摻石灰石粉的混合骨料充填料漿配比優(yōu)化研究

何建元 溫震江 王永定 王 虎 高 謙 李 海 李宏業(yè)

（1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100；2.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）

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的需求量逐年增加，淺部資源已經(jīng)難以滿足社會發(fā)展的需要，因此采礦活動逐漸轉(zhuǎn)向高溫、高地壓的深部［1-3］。加之，國家對于安全和環(huán)保等方面愈發(fā)重視，使充填采礦法得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。充填采礦法具有安全、高效、環(huán)保以及固廢利用率高等特點(diǎn)［6-8］，對于實(shí)現(xiàn)安全采礦，降低充填采礦成本和提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

高濃度膠結(jié)充填由于其安全高效的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。膠結(jié)充填能夠有效利用廢石和尾砂等礦山固廢，減少其堆存造成的環(huán)境污染［9-10］。為了降低充填成本，金川礦山充填采用廢石和棒磨砂混合骨料和新型膠凝材料，但是由于混合骨料粒徑級配不均，造成料漿離析，不但影響充填體強(qiáng)度，嚴(yán)重的可能造成堵管、爆管，影響充填效率甚至危及采礦安全［9-11］。影響料漿穩(wěn)定性的因素很多，其中重要的因素是骨料的粒徑級配［9-10］。對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，其中SCHLANGEN等［13］、SUN等［14］研究了骨料配比對充填料漿離析的影響，并得出在一定條件下骨料粒徑級配是影響料漿離析的重要因素；許文遠(yuǎn)等［15］、同樹鋒等［16］研究了料漿分層離析對充填體強(qiáng)度的影響，并基于級配分析對充填強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化；董培鑫等［17］、王建棟等［18］、溫震江等［19-20］研究了骨料粒徑級配對料漿穩(wěn)定性和流變特性的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了充填料漿抗離析評價模型，以此優(yōu)化料漿配比。金川礦山在破碎廢石和加工棒磨砂的過程中，會產(chǎn)生一定量的石粉，將其添加至混合骨料中，不但可以改善充填料漿流動性，而且有利于提高充填體強(qiáng)度。該礦山背靠龍首山，有豐富的石灰石資源，通過對其粉磨得到石灰石粉，不僅可以作為礦物摻合料，而且可以作為細(xì)骨料［21-22］。對于石灰石粉作為骨料的研究，鄭娟榮等［23］通過在尾砂中添加細(xì)度不同的石灰石粉來研究其對膏體充填料漿性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，通過添加適量的石灰石粉，可以改善料漿性能。

在前期研究的基礎(chǔ)上，擬通過添加石灰石粉細(xì)骨料來改善廢石-棒磨砂混合骨料的粒徑級配，控制料漿分層離析，達(dá)到礦山高濃度充填的要求。本研究通過開展膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)和流變特性試驗(yàn)，分別建立強(qiáng)度模型和流變特性模型，在滿足充填體強(qiáng)度要求和流動性要求的前提下，以單位充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立摻石灰石粉混合骨料充填料漿的優(yōu)化模型，進(jìn)而優(yōu)化混合骨料充填料漿配比。

1 試驗(yàn)材料物化分析

1.1 充填骨料

1.1.1 充填骨料物化分析

采用混合骨料進(jìn)行試驗(yàn)，廢石、棒磨砂作為粗骨料，其中廢石是由金川公司龍首礦經(jīng)過破碎加工得到的-12 mm的廢石骨料；棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石經(jīng)“兩段—閉路”破碎工藝和棒磨工藝后加工而成，用以充填；石灰石粉作為細(xì)骨料，是通過粉磨石灰石得到的粉狀物，取自金昌熙金建材有限公司。添加適量的石灰石粉能夠顯著改善混合骨料的粒徑級配，使之滿足混合骨料高濃度料漿中細(xì)顆粒含量不低于20%的要求，進(jìn)而顯著提高料漿濃度，降低管道輸送阻力。本研究對骨料進(jìn)行了物理特性以及化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1和表2。

1.1.2 充填骨料粒徑分析

為了確定混合粗骨料的優(yōu)化配比，進(jìn)行了堆積密實(shí)度試驗(yàn)和粒徑級配分析，結(jié)果如圖1所示，并且對其粒徑特征值進(jìn)行了計算，結(jié)果如表3所示。綜合分析可以看出：廢石和棒磨砂粒徑較粗，在試驗(yàn)中作為粗骨料，而石灰石粉細(xì)顆粒含量高達(dá)95%，因此均不能單獨(dú)使用，需要二者配合使用；結(jié)合堆積密實(shí)度試驗(yàn)，當(dāng)廢石與棒磨砂質(zhì)量比為7∶3時堆積密實(shí)度最大，故首先確定廢石-棒磨砂體系的優(yōu)化配比。

1.2 充填膠凝材料

膠凝材料采用礦渣基新型膠凝材料，以替代金川礦用38.5水泥，礦渣膠凝材料的礦渣含量大于95%，密度為2 950 kg/m3。

2 廢石-棒磨砂-石灰石粉混合骨料粒徑分析

石灰石粉摻量對混合骨料粒徑級配有很大影響，根據(jù)前期廢石-棒磨砂混合骨料堆積密實(shí)度試驗(yàn)，確定在廢石-棒磨砂配比為7∶3時、石灰石粉摻10%～30%時混合骨料級配較優(yōu)，對其進(jìn)行了混合骨料粒徑分析，結(jié)果如圖2所示，相應(yīng)的特征粒徑取值如表4所示。

3 混合骨料膠結(jié)充填體強(qiáng)度和料漿管輸特性變化特征

3.1 混合骨料充填料漿配比試驗(yàn)方案及結(jié)果

充填骨料為廢石-棒磨砂粗骨料及不同摻量石灰石粉細(xì)骨料，廢石與棒磨砂的質(zhì)量比為7∶3，石灰石粉摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%；采用固結(jié)粉膠凝材料，添加量為270、290、310 kg/m3；充填料漿質(zhì)量濃度分別為77%、79%、81%。具體試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為分析石灰石粉摻量對充填體強(qiáng)度的影響，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，以石灰石粉摻量、膠凝材料添加量、充填料漿質(zhì)量濃度為輸入?yún)?shù)，研究其對輸出量的非線性影響特征，以A1～B5 14組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)樣本，以B6～B8 3組數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)樣本，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對膠結(jié)充填體強(qiáng)度和料漿管輸特性進(jìn)行了建模預(yù)測，充填膠結(jié)體強(qiáng)度預(yù)測值與試驗(yàn)值誤差如圖3所示。分析該圖可知：試驗(yàn)值與計算值誤差較小，吻合性很好，充填體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度較高。根據(jù)金川龍首礦工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)，采用已建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對石灰石粉摻加量0～40%的充填體強(qiáng)度和充填料漿管輸特性進(jìn)行預(yù)測，并基于預(yù)測結(jié)果分別分析各因素對充填體強(qiáng)度和充填料漿管輸特性的影響。

3.2.1 膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化特征

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，以料漿濃度80%、膠凝材料添加量為290～310 kg/m3為例，分析石灰石粉摻量為0～40%時對膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：各膠凝材料添加量的充填體3 d強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量增加先減小后增大，并且膠凝材料添加量為290 kg/m3和300 kg/m3時，在石灰石粉10%摻量時達(dá)到最小，分別為1.11 MPa和1.18 MPa；7 d強(qiáng)度則隨著石灰石粉摻量的增加先增大后減小，石灰石粉摻量為25%時，7 d強(qiáng)度均達(dá)到最大值，膠凝材料添加量由小到大，強(qiáng)度值依次為3.23、3.49、3.59 MPa；對于28 d強(qiáng)度，膠凝材料添量為290 kg/m3和300 kg/m3時，隨著石灰石粉摻量增加先減小后增大，并且分別在石灰石粉摻量15%和35%時達(dá)到最小值和最大值，分別為4.83 MPa和8.81 MPa；膠凝材料添加量為310 kg/m3時，28 d強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量增加整體逐漸增大，強(qiáng)度均大于5 MPa。

3.2.2 充填料漿管輸特性變化特征

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，以料漿濃度80%、膠凝材料添加量為290～310 kg/m3為例，分析石灰石粉摻量為0～40%時對充填料漿管輸特性的影響，由于指標(biāo)比較多，限于篇幅，本研究僅選取常用的塌落度、稠度和泌水率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)料漿濃度一定時，料漿坍落度總體上隨其摻量的增加而增大，表明混料骨料中摻入適量的石灰石粉，能夠有效提高料漿流動性；當(dāng)未摻石灰石粉時，膠凝材料摻量310 kg/m3的稠度最大；當(dāng)石灰石粉摻量為15%～25%時，膠凝材料摻量為290 kg/m3對應(yīng)的稠度最大，可見混合粗骨料中摻入石灰石粉可以提高料漿的流動性；石灰石粉摻量為0～30%時，各膠凝材料添加量充填料漿的泌水率均隨著石灰石粉摻量增加而逐漸減小，當(dāng)其摻量大于30%時，料漿泌水率隨著石灰石粉摻量增加逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2.3 回歸分析

為揭示石灰石粉摻量、膠凝材料用量和料漿濃度對充填體強(qiáng)度和管輸特性的影響，采用DPS軟件對表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，結(jié)果如式（1）至式（6）所示。

式中，R3d、R7d和R28d分別為膠結(jié)充填體3、7、28 d抗壓強(qiáng)度，MPa；T為塌落度，cm；C為稠度，cm；M為泌水率，%；x1為石灰石粉摻量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質(zhì)量濃度，%。

4 廢石-棒磨砂-石灰石粉混合骨料充填料漿配比優(yōu)化

在滿足礦山充填要求的前提下以單位充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以充填體強(qiáng)度和管輸特性要求為約束條件建立優(yōu)化模型對充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，即以單位充填料漿所需各種材料的成本（材料單位成本如表6所示）最低為優(yōu)化目標(biāo)，以R3d≥1.5 MPa，R7d≥2.5 MPa，R28d≥5 MPa，M≤10%和23 cm≤T≤28 cm為約束條件進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合式（1）至式（6）得出具體優(yōu)化模型：

式中：Z為單位體積充填料漿成本，元；x1為石灰石粉摻加量，%；x2為膠凝材料添加量，kg/m3；x3為料漿質(zhì)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石灰石粉用量，kg；x7為單位體積充填料漿中水的用量，kg。

本研究利用MATLAB線性優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到了滿足充填體強(qiáng)度、料漿流動性和穩(wěn)定性要求且成本最低的充填料漿優(yōu)化配比見表7。

以表7確定的優(yōu)化配比進(jìn)行工業(yè)充填，工業(yè)充填時，從充填站攪拌桶出口取樣，在測定其塌落度、稠度和泌水率之后澆筑成試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至3、7、28 d之后測定其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表8所示。井下采場3 d后揭露側(cè)幫，經(jīng)觀察，采場膠結(jié)體從上到下分層現(xiàn)象有所改善，28 d之后鉆芯取樣，取下充填體之后加工成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，測定其強(qiáng)度為11.5 MPa，各項指標(biāo)滿足礦山工業(yè)充填的要求，并且優(yōu)化后的單位充填成本119.56元/m3相比其原來充填成本151.25元/m3，降低了21%。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)材料物化分析及粒徑級配分析表明，廢石、棒磨砂粗顆粒含量較多，單獨(dú)使用會造成充填料漿沉降離析，需要加入細(xì)顆粒以改善骨料級配，在廢石-棒磨砂配比為7∶3的條件下，石灰石粉摻量在10%～30%范圍內(nèi)較優(yōu)，能有效改善骨料級配。

（2）石灰石粉摻量對膠結(jié)充填體強(qiáng)度和充填料漿管輸特性均具有顯著影響，當(dāng)料漿濃度和膠凝材料用量一定時，摻入適量的石灰石粉能提高充填體強(qiáng)度、改善料漿流動性和穩(wěn)定性。

（3）以單位充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以充填體強(qiáng)度和管輸特性要求為約束條件建立了優(yōu)化模型，對充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，得到料漿優(yōu)化配比為膠凝材料添加量310 kg/m3，石灰石粉摻量12.3%，料漿質(zhì)量濃度80%。通過工業(yè)充填取樣驗(yàn)證，其塌落度、稠度、泌水率分別為25.41 cm、9.31 cm、6.7%，3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為2.7、5.1、10.6 MPa，均滿足礦山工業(yè)充填的要求，并且單位充填成本較原來降低了21%。