混合充填集料RRB方程分布特征對充填體強度影響研究

楊　嘯,　楊志強,,　高　謙,　王永前,　陳得信

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京　100083； 2.金川集團股份有限公司,甘肅 金昌　737100)

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混合充填集料RRB方程分布特征對充填體強度影響研究

楊嘯1,楊志強1,2,高謙1,王永前2,陳得信2

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083； 2.金川集團股份有限公司,甘肅 金昌737100)

由于應用棒磨砂作為單一充填骨料制備充填體的成本過高,金川礦山面臨充填成本居高不下的難題。根據金川礦山實際工程背景,文章采用成本較低的戈壁砂、選礦尾砂和棒磨砂制備混合集料,開展了不同骨料配比的充填體強度試驗。為了得到不同充填集料的特征粒徑評價,采用RRB(Rosin-Rammler-Bennet)模型的原數學表達式并根據最小二乘法計算出不同配比骨料的特征粒徑和均勻性系數。研究結果表明:單一充填骨料制備出的充填體強度較低,充填體強度隨著特征粒徑的減小,均勻性系數逐漸增大，并接近1,但當棒磨砂、戈壁砂、選礦尾砂的配比為4.5∶4.5∶1時,所制備的充填體強度達到最大值。

充填骨料;RRB模型;最小二乘法;特征粒徑;均勻性系數

隨著環境保護法規日趨嚴格,具有損失率小、貧化率低、安全性高,且能有效控制采場地壓活動和防治地質災害的充填采礦法倍受采礦業青睞[1-2]。金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦,也是世界上特大型硫化銅鎳礦之一。金川鎳礦經歷了強烈的地質構造運動,地質構造復雜,水平應力高,礦巖破碎,穩定性極差,巖石力學與工程穩定問題的難度被國內外同行所公認[3],因此采用充填成本高和生產能力低的下向分層膠結充填法開采。面對當前有色金屬價格低迷,而金川礦山充填成本居高不下[4],探索低成本充填骨料來降低充填采礦成本,成為金川礦山的研究課題之一。

選用選礦尾砂、戈壁砂與棒磨砂混合料作為充填骨料,能夠有效地降低充填骨料的生產成本[5]。研究表明，廢石-尾砂混合骨料的膠結充填體強度,隨著廢石含量增加而提高[6]。文獻[7-8]針對金川礦山充填材料,分別開展了全尾砂與棒磨砂以及全尾砂與廢石混合料的合理配比試驗。對多種充填骨料混合料采用RRB模型描述,獲得用以表征其粒度分布特征的特征粒徑De和均勻性系數n,可以方便地分析粉體粒度分布對充填體性能的影響[9-10]。采用RRB(Rosin-Rammler-Bennet)模型的原數學表達式直接根據最小二乘法原理計算得到的De和n值，與采用經變量代換后的“lnln-ln”數學形式線性回歸得到的結果相比偏差較小[11]。本文根據金川礦山工程現況,運用RRB模型的原數學表達式,對棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂混合骨料的粒徑分布進行計算分析,從而研究不同骨料配比對充填體強度的影響。

1　充填骨料物化特性

國內外礦山使用的充填骨料品種很多,主要有選礦尾砂、棒磨砂、戈壁砂、廢石和河砂等。根據金川礦山實際情況以及采礦方法對充填體強度的要求,選用選礦尾砂、戈壁砂與棒磨砂的混合料作為充填骨料開展了一系列試驗研究。

1.1棒磨砂

金川砂石廠棒磨機的主體工藝是將露天采出的戈壁集料砂卵石,先經破碎篩分制成粒徑小于25 mm的粗集料,除部分直接送龍首礦做充填材料外,其余經棒磨機磨成小于3 mm的細砂,供二礦區充填使用。-3 mm棒磨砂基本物理化學性能見表1所列,棒磨砂、戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質量分數見表2所列。粒徑級配采用S1064型激光粒度分析儀進行激光粒度測定,分布曲線如圖1所示。

表1　棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂的物理性質與化學成分

注：ρ和容重的單位均為103kg/m3。

表2　棒磨砂、戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質量分數　%

圖1　棒磨砂粒級分布曲線

1.2戈壁砂

戈壁砂是露天采出的戈壁集料砂卵石,經篩分后+5 mm進入砂石廠進行棒磨加工,而-5 mm直接運至充填站砂池中用于充填。戈壁砂物理化學性能見表1所列。

戈壁砂不同篩分孔徑的篩余質量分數見表2所列。

粒級分布曲線如圖2所示。

圖2　戈壁砂粒級分布曲線

1.3選礦尾砂

從二礦區充填站尾砂倉放出的尾砂中取樣,測定其物理化學性質見表1所列。

粒級組成分析結果見表3所列,粒級分布曲線如圖3所示。

選礦尾砂的分布粒徑如下:d10=5.90 μm，d50=62.18 μm，d90=124.35 μm，d平均=64.55 μm。

表3　選礦尾砂粒級組成

圖3　選礦尾砂粒徑分布曲線

2　充填體強度試驗

利用金川礦區膏體充填系統,開展了棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂3種骨料在不同配比條件下的充填體強度試驗，試驗的膠凝材料為金川礦用32.5#增強水泥。根據礦山管道自流輸送充填系統工業生產指標,采用灰砂比1∶4,漿料質量分數為76%和79%。使用JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機,將膠凝材料、水、混合充填骨料按設計的灰砂比和料漿質量分數計算出相應的質量比,先混合攪拌180 s制成充填料漿,然后邊攪拌、邊注入尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯試模中。

將試模編號放入(20±1) ℃、相對濕度不低于90%的YH-40B型養護箱中標準養護,48 h后脫模。將脫模后的充填體試塊重新編號,然后放入YH-40B型養護箱繼續養護,直到養護齡期。在SANS數顯固定位移壓機上以0.5 mm/s速度對充填體試塊施加連續荷載,然后測定充填體試塊(單軸)抗壓強度。每個齡期測試3塊,取平均值。不同骨料配比的充填體強度試驗方案和結果見表4所列。表4中的骨料配比為棒摩砂、戈壁砂、選礦尾砂三者的質量比，下同。

表4　混合集料膠結充填體強度試驗結果

3　充填骨料粒度分布對強度的影響

為了研究混合集料配比對膠結充填體強度的影響規律,根據9組充填集料的配比以及棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂的粒徑分布特征,按照配比加權計算出9組充填集料的粒徑分布值,再由RRB方程計算出粒徑特征值De和均勻性系數n。

3.1RRB方程特征粒徑和均勻性系數計算

RRB分布方程表達式如下：

(1)

其中,R為粒徑為D時的篩余質量分數;De為特征粒徑,表示顆粒群的粗細程度,物理意義為R=36.8%時的顆粒粒徑;n為均勻性系數,表示粒度分布的寬窄程度,n值越小,粒度分布范圍越廣。

對于某一粒徑Di,其篩余質量分數Ri與模型預測值Rj之差的平方記為Δi,離差平方和記為Δ,實驗總個數記為N,則根據 (1) 式可得:

(2)

(3)

由 (3) 式可見,Δ是De和n的函數,隨著De和n的變化,Δ存在最小值。根據最小二乘法原理,當Δ取最小值時,對應的De和n值為采用(1)式所計算得到的最優值。欲求得Δ的最小值,可令?Δ/?De=0且?Δ/?n=0,求解聯立方程組即得。

采用Matlab軟件編制運算程序,由此計算出不同配比的混合集料的特征粒徑De和均勻性系數n,計算結果見表5所列。

表5　不同配比的混合集料的特征粒徑和均勻性系數

3.2充填體強度與特征粒徑的關系

由不同配比混合集料的充填體3、7、28 d強度與對應混合集料的特征粒徑關系如圖4所示。

圖4　不同骨料配比充填體強度與特征粒徑關系

圖4中特征粒徑為2 213 μm和2 828 μm分別對應單一充填骨料棒磨砂和戈壁砂。由圖4可以看出,單一充填骨料制備的充填體3、7、28 d強度均低于混合充填骨料。而在特征粒徑2 278 μm時,即充填骨料棒磨砂、戈壁砂、尾砂的配比為4.5∶4.5∶1,充填體的3、7、28 d強度達到了最大值。剔除強度最大值的骨料配比與單一充填骨料,作出混合骨料充填體強度與特征粒徑關系曲線如圖5所示。

圖5　混合骨料充填體強度與特征粒徑關系

從圖5可以看出,隨著充填骨料特征粒徑增大,3 d和7 d充填體強度隨之減小,而28 d充填體強度在特征粒徑2 337 μm之后呈輕微上升趨勢。

3.3充填體強度與均勻系數的關系

由于有2組充填骨料均勻性系數為0.984,且其中一組是強度最大值的骨料配比,所以將均勻性系數為0.984的2組充填體強度數據剔除后,可得混合骨料充填體強度與均勻性系數關系如圖6所示。從圖6可以看出,均勻性系數在1以下時,隨著均勻性系數增大,充填體強度逐漸增大;但均勻性系數在1以上時,隨著均勻性系數增大,充填體強度逐漸減小。

圖6　混合骨料充填體強度與均勻性系數關系

4　結　　論

為了安全可靠地利用戈壁砂和選礦尾砂作為金川鎳礦充填法采礦的充填骨料,本文開展了棒磨砂、戈壁砂和選礦尾砂3種充填骨料在不同配比條件下的膠結充填體試驗,由試驗可得以下結論:

(1) 使用單一充填骨料制備出的充填體比使用混合骨料制備出的充填體強度低。

(2) 采用棒磨砂、戈壁砂、選礦尾砂配比為4.5∶4.5∶1的混合骨料時,制備出的充填體強度達到最大值。漿料質量分數為76%時3、7、28 d強度分別為2.86、4.79、6.62 MPa,漿料質量分數為79%時3、7、28 d強度分別為3.08、4.87、7.30 MPa,均符合金川礦山對充填體強度的要求。同時這種充填骨料的成本遠低于傳統的棒磨砂充填骨料。

(3) 隨著混合充填骨料特征粒徑的增大,充填體早期強度呈下降趨勢,但后期強度在特征粒徑2 337 μm之后呈上升趨勢。

(4) 充填骨料的均勻性系數越接近1,充填體強度越大。

[1]謝龍水.礦山膠結充填技術的發展[J].湖南有色金屬,2003,19(4):1-5.

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[3]陳仲杰,楊金維.金川礦區深部高應力碎脹蠕變巖體支護對策[J].金屬礦山,2005(1):18-22.

[4]王正輝.金川礦山廢料膠結充填工藝技術研究[J].采礦技術,2011,11(4):32-36.

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[6]郭利杰,楊小聰.廢石尾砂膠結充填試驗研究[J].武漢理工大學學報,2008,30(11):75-78.

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(責任編輯閆杏麗)

Research on the influence of mixed filling aggregate distribution based on RRB model on filling body strength

YANG Xiao1,YANG Zhiqiang1,2,GAO Qian1，WANG Yongqian2,CHEN Dexin2

(1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China; 2.Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737100, China)

Due to the fact that the cost of rod-mill tailings using as single filling aggregate is too high, Jinchuan Mine is faced with the problem of high filling cost. In view of the engineering environment of Jinchuan Mine, the aggregate mixed with low-cost gobi sand, mill tailings and rod-mill tailings was prepared, and then the strength tests of the filling body with different aggregate ratios were carried out. In order to get the characteristic particle size evaluation of different filling aggregates, the original mathematical expression of Rosin-Rammler-Bennet(RRB) model was used and the characteristic particle size and uniformity coefficient of different aggregates were calculated by using the least squares method. The results show that the strength of the filling body made with the single filling aggregate is lower than that made with the mixed aggregate. And the strength of filling body increases gradually with the decrease of characteristic particle size and the uniformity coefficient is close to 1. When the aggregate ratio of rod-mill tailings, gobi sand and whole-tailings is 4.5∶ 4.5∶ 1, the strength of filling body reaches the maximum.

filling aggregate; Rosin-Rammler-Bennet(RRB) model; least squares method; characteristic particle size; uniformity coefficient

2015-03-19；

2015-05-25

國家高技術研究發展863計劃資助項目(SS2012AA062405)

楊嘯(1988-),男,河南鄭州人,北京科技大學博士生;

高謙(1956-),男,江蘇徐州人,博士,北京科技大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.020

TD863

A

1003-5060(2016)07-0965-05