全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化研究

鄂玉強(qiáng)

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著國家對于地下礦山安全生產(chǎn)要求的日益嚴(yán)格，以及金屬礦石選礦后產(chǎn)出的尾砂處理，使得越來越多的礦山選用充填法開采。

目前，針對金屬礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)已進(jìn)行了大量的研究，謝毅齡等[1]針對膠凝材料的用量進(jìn)行了優(yōu)化研究，降低了全尾砂膠結(jié)的充填成本；王輝林等[2]通過改進(jìn)充填物料配比，有效地降低了現(xiàn)場充填成本；張國勝等[3]針對綠色礦山建設(shè)中存在的礦體回采損失、貧化率高的問題，采用響應(yīng)面法指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中的充填配比，為充填配比優(yōu)化提供了一種新的思路；陳金剛等[4]探究了超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體試件在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和井下硐室低溫條件下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，并分析了兩種養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度差異產(chǎn)生的原因，有效指導(dǎo)了高寒高海拔環(huán)境下甲瑪銅礦的充填作業(yè)；楊青林等[5]研究了充填體強(qiáng)度、充填料漿流動(dòng)性與灰砂比、充填濃度之間的關(guān)系；王永巖等[6]探明了不同養(yǎng)護(hù)齡期下的膠結(jié)充填體的抗拉性能均較弱，破壞形式均為拉伸破壞，混凝土的2個(gè)經(jīng)典強(qiáng)度預(yù)測模型對全尾砂膠結(jié)充填體較為合適，尤其是ACI 209模型可以簡明準(zhǔn)確地預(yù)測不同齡期下膠結(jié)充填體的強(qiáng)度；王浩等[7]對不同配比全尾砂膠結(jié)充填體的動(dòng)態(tài)損傷特性進(jìn)行了研究；王文濤等[8]針對某螢石礦開展了全尾砂膠結(jié)充填料漿最優(yōu)配比試驗(yàn)研究；張靜等[9]對全尾砂和廢石聯(lián)合膠結(jié)充填體的最佳配比及應(yīng)用開展相關(guān)研究。

綜上，目前針對全尾砂充填參數(shù)配比多數(shù)是以物理試驗(yàn)進(jìn)行研究，在新的研究方法方向上所做研究較少。本研究為獲取合理可行的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，通過RSM設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，利用某鎢礦山全尾砂進(jìn)行物理試驗(yàn)，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，對全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)方案確定

1.1 試驗(yàn)方案

RSM是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)方法[10]，可以對某個(gè)隨機(jī)過程進(jìn)行優(yōu)化，利用Design-Expert軟件針對優(yōu)化對象進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立優(yōu)化對象與相關(guān)影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，具有節(jié)省試驗(yàn)次數(shù)、通過試驗(yàn)結(jié)果擬合和優(yōu)化可得出符合實(shí)際的模型、建立的復(fù)雜多維空間曲面能直觀地展現(xiàn)隨機(jī)過程的規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。研究通過改變采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，建立了多種采場模型?；疑氨?、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、充填濃度等對充填體強(qiáng)度有著較大的影響，因此，為了探明較為合理的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，設(shè)計(jì)了RSM試驗(yàn)方案，各因素及水平見表1。

1.2 全尾砂性質(zhì)

對某鎢礦山取樣的全尾砂進(jìn)行了密度測試及 滲透性測試等，測試結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)方案

表2 全尾砂物理性質(zhì)

對全尾砂進(jìn)行了粒級分析測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 全尾砂粒徑分布

1.3 試驗(yàn)過程

按照設(shè)計(jì)配比要求稱量尾砂和水泥，配制充填料漿。將稱量好的充填物料倒入混合容器，強(qiáng)力攪拌形成均勻充填料漿，將料漿注入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，待試塊能初步自立后脫模，將脫模后的試塊在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（溫度20℃、濕度80%）。試塊養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期（7 d、14 d、28 d）后，利用微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)測定其單軸抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1設(shè)計(jì)的方案，以各影響因素取值為自變量，以充填體強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見 表3。

表3 各方案試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測值

從圖2可以看出，各配比方案的試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值的變化趨勢一致，且同方案間的差值較小，表明了基于RSM的預(yù)測值較為可靠，該方法能夠在全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化中應(yīng)用。

圖2 充填體強(qiáng)度預(yù)測值與物理試驗(yàn)結(jié)果的對比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可分析充填體強(qiáng)度與灰砂比、養(yǎng) 護(hù)時(shí)間和充填濃度間的相互影響關(guān)系，通過RSM繪制影響因素與評價(jià)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系曲面圖，見圖3～圖5。

圖3 充填體強(qiáng)度與灰砂比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間響應(yīng)關(guān)系

通過分析可知，灰砂比與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為 正相關(guān)，即灰砂比越大，其充填體強(qiáng)度也越大；養(yǎng)護(hù)時(shí)間與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為正相關(guān)，即養(yǎng)護(hù)時(shí)間越久，其充填體強(qiáng)度也越大；充填濃度與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為正相關(guān)，即充填濃度越大，其充填體強(qiáng)度越大。

圖4 充填體強(qiáng)度與灰砂比及充填濃度響應(yīng)關(guān)系

圖5 充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間及充填濃度響應(yīng)關(guān)系

2.3 建立數(shù)學(xué)模型

對物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過RSM建立充填體強(qiáng)度與灰砂比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和充填濃度間的數(shù)學(xué)模型，見式（1）。

式中，D為充填體強(qiáng)度RSM預(yù)測值，MPa。

表4為頂板沉降位移二次多項(xiàng)式模型的方差分析，根據(jù)方差分析可知，所建立的模型顯著，即所建立的關(guān)于充填體強(qiáng)度與灰砂比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和充填濃度的關(guān)系較為準(zhǔn)確。同時(shí)可以看出，灰砂比對充填體強(qiáng)度的影響最為顯著，其次是養(yǎng)護(hù)時(shí)間，充填濃度的影響程度最小。

表4 頂板沉降位移二次多項(xiàng)式模型的方差分析

3 全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化

由上述分析可知，對全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響程度的因素排序?yàn)椋夯疑氨龋攫B(yǎng)護(hù)時(shí)間＞充填濃度?；诖耍ㄟ^RSM建立全尾砂膠結(jié)充填濃度參數(shù)優(yōu)化模型，通過控制頂板的位移量，調(diào)整各影響因素的取值范圍與權(quán)重比例，最終得出較為合適的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)。

在考慮金屬地下礦山充填體強(qiáng)度與充填材料成本等因素下，可建立如下優(yōu)化模型：

根據(jù)優(yōu)化模型應(yīng)用Design-Expert軟件計(jì)算得出，灰砂比為1:5.81，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14.45 d，充填濃度為70%是本實(shí)例的最優(yōu)全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)取整數(shù)，故最優(yōu)參數(shù)為灰砂比為1:6，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d，充填濃度為70%。

4 結(jié)論

（1）針對某鎢礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)進(jìn)行RSM試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用物理試驗(yàn)測試不同配比的膠結(jié)充填體的強(qiáng)度，并與RSM得出的預(yù)測強(qiáng)度值進(jìn)行對比，其各方案差值較小，表明RSM應(yīng)用于全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化具有可行性。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明灰砂比與充填體強(qiáng)度的關(guān)系為正相關(guān)；養(yǎng)護(hù)時(shí)間與充填體強(qiáng)度為正相關(guān)；充填濃度與充填體強(qiáng)度關(guān)系為正相關(guān)。

（3）通過研究發(fā)現(xiàn)，灰砂比對充填體強(qiáng)度的影響最為顯著，其次是養(yǎng)護(hù)時(shí)間，充填濃度的影響程度最小，為后續(xù)建模賦予各因素權(quán)重提供了依據(jù)。

（4）基于充填體強(qiáng)度與灰砂比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和充填濃度三個(gè)影響因素建立二次多項(xiàng)式回歸模型，并依據(jù)該模型對充填體強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化選擇，通過控制各指標(biāo)的影響程度以及相關(guān)關(guān)系，得出灰砂比為1:6，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d，充填濃度為70%是實(shí)例礦山的最優(yōu)充填參數(shù)。實(shí)例研究表明將RSM應(yīng)用于地下礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化是一種可靠的手段，可以優(yōu)選出最佳的參數(shù)組合。