基于正交試驗法的強化疏水工藝參數優化

周為民，王開華，劉君杰，諶 勇，薛 順

(1.南華大學 機械工程學院， 湖南 衡陽市 421001；2.中國核工業建設集團公司， 北京 100037)

基于正交試驗法的強化疏水工藝參數優化

周為民1，王開華2，劉君杰1，諶 勇1，薛 順1

(1.南華大學 機械工程學院， 湖南 衡陽市 421001；2.中國核工業建設集團公司， 北京 100037)

以我國某地煤型鈾礦的沉積砂巖頂板靜水疏水工藝參數為研究對象，以負壓固結理論為依據，通過負壓抽氣吸水式強化疏干試驗裝置在實驗室對砂巖模型進行強化疏水試驗。并以砂巖含水率作為強化疏水試驗的定量評價指標，以砂巖固結不塌落作為定性觀察評價指標，通過正交試驗，結果表明：影響砂巖疏水的因素依次為疏水花管的直徑及長度、負壓以及疏水花管上小孔的分布形式，并得到各因素的疏水工藝優化參數。基于強化疏干試驗裝置的疏水工藝參數可作為我國某地蘊藏豐富的煤型鈾礦及其類似條件礦藏的工程疏水提供設計依據。

煤型鈾礦；頂板疏水；疏水花管；砂巖模型；正交試驗

0 引 言

煤型鈾礦的沉積砂巖頂板因含水量大，支護困難，經常發生安全事故，影響開采進度，對泥質砂巖頂板進行疏水可以解決富含靜水的泥質砂巖頂板難以支護的問題。砂巖頂板疏水，若是地下動水，可采用上游截流的辦法，對于地下靜水，則采用鉆孔泄水和坑內外引排水等辦法，但疏水效率太低，延誤工期[1]。

我國某地煤型鈾礦的頂板多為含水率在8%～16%的泥質膠結細粒砂巖。這種泥質砂巖的含水率在8%左右時，砂巖固結堅硬，頂板支撐十分方便；砂巖含水率在12%左右時，砂巖固結較堅硬，頂板支撐較為方便；當砂巖的含水率大到一定程度后，砂巖便會變成豆腐渣狀，若砂巖的含水率達到臨界飽和狀態，便會形成流砂，砂巖頂板根本無法支護[1]。據此問題，由負壓固結理論而研制的負壓抽氣吸水式強化疏干試驗裝置[2](以下簡稱：強化疏干試驗裝置)可在實驗室對濕軟泥質砂巖模型進行高效疏水。通過疏水試驗發現，影響疏水效果及效率的因素(疏水工藝參數)較多，若采用傳統的試驗方法，需要做大量的試驗，而采用正交試驗法可以節省大量試驗時間和試驗經費，并且容易找到最佳疏水工藝參數組合。

1 正交試驗方案設計

1.1 試驗條件

砂巖模型疏水試驗的設備選用專門研制的強化疏干試驗裝置,由真空機組、負壓表、疏水花管、砂箱、進氣閥及管路系統等組成。真空機組需具有防爆功能，有較高的負壓，能連續工作，既能抽氣也能抽水，并且能通過細粒徑泥砂而不損壞；砂箱為可拆卸的全封閉式鋼制結構，砂箱上蓋板安裝有調節負壓的進氣閥，砂箱底部出水口與真空機組進氣吸水口連接。砂箱內泥質砂巖模型高為1000 mm，中間插有一根疏水花管與砂箱底部出水口相聯。

根據煤型鈾礦頂板砂巖成分與比例在實驗室制作砂巖模型。

1.2 疏水工藝參數及試驗評價指標

前期疏水試驗得知：真空機組的負壓值，疏水花管長度、通徑、小孔直徑及其分布形式(小孔垂直間距)以及疏水時間等參數均影響疏水效果。為了簡化正交試驗數量，略去小孔直徑這一因素，并選定適當的疏水時間，將負壓、疏水花管長度、通徑及疏水小孔垂直間距作為疏水工藝的主要參數。以砂巖的平均含水率ω=8%作為疏水試驗效果的定量評價指標，以砂巖固結不塌落作為定性觀察評價指標。

1.3 正交試驗表的選用

根據疏水試驗中的負壓、疏水花管長度、通徑及疏水小孔垂直間距等4個疏水工藝參數，選擇4因素正交表，同時為了更準確的找到相應的水平點，為每1個因素設定3個水平，分別為1,2,3，正交試驗因素水平表見表1，表格中的因素A為花管通徑、B為花管長度、C為小孔垂直間距和D為負壓(下同)。

表1 正交試驗因素水平

表1所確定的各因素值是由前期疏水試驗得到的，所選取的4個因素之間并無交互作用，所以正交表選用L9(34)表較為合適。結合因素水平表1可以得到正交試驗方案，如表2所示。

表2 正交試驗方案

1.4 正交試驗疏水花管設計

在前期疏水試驗中，發現疏水花管上的疏水小孔垂直間距為三段等比式[3](見圖1)比均勻分布式(見圖2)的疏水效果好。所以，正交試驗疏水花管小孔垂直間距設計為三段等比式，花管小孔間距呈上疏下密等比式分布規律。從表2知，整個正交試驗需要設計9根不同尺寸和結構的疏水花管，可根據表2中的三段特征尺寸值并參考圖1進行設計。

2 正交試驗及數據分析

2.1 正交試驗

利用強化疏干試驗裝置并按圖3所示的疏水工藝流程對砂巖模型進行疏水試驗。調節進氣閥可以調節負壓大小。

每次正交試驗結束后，拆除砂箱底板觀察砂巖是否固結，有無塌落；然后拆開砂箱側板，在砂巖中心處自上而下等距選取11個砂巖樣品進行含水率檢測，并計算砂巖的平均含水率ω。

2.2 正交試驗結果分析

將試驗數據及砂巖平均含水率ω記錄到表3中，采用極差分析法[4，5]，對正交試驗數據進行分析。

(1) 分析計算各因素。首先分析計算因素A(花管通徑)，在表3的第一列中，將包含A因素1水平的1,2,3號試驗作為第一組，把包含A因素2水平的4,5,6號試驗作為第二組，把包含A因素3水平的7,8,9號試驗作為第三組。

圖1 三段等比式疏水花管

圖2 均勻分布式疏水花管

圖3 強化疏干試驗裝置疏水工藝流程

把第一組試驗得到的3個試驗數據相加后取平均值。即將1,2,3號試驗的平均含水率ω相加后取平均值，和記為Ki，平均值記為ki=Ki/3。因素A的分析計算如下：

式中，ω1、ω2、ω3為試驗號1,2,3試驗時所得到的砂巖平均含水率。

同理：

用分析因素A的方法分析計算因素B(花管長度)、因素C(花管小孔垂直間距)和因素D(負壓)，并將分析計算值記入表3中，表中ω表示砂箱中砂巖疏水后的平均含水率。

表3 試驗數據與計算分析表

(2) 極差R計算。計算各因素的k1、k2、k3每一列中最大值和最小值之差，即極差R，并列于表3中。

(3) 判斷主次。由表3可以看出，RA>RB>RD>RC，其中RA、RB、RD明顯大于RC，因此，因素A(花管通徑)、因素B(花管長度)及因素D(負壓)是影響疏水效果的主要因素，因素C(花管小孔垂直間距)是次要因素。

(4) 確定最優組合。因為砂巖平均含水率ω的水平越低證明疏水效果越好，所以，每個因素的好水平就是k1、k2、k3每一列中的最小值，因此，最優組合為A2B2D1C2。

(5) 正交試驗結果分析。由正交試驗極差分析知，在影響疏水效果的4個因素中，前3個因素的極差遠大于第4個，說明前3個因素對疏水效果影響較大。并由此可得，在相同負壓情況下，疏水花管是影響疏水效果的關鍵部件。這一結論也可以從疏水試驗中得到證實：

①在各種影響因素中，疏水花管通徑影響最大，在實際疏水試驗中，疏水花管的長度影響最為明顯。當疏水花管的長度500 mm是砂巖高度1000 mm的1/2時，疏水后砂巖自上而下各段的含水率相差不大，砂巖通體固結，其硬化程度上下比較一致，砂巖不塌落；當采用800 mm長度的疏水花管時，因為花管長度已接近砂巖的高度1000 mm，疏水后砂巖上、下部分含水率相差較大，砂巖上部1/3段首先固結硬化，并有大裂縫形成，負壓疏水通道被“短路”，因而下半部分砂巖難以固結，砂巖較濕軟，部分砂巖塌落；當疏水花管長度只有300 mm時，由于花管長度300 mm只為砂巖高度1000 mm的1/3，頂部砂巖與花管的距離“太遠”，不但疏水時間長，而且疏水效果也不理想。

②由砂巖內靜水的重力場分布規律知，在自然狀態下，砂巖的含水率是自上而下逐步增大，因此，疏水花管小孔垂直間距的排列方式應按此規律進行設計，即花管小孔垂直間距應自上而下先疏后密，呈三段式等比排列分布。從正交試驗結果來看，小孔垂直間距并不是越密越好，若小孔間距太密，形成了一個“大通道”，抽氣壓力反而會下降，所以，小孔垂直間距取表1的中值較好，由此也可解釋疏水花管通徑只能取中值的原因。③負壓太小，疏水效果肯定最差；負壓過大，大部分疏水小孔會被堵塞，疏水效率也會下降。

2.3 最優組合驗證試驗及結果比較

由表3試驗數據知，試驗號5的組合為A2B2C3D1，是9個正交試驗中最好的組合，而根據正交試驗數據計算得到的最優組合為A2B2D1C2，在9個正交試驗中并未出現過，因此，要通過試驗來驗證計算A2B2D1C2為最優組合。試驗結果表明，按最優組合A2B2D1C2進行的砂巖疏水試驗，砂巖全部固結且無塌落，在砂巖中心附近垂直方向取11個砂巖樣品進行含水率檢測，得到砂巖的平均含水率僅為8.35%，比試驗號5的含水率9.05%低，因此，由計算得到的A2B2D1C2疏水工藝參數組合是最優組合。

3 結 論

(1) 運用正交試驗法，選取L9(34)正交表并通過專門研制的強化疏干試驗裝置在實驗室對砂巖模型進行疏水試驗，得到的最佳疏水工藝參數是：疏水花管通徑為DN20 mm，長度為500 mm，小孔垂直間距為60 mm、30 mm、15 mm，負壓為-0.078 MPa，在對砂巖模型進行疏水試驗后砂巖平均含水率ω從18%降到8.35%，砂巖全部固結不塌落，疏水試驗達到滿意效果。

(2) 運用常規疏水方法的疏水工期，少則半年，多則2～3年[1]。而通過專門研制的強化疏干試驗裝置，并基于正交試驗法得到的最佳疏水工藝參數對砂巖頂板靜水進行強化疏干，比常規疏水方法的效率提高5～10倍以上。

(3) 用正交試驗法得到的疏水工藝參數可作為我國某地蘊藏豐富的煤型鈾礦及其類似條件礦藏的工程疏水提供設計依據。

[1]王開華.煤型鈾礦的開采技術[M].北京:原子能出版社,1991:154-156.

[2]劉君杰,周為民,王開華,等.強化疏干試驗裝置的設計及疏水試驗[J].鈾礦冶，2013(4)：200-203.

[3]周為民,王開華,雷澤勇,等.礦山沉積砂巖頂板靜水的疏干方法及疏水花管[P].中國201410017365.5,發明專利公報,2014.4(16).

[4]何 為,薛衛東,唐 斌.優化試驗設計方法及數據分析[M].北京:化學工業出版社,2012：120-150.

[5]李志西,杜雙奎.試驗優化設計與統計分析[M].北京:科學出版社,2010:96-132.

2014-05-30)

周為民(1958-)，男，湖南衡陽人，教授，學士，主要從事先進制造技術及礦山開采技術研究,E-mail:zwm_hy@163.com。