來的145元/m3降低了14%。

6 結 論

（1）由實驗材料物化分析及粒徑級配分析結果得出，廢石和棒磨砂是較好的充填骨料，但因其粗顆粒含量較多，單獨使用會造成充填料漿沉降離析，需要加入細顆粒以改善骨料級配。

（2）充填骨料粒徑分析結果表明，單獨使用粗粒骨料廢石和棒磨砂時，混合骨料不均勻系數(shù)較小，而摻加粉煤灰可使混合骨料不均勻系數(shù)逐漸增大，表明粉煤灰的添加可改善骨料級配。

（3）混合骨料充填料漿工作特性實驗結果表明，3 d、7 d和28 d充填體強度均隨粉煤灰摻量增加而增大；各齡期充填體強度隨著膠凝材料用量增加而逐漸增大；充填體強度隨著料漿濃度的增大而增大。

（4）混合骨料充填配比優(yōu)化研究結果表明，粉煤灰摻量26%、膠凝材料添加量為286 kg/m3，料漿濃度為81.36%時充填材料成本最低，得到3、7和28 d的充填體強度分別為1.56、 2.86和和6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分層度3.1 cm，泌水率為5.7%，充填成本為124元/m3較原來的145元/m3降低了14%。