會寶嶺鐵礦全尾砂膠結充填最優配比試驗研究

饒運章，舒太鏡，鄭長龍，彭立正，張海濤，王正英

(1.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州 341000;2.山東能源臨沂礦業集團會寶嶺鐵礦,山東 臨沂 277712)

會寶嶺鐵礦是一個設計年采選礦石量300萬t的新型地下開采礦山，該礦發育兩條平行展布、相向而傾的隱伏狀主礦帶，礦體呈層狀、似層狀，與地層產狀基本一致，礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦，根據礦體產狀、礦巖穩固性及礦石品位特點，設計采用分段空場嗣后充填采礦方法，采場分礦房、礦柱，待礦房礦石全部出完后，集中一次全尾砂膠結充填。

通過全尾砂膠結充填配比試驗研究，可獲得較為詳細的全尾砂充填特性資料，既可為本礦山實施充填提供理論支持，解決礦山面臨的尾砂排放時占用土地及污染環境等方面的問題，亦可為其他礦山提供借鑒參考[1-3]。

1 試驗設計與實施

1.1 全尾砂回歸正交組合試驗設計

回歸正交試驗設計是一種將回歸分析與正交設計組合起來的試驗方法，可以在因素的試驗范圍內選擇適當的試驗點，用比較少的試驗建立回歸方程，并能獲得試驗的優化解[4]。

設因素Xj的取值范圍為Xj[Xj1，Xj2]，Xj1為因素Xj的水平下限，Xj2為因素Xj的水平上限，對因素水平進行編碼，見式(1)。

(1)

式中：Xj0為因素零水平，Xj0=(Xj2+Xj1)/2；Δj為因素變化間距，Δj=(Xj2-Xj1)/2。

本試驗選定的試驗因素為水泥用量(X1)與料漿濃度(X2)兩個，因子的取值范圍X1[9.5%，20%]，X2[65%, 80%]，其中水泥用量是指占水泥全尾砂總量百分比。由此建立因子水平與編碼的一一對應關系，見表1，據各因子水平的回歸正交設計，需進行二因素四水平L16(42) 即16組膠結配比試驗。

表1 因子水平與因子編碼對應關系

1.2 全尾砂回歸正交組合試驗實施

本試驗采用直徑50mm×高100mm圓柱形試模，在試模內進行充填漿料的澆注，養護72h后進行試件脫模，每做完一組編上組號與日期，并送恒溫、恒濕養護室繼續養護。每組澆注圓柱形試件20個，3個用于單軸壓縮試驗，測試充填體28天單軸抗壓強度(R)、彈性模量(E)，9個用于剪切試驗(30°、45°、60°各3個分別求平均值)，測試養護28天充填體的粘聚力(C)及內摩擦角(φ)；剩余試塊在養護室繼續養護，測試充填體90天單軸抗壓強度(R)、彈性模量(E)。

2 試驗結果與分析

2.1 全尾砂充填料漿的流動性能

坍落度表征了料漿在管道中流動性能的好壞，它是充填料漿可泵性的重要指標。充填料漿的濃度是制約充填效率的重要因素之一，它決定著料漿的管道輸送性能、充填能力和充填體的力學強度[5-8]。

為確定全尾砂充填料漿可流動濃度范圍、流動性態，根據水泥-全尾砂-料漿的基本物理性質進行坍落度試驗，試驗結果如圖1所示。當干水泥用量固定時，不同的重量濃度的料漿坍落度變化較大，當重量濃度固定時，不同的干水泥用量的料漿坍落度變化很微小，可知重量濃度對坍落度的影響遠大于干水泥用量的影響；全尾砂料漿的坍落度隨濃度的增大而減小，重量濃度在70%～80%影響較為顯著，即流動性隨料漿重量濃度的增大而減小，在重量濃度為75%～80%時，流動性隨料漿濃度的增大減小更快；全尾砂料漿重量濃度為65%時，料漿流動性較好，但析水量較大，對充填體初凝、強度都會帶來較大的不利影響；全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時，全尾砂料漿坍落度在135～200mm范圍，析水量較少，沉降、離析影響小，較適合高濃度井下充填。

圖1 全尾砂充填體重量濃度-坍落度關系曲線

圖2 全尾砂充填體重量濃度-內聚力(C28)關系曲線

2.2 全尾砂膠結充填體強度性能

通過RMT-150壓力系統，對養護28天的充填體進行無側限單軸壓縮試驗及剪切試驗，對養護90天的充填體進行無側限單軸壓縮試驗，對試驗數據進行統計分析，獲得全尾砂料漿重量濃度-抗壓強度(R)、彈性模量(E)、內聚力(C28)在不同水泥用量下的關系曲線，圖2～4表明：當干水泥用量相同時，隨著料漿重量濃度的升高，充填體抗壓強度、彈性模量、內聚力分別增大，但干水泥用量越多時，其增大趨勢越明顯；當料漿重量濃度固定時，隨著水泥含量的升高，充填體抗壓強度、彈性模量、內聚力分別增大，但料漿重量濃度越低時，其變化趨勢越小，料漿重量濃度越高其變化趨勢越大。從養護天數來說，養護90天比養護28天的單軸抗壓強度大，說明充填體養護時間對全尾砂膏體充填體強度有較大影響，隨著養護時間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用得到增強；養護28天與養護90充填體的彈性模量變化不大，說明充填體養護時間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用對彈性模量影響不大。通過對試驗數據進行統計分析后可知，干水泥用量為影響充填體力學性能的主要因素，料漿濃度為次要因素，但二者的作用相輔相成、缺一不可。

(a)養護28天充填體抗壓強度試驗結果 (b)養護90天充填體抗壓強度試驗結果

(a)養護28天充填體彈性模量試驗結果 (b)養護90天充填體彈性模量試驗結果

2.3 全尾砂膠結充填體回歸分析

在回歸正交試驗設計基礎上，設全尾砂膠結充填體強度指標(抗壓強度、彈性模量、內聚力)為變量Y，水泥用量、料漿濃度分別為X1、X2，由于X1、X2兩個因素之間無相關性，因此無需考慮其交互作用，可建立試驗指標Y與試驗因素X1、X2的二元一次回歸方程，再應用基于最小二乘法的多元線性回歸法對試驗數據進行分析[9]，來預測各因素在取值范圍內全尾砂膠結充填體力學參數的一些變化規律。充填體強度回歸方程[10]見式(2)。

加強頂層設計，一是做好“互聯網+黨建”工作開展的整體性規劃，建立專門的黨組織網絡領導體系，明確“互聯網+黨建”的目標和要求，從整體上將“互聯網+黨建”納入醫院黨的建設的整體規劃當中[3]；二是做好基礎性規劃。結合智慧醫院的建設，有序推進各醫院黨建信息化建設，建立權責分工、職責明確，條塊結合的“互聯網+黨建”平臺，做好崗位的設置、平臺的維護和運營、信息化的考核標準，實現對黨支部的精細化管理。

(2)

式中：Xn1表示X1的分量與各因素對應分量乘積之和；εn為相互獨立的并且εn～N(0,σ2)(n=1，2，…，16)。

利用MATLAB軟件，對試驗中的水泥用量，料漿濃度以及養護28天的充填體抗壓強度、彈性模量及內聚力等數據進行回歸分析。

1)養護28天與養護90天全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度的回歸方程分別見式(3)、式(4)。

YR28=2.3567+30.2236(X1-0.1475)+17.4045(X2-0.7250)

(3)

YR90=2.5872+28.1514(X1-0.1475)+19.7410(X2-0.7250)

(4)

2)養護28天與養護90天全尾砂膠結充填體彈性模量的回歸方程分別見式(5)、式(6)。

YE28=0.5229+7.7143(X1-0.1475)+4.0200(X2-0.7250)

(5)

YE90=0.5228+6.6693(X1-0.1475)+4.3305(X2-0.7250)

(6)

3)養護28天內聚力的回歸方程見式(7)。

Yc28=0.7238+7.1960(X1-0.1475)+5.2104(X2-0.7250)

(7)

查表得F0.005=8.19，對與給定水平α=0.005時，均有F>F0.005，故回歸方程(3)～(7)的回歸效果顯著。

分析比較養護28天、90天試驗的回歸方程及表2數據，式(3)與式(4)、式(5)與式(6)、式(7)分別為考察水泥用量、料漿濃度對抗壓強度、彈性模量、內聚力影響的回歸方程。由方程式的偏差平方和可知：水泥用量對充填體抗壓強度的影響大于料漿濃度，通過對試驗回歸方程的F檢驗說明回歸方程的精度是可以接受的；抗壓強度回歸方程和彈性模量回歸方程的預測值精度幾乎相近；養護28天F值比養護90天的F值大，因此養護28天的充填體預測精度相對更加準確；當給定抗壓強度或彈性模量、料漿濃度和水泥用量中的任意兩個值時，可應用回歸方程來估計試驗單軸抗壓強度和彈性模量，對實際生產具有指導意義。

表2 全尾砂充填體回歸方程方差分析表

3 最佳配合比優化

在上述回歸分析和回歸方程基礎上，為尋找充填材料的最優配合比，根據礦山生產需要，對養護28天試塊的3個力學指標(抗壓強度yσ、彈性模量yE、內聚力yC)提出以下要求：yσ≥1.5MPa、yE≥ 0.2GPa、yC≥ 0.5MPa，根據3個試驗力學指標的回歸方程，利用數值分析軟件求解該組聯立不等式。

尋找工作被編成MATLAB程序在計算機上進行，具體方法是：在Zj的取值區間[-1，1]，以一定步長Δj進行全面搜索，獲得水泥用量X1和料漿濃度X2在取值區間內的較優值域[0.095，0.1475]、[0.725，0.80]，并在此較優值域內以縮小的步長繼續搜索，最終獲得滿足上述強度要求而又經濟合理、適合管道輸送的最優配比為水泥用量10.5%、充填濃度75%，此時，抗壓強度、彈性模量、內聚力分別為1.507MPa、0.283GPa、0.553MPa。

4 結論

1)當全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時，全尾砂料漿坍落度范圍為135～200 mm，析水量較少，比較適合高濃度充填。

2)獲得不同配比充填體28天與90天的單軸抗壓強度、彈性模量、內聚力等力學參數，由其關系曲線可知膠結充填體強度性能與水泥用量和料漿濃度均成正比關系，水泥用量起主要作用，料漿濃度為次要作用。

3)得出了充填體抗壓強度、彈性模量及內聚力等力學參數的回歸方程式，對各回歸方程式進行顯著性檢驗，養護28天的F值比90天的F值大，因此養護28天的充填體預測精度相對更加準確。

4)應用回歸方程預測估計養護28天充填體的單軸抗壓強度、彈性模量或內聚力，尋找滿足該礦要求的充填材料最優配合比，得出水泥用量10.5%，充填濃度75%。

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