尾砂充填材料優化配比試驗*

齊 炎，溫 楷，諸利一，周 超，萬 飛，王玉丁

（北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

1 引言

將尾砂作為充填采礦法的充填料，不僅可以解決固體廢棄物的問題，而且在很大程度上可以降低礦山的開采成本。以尾砂作為充填骨料的充填采礦技術必然是未來采礦領域研究的重要方向之一［1-3］。由于尾砂的粒徑較細，需要與其它粒徑的骨料砂、水泥和添加劑等混合作為充填料，因此混合充填骨料的配比成為了研究的焦點。楊嘯等［4］針對不同的充填骨料進行膠結充填體強度試驗，在該實驗的基礎上，推導出了神經網絡的預測模型，最后得到了充填體強度與充填骨料特征值的關系。吳鵬等［5］對某釩鐵礦的充填材料進行了許多試驗, 測出了相關物理力學參數和一些力學指標，借助MATLAB軟件得到相應的回歸模型，最后根據所得模型運用LINGO進行參數優化。田立鵬等［6］、楊志強等［7］分析了金川全尾砂充填料的物理化學特性，然后開展了膠結充填體強度正交試驗，優化了全尾砂與廢石混合料的配比。

以上研究均取得了一定的進展，但由于充填的材料和要求不同，研究者們考察的影響因子也有差異。充填材料配比設計不僅要滿足礦山對充填體強度和輸送的要求，還要嚴格控制充填的成本，合理的充填配比應滿足最低充填成本和充填工藝要求，這也是每個充填礦山致力于解決的問題［8］。因此，更好解決充填成本等問題，需考慮質量濃度、粉砂比和攪拌時間這些關鍵因素對充填采礦充填材料性質的影響，據此有必要展開關于尾砂充填料的配比優化試驗。預期能得到礦山充填的最優配比，滿足強度要求和充填系統設計，提高企業生產效益。

2 實驗

試件制作選用69.7mm×69.7mm×69.7mm模具進行，一次可做三個試塊。使用前需要先在模具內部刷潤滑油，主要起到防止模具腐蝕和易于脫模的作用。按照試驗的相關要求，采取某金屬礦的尾砂和添加劑若干，混合之后用NJ-160型特攪拌機進行無水條件攪拌，攪拌開始計時5min，攪拌均勻結束后，加入按照計算添加的水量攪拌3 min。在尾砂料漿裝入試模之前需對膏體尾砂的流動度進行測試，記錄好測定數據后放在標準養護箱，嚴格按照本次設計的養護時間進行養護，如圖1所示。

圖1 試驗材料攪拌和養護

3 多因素正交試驗設計

根據以往膏體充填在各大礦山的運用和現場實踐的經驗來看，本次實驗所需的充填體強度需控制在2.5MPa以上，流動度也要至少在135mm以上。這一經驗和實踐效果值也可以作為實驗最終參考的依據。本研究設計的正交試驗為控制在3因素5水平下，設計制定的正交試驗方案見表1。

表1 3因素5水平正交試驗

本次試驗主要考察尾砂充填體的強度要求。其中礦山充填的輸送主要滿足流動度和泌水率這兩大指標，因此本次正交試驗分別設計了不同流動度、料漿濃度和粉砂比進行對比試驗。充填的強度分別考察在早期3d的強度值，和在養護7d時候的強度變化。考察試驗指標及結果見表2所示。

4 試驗結果分析

本次正交試驗主要對強度值進行考察，充填的強度分別考察在早期3d的強度值，和在養護7d時候的強度變化；流動度設計范圍在135mm值附近。極差分析大的結果見表3和表4。

表2 正交試驗統計結果

續表

表3 試塊3d、7d抗壓強度極差分析

表4 試塊流動度極差分析

表中的Kij的含義是指第j（j=1,2,3）列對應的i（i=1，2，3…）水平的試驗得到的數據之和。如表4中所示。其中，Rj越大，說明j列的因素對考察的實驗指標的影響就越大。通過對試塊3d、7d的單軸抗壓強度極差分析表3、4分析：

（1）通過表中計算的Rj值可以判斷影響充填試塊抗壓強度因素的強弱順序為B-C-A（即粉砂配和比-質量濃度-攪拌時間），影響充填體流動度因素的強弱順序為C-B-A（即質量濃度-粉砂配和比-攪拌時間）。

（2）從表 3～4 中計算的 K1j、K2j、K3j、K4j、K5j的計算值可知，因素攪拌時間、粉砂配和比和質量濃度所在列的 K1j、K2j、K3j、K4j和 K5j值明顯存在不同，這實際是該因素在不同水平變化下，抗壓強度和充填體流動度產生的變化，該變化值不會因為其它因素水平的改變而改變。

（3）由測試充填試塊養護時間分別為3d和7d的抗壓強度值，可以預測該充填體所能達到的強度值。由正交試驗的強度分析可知，影響充填體強度的最主要因素為充填體粉砂配比，其次是料漿濃度，攪拌時間的影響最小。

5 結論

結合充填材料性能分析，運用正交試驗方法，對尾砂膏體充填材料進行研究，得到了較為合理的配比方案，主要結論如下：

（1）通過試驗研究可知，影響充填試塊抗壓強度和流動度因素的強弱順序分別為為粉砂配和比-質量濃度-攪拌時間和質量濃度-粉砂配和比-攪拌時間。

（2）試驗結果表明，當砂漿濃度和粉砂比一定時，充填體的強度與養護時間呈正相關，強度最終維持在一個穩定值；在同一養護時間與砂漿濃度相同條件下，充填體的強度變化與粉砂比呈正比關系；在控制粉砂比和養護時間一定時，強度值隨著料漿質量濃度的增大而變大。

（3）采用正交試驗方法，通過對比分析，本次試驗應選擇最優配比組合為：粉砂比1∶5，質量濃度69 %。