全尾砂戈壁集料膏體凝結性與流動性研究*

李公成 王洪江 吳愛祥 彭乃兵 楊 鵬 楊錫祥 周發陸

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;2.北京科技大學土木與環境工程學院;3.招金礦業股份有限公司)

全尾砂膏體充填在料將性能、制備工藝、充填質量、資源回收、節能環保等方面具有較為突出的優勢，近年來運用該技術的礦山逐年增加［1-2］。膏體充填分為2類:全尾砂膏體充填和粗骨料膏體充填。粗骨料膏體充填是在全尾砂中添加粗顆粒物料，如風砂、棒磨砂、水淬碴、碎石等，其目的是為了提高充填體強度，改善膏體流動性［3］。由于膏體性能是由復雜的物理化學性質造成的，再加上各個礦山的主要物料來源與配比參數不同，尤其是粗骨料粒級相差較大，膏體的性能差別較大。膠結充填體由于具有真實的內聚力，其強度特性主要是指抗壓強度特別是單軸抗壓強度特性。塌落度是表征膏體充填料可泵性的指標［4］。

本研究以某礦全尾砂戈壁集料膏體的濃度、灰砂比、尾砂與戈壁集料比和泵送劑添加量為自變量，以膏體的抗壓強度和塌落度為因變量，進行處置體的單軸壓縮及塌落度試驗，以尋求膏體濃度、灰砂比、尾砂與戈壁集料比及泵送劑添加量的添加范圍，探索其變化規律。

1 試驗

1.1 試驗儀器與物料

試驗所用測試塌落度的設備為100 mm×200 mm×300 mm塌落筒及刻度尺;測量抗壓強度的設備為壓力試驗機。試驗膏體由全尾砂、水泥、戈壁集料和泵送劑4種物料組成，按照正交設計試驗方案中的配比進行配制，戈壁集料是選取粒徑不大于15 mm級配河砂。利用密度瓶法測得尾砂密度;利用定容稱重法測定松散容重和密實容重［5］。固體物料物理性質見表1，水泥型號為32.5R型普通硅酸鹽水泥，泵送劑選用為JK－5泵送劑。

表1 固體物料物理參數測定值

全尾砂和戈壁集料粒級組成分別采用激光粒度儀和人工篩分獲得，如圖1及圖2所示。全尾砂的平均粒徑為58μm，－5μm、－10μm、－20μm的極細顆粒含量分別為12.3%、20.5%、29.8%，－200目(－74μm)為64.32%，－325目(－45μm)為43.1%，－20μm的含量為29.8%。按照公認膏體充填料中－20μm顆粒含量15%～20%，－20 μm顆粒含量偏高，通過計算，其中全尾砂的不均勻系數為18.36，曲率系數為1.62，在添加適量的戈壁集料后能夠制備出理想的膏體。

圖1 全尾砂粒級組成曲線

圖2 戈壁集料粒級組成曲線

1.2 試驗方案

為了全面分析影響因素，減少試驗工作量，采用正交設計法設計試驗方案［6］。根據試驗因素和水平的個數，選擇正交表L9(34)進行正交試驗，因素水平如表2所示。

表2 因素水平

1.3 試驗方法

抗壓強度試驗是按設計配制的料漿澆灌入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三聯砂漿試模內，分別放在標準恒溫養護箱(養護條件為:溫度20℃，濕度＞90%)中養護28 d后，用壓力試驗機進行單軸抗壓試驗，測定28 d齡期的單軸抗壓強度。塌落度試驗是利用100 mm×200 mm×300 mm的塌落桶進行測量，將攪拌好的膏體充填料將裝入桶內，讓料漿在自重作用下自由下落，再量取所塌落的高度［7］。所得試驗結果運用極差分析方法和回歸分析方法進行分析。

2 試驗結果

根據試驗方案測定抗壓強度及塌落度參數，試驗結果見表3。

表3 試驗結果

3 分析

3.1 極差分析

極差分析方法是正交試驗結果分析最常用的方法，具有計算簡便，直觀易懂等特點，通過極差分析可確定各因素的主次順序，并可確定各試驗因素的優水平和試驗范圍內的最優組合。極差分析結果如表4所示。

表4 塌落度與28 d強度極差分析

由表4可知，對膏體塌落度極差分析所得極差值均在1個數量級，其主次順序為:尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比(B＞A＞D＞C)，各因素對膏體塌落度的影響基本相當，略有差別。由極差分析所得膏體塌落度的優水平可知，在試驗范圍內，當膏體濃度取76%，尾砂與戈壁集料比取2，灰砂比取0.17，泵送劑添加量取2.5%時，膏體的塌落度達到最大值。

對膏體28 d強度極差分析所得極差差別較大，其中灰砂比的極差較膏體濃度、尾砂與戈壁集料比和泵送劑添加量大1個數量級，其主次順序為:灰砂比＞尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量(C＞B＞A＞D)，即灰砂比對膏體28 d強度影響最大，尾砂與戈壁集料比、膏體濃度和泵送劑對膏體28 d強度影響基本相當，略有差別。由極差分析所得膏體28 d強度的優水平可知，在試驗范圍內，當膏體濃度取78%，灰砂比取0.17，尾砂與戈壁集料比取2，泵送劑添加量取1.75%時，膏體的28 d強度可達最大值。

3.2 回歸分析

回歸分析是在試驗數據的基礎上，利用最小二乘法原理建立因變量與自變量之間的函數關系［8］。采用DPS數據處理軟件對塌落度和28 d強度與各因素之間的關系進行二次多項式逐步回歸分析。在DPS建立的回歸方程中，相關系數R越接近1，說明回歸方程越顯著，同時方差分析F值的顯著水平p應小于等于0.05。

采用DPS數據處理軟件進行回歸分析，建立塌落度與膏體濃度、尾砂與戈壁集料比、灰砂比、泵送劑添加量之間的二次多項回歸關系，回歸方程如式(1)所示，方程的相關系數R=0.999 99，調整后的相關系數Ra=0.999 921，顯著水平p=0.009 1＜0.05，說明回歸方程極顯著，對試驗擬合效果較好。

式中，y1為塌落度，其他符號意義同前。由式(1)可以看出，B(尾砂與戈壁集料比系數)最大，因此尾砂與戈壁集料比對塌落度影響最大;其次為A(膏體濃度);再次為D(泵送劑添加量);最后為C(灰砂比)。其主次順序為:尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比。

采用DPS數據處理軟件進行回歸分析，建立28 d強度與膏體濃度、尾砂與戈壁集料比、灰砂比、泵送劑添加量之間的二次多項回歸關系，回歸方程如式(2)所示，方程的相關系數R=0.999 999，調整后的相關系數Ra=0.999 992，顯著水平p=0.002 9＜0.05，說明回歸方程極顯著，對試驗擬合效果較好。

式中，y2為抗壓強度，其他符號意義同前。由式(2)可以看出，C(灰砂比的系數)最大，且帶有二次項，所以灰砂比對抗壓強大影響最大，雖然A(膏體濃度)帶有二次項，但是膏體濃度的系數過小，并且相對尾砂與戈壁集料比差1個數量級，因此尾砂與戈壁集料比比膏體濃度影響更大，最后為泵送劑添加量。其主次順序為:灰砂比＞尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量。

3.3 配比優化

根據生產實踐經驗，只有當膏體塌落度在20～25 cm時，流動性才達到較合適的范圍，從而有利于后期的管道輸送;根據采礦方法對強度的要求，假頂和假底的強度只有分別達到1～2 MPa和4～5 MPa時，才能進行安全生產工作;通過前面非線性回歸模型的預測，在達到強度要求及流動性要求的情況下，推薦接頂充填膏體的配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送劑添加量為1.5%～2.0%;接底充填膏體配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送劑添加量為1.5%～2.0%。

4 結論

(1)正交試驗結果表明:在所選擇的因素當中，各因素對塌落度影響有輕微差異，對塌落度的影響大小順序為尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比;各因素對抗壓強度的影響相差較大，其中灰砂比是影響最大的，其影響的大小順序為灰砂比＞尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量。

(2)通過DPS軟件非線性回歸得出4因素對塌落度和抗壓強度影響的回歸模型，分析表明，塌落度和抗壓強度與各影響因素之間存在顯著的二次非線性相關性。

(3)經過非線性回歸模型的預測，推薦假頂充填膏體的配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送劑添加量為1.5%～2.0%;假底充填膏體配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送劑添加量為1.5%～2.0。

［1］ 劉同有.充填采礦技術與應用［M］.北京:冶金工業出版社，2001.

［2］ Nguyen QD，Boger D V.Applocation of rheology to solving tailings disposal problems［J］.International Journal of Mineral Processing，1988，54:217-233.

［3］ 王洪江，吳愛祥，肖衛國，等.粗粒級膏體充填的技術進展及存在的問題［J］.金屬礦山，2009(11):1-5.

［4］ 蔡嗣經，王洪江.現代充填理論與技術［M］.北京:冶金工業出版社，2012.

［5］ 汪攀峰，丁啟朔，丁為民，等.一種土壤孔隙率(比)的測定方法［J］.實驗技術與管理，2009，26(7):50-51.

［6］ 方開泰，馬長興，等.正交與均勻試驗設計［M］.北京:科學出版社，2001.

［7］ 蔡嗣經.礦山充填力學基礎［M］.北京:冶金工業出版社，2009.

［8］ 翟永剛，吳愛祥，王洪江，等.全尾砂膏體料漿的流變特性研究［J］.金屬礦山，2010(12):30-57.