摻石灰石粉的混合骨料充填料漿配比優化研究

何建元 溫震江 王永定 王 虎 高 謙 李 海 李宏業

（1.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100；2.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）

近年來，隨著社會經濟的發展，對于礦產資源的需求量逐年增加，淺部資源已經難以滿足社會發展的需要，因此采礦活動逐漸轉向高溫、高地壓的深部［1-3］。加之，國家對于安全和環保等方面愈發重視，使充填采礦法得到了廣泛應用［4-5］。充填采礦法具有安全、高效、環保以及固廢利用率高等特點［6-8］，對于實現安全采礦，降低充填采礦成本和提高礦山經濟效益具有重要意義。

高濃度膠結充填由于其安全高效的特點被廣泛應用。膠結充填能夠有效利用廢石和尾砂等礦山固廢，減少其堆存造成的環境污染［9-10］。為了降低充填成本，金川礦山充填采用廢石和棒磨砂混合骨料和新型膠凝材料，但是由于混合骨料粒徑級配不均，造成料漿離析，不但影響充填體強度，嚴重的可能造成堵管、爆管，影響充填效率甚至危及采礦安全［9-11］。影響料漿穩定性的因素很多，其中重要的因素是骨料的粒徑級配［9-10］。對此，國內外學者進行了大量研究，其中SCHLANGEN等［13］、SUN等［14］研究了骨料配比對充填料漿離析的影響，并得出在一定條件下骨料粒徑級配是影響料漿離析的重要因素；許文遠等［15］、同樹鋒等［16］研究了料漿分層離析對充填體強度的影響，并基于級配分析對充填強度進行了優化；董培鑫等［17］、王建棟等［18］、溫震江等［19-20］研究了骨料粒徑級配對料漿穩定性和流變特性的影響，并根據試驗結果建立了充填料漿抗離析評價模型，以此優化料漿配比。金川礦山在破碎廢石和加工棒磨砂的過程中，會產生一定量的石粉，將其添加至混合骨料中，不但可以改善充填料漿流動性，而且有利于提高充填體強度。該礦山背靠龍首山，有豐富的石灰石資源，通過對其粉磨得到石灰石粉，不僅可以作為礦物摻合料，而且可以作為細骨料［21-22］。對于石灰石粉作為骨料的研究，鄭娟榮等［23］通過在尾砂中添加細度不同的石灰石粉來研究其對膏體充填料漿性能的影響，研究發現，通過添加適量的石灰石粉，可以改善料漿性能。

在前期研究的基礎上，擬通過添加石灰石粉細骨料來改善廢石-棒磨砂混合骨料的粒徑級配，控制料漿分層離析，達到礦山高濃度充填的要求。本研究通過開展膠砂強度試驗和流變特性試驗，分別建立強度模型和流變特性模型，在滿足充填體強度要求和流動性要求的前提下，以單位充填成本最低為優化目標，建立摻石灰石粉混合骨料充填料漿的優化模型，進而優化混合骨料充填料漿配比。

1 試驗材料物化分析

1.1 充填骨料

1.1.1 充填骨料物化分析

采用混合骨料進行試驗，廢石、棒磨砂作為粗骨料，其中廢石是由金川公司龍首礦經過破碎加工得到的-12 mm的廢石骨料；棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石經“兩段—閉路”破碎工藝和棒磨工藝后加工而成，用以充填；石灰石粉作為細骨料，是通過粉磨石灰石得到的粉狀物，取自金昌熙金建材有限公司。添加適量的石灰石粉能夠顯著改善混合骨料的粒徑級配，使之滿足混合骨料高濃度料漿中細顆粒含量不低于20%的要求，進而顯著提高料漿濃度，降低管道輸送阻力。本研究對骨料進行了物理特性以及化學成分分析，結果見表1和表2。

1.1.2 充填骨料粒徑分析

為了確定混合粗骨料的優化配比，進行了堆積密實度試驗和粒徑級配分析，結果如圖1所示，并且對其粒徑特征值進行了計算，結果如表3所示。綜合分析可以看出：廢石和棒磨砂粒徑較粗，在試驗中作為粗骨料，而石灰石粉細顆粒含量高達95%，因此均不能單獨使用，需要二者配合使用；結合堆積密實度試驗，當廢石與棒磨砂質量比為7∶3時堆積密實度最大，故首先確定廢石-棒磨砂體系的優化配比。

1.2 充填膠凝材料

膠凝材料采用礦渣基新型膠凝材料，以替代金川礦用38.5水泥，礦渣膠凝材料的礦渣含量大于95%，密度為2 950 kg/m3。

2 廢石-棒磨砂-石灰石粉混合骨料粒徑分析

石灰石粉摻量對混合骨料粒徑級配有很大影響，根據前期廢石-棒磨砂混合骨料堆積密實度試驗，確定在廢石-棒磨砂配比為7∶3時、石灰石粉摻10%～30%時混合骨料級配較優，對其進行了混合骨料粒徑分析，結果如圖2所示，相應的特征粒徑取值如表4所示。

3 混合骨料膠結充填體強度和料漿管輸特性變化特征

3.1 混合骨料充填料漿配比試驗方案及結果

充填骨料為廢石-棒磨砂粗骨料及不同摻量石灰石粉細骨料，廢石與棒磨砂的質量比為7∶3，石灰石粉摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%；采用固結粉膠凝材料，添加量為270、290、310 kg/m3；充填料漿質量濃度分別為77%、79%、81%。具體試驗方案及試驗結果如表5所示。

3.2 試驗結果分析

為分析石灰石粉摻量對充填體強度的影響，采用人工神經網絡建模，以石灰石粉摻量、膠凝材料添加量、充填料漿質量濃度為輸入參數，研究其對輸出量的非線性影響特征，以A1～B5 14組試驗數據為學習樣本，以B6～B8 3組數據為檢驗樣本，采用BP神經網絡分別對膠結充填體強度和料漿管輸特性進行了建模預測，充填膠結體強度預測值與試驗值誤差如圖3所示。分析該圖可知：試驗值與計算值誤差較小，吻合性很好，充填體強度神經網絡模型精度較高。根據金川龍首礦工業生產參數，采用已建立的神經網絡模型，對石灰石粉摻加量0～40%的充填體強度和充填料漿管輸特性進行預測，并基于預測結果分別分析各因素對充填體強度和充填料漿管輸特性的影響。

3.2.1 膠結充填體強度變化特征

根據預測結果，以料漿濃度80%、膠凝材料添加量為290～310 kg/m3為例，分析石灰石粉摻量為0～40%時對膠結充填體強度的影響，結果如圖4所示。由圖4可知：各膠凝材料添加量的充填體3 d強度隨著石灰石粉摻量增加先減小后增大，并且膠凝材料添加量為290 kg/m3和300 kg/m3時，在石灰石粉10%摻量時達到最小，分別為1.11 MPa和1.18 MPa；7 d強度則隨著石灰石粉摻量的增加先增大后減小，石灰石粉摻量為25%時，7 d強度均達到最大值，膠凝材料添加量由小到大，強度值依次為3.23、3.49、3.59 MPa；對于28 d強度，膠凝材料添量為290 kg/m3和300 kg/m3時，隨著石灰石粉摻量增加先減小后增大，并且分別在石灰石粉摻量15%和35%時達到最小值和最大值，分別為4.83 MPa和8.81 MPa；膠凝材料添加量為310 kg/m3時，28 d強度隨著石灰石粉摻量增加整體逐漸增大，強度均大于5 MPa。

3.2.2 充填料漿管輸特性變化特征

根據預測結果，以料漿濃度80%、膠凝材料添加量為290～310 kg/m3為例，分析石灰石粉摻量為0～40%時對充填料漿管輸特性的影響，由于指標比較多，限于篇幅，本研究僅選取常用的塌落度、稠度和泌水率進行分析，結果如圖5所示。由圖5可知：當料漿濃度一定時，料漿坍落度總體上隨其摻量的增加而增大，表明混料骨料中摻入適量的石灰石粉，能夠有效提高料漿流動性；當未摻石灰石粉時，膠凝材料摻量310 kg/m3的稠度最大；當石灰石粉摻量為15%～25%時，膠凝材料摻量為290 kg/m3對應的稠度最大，可見混合粗骨料中摻入石灰石粉可以提高料漿的流動性；石灰石粉摻量為0～30%時，各膠凝材料添加量充填料漿的泌水率均隨著石灰石粉摻量增加而逐漸減小，當其摻量大于30%時，料漿泌水率隨著石灰石粉摻量增加逐漸趨于穩定。

3.2.3 回歸分析

為揭示石灰石粉摻量、膠凝材料用量和料漿濃度對充填體強度和管輸特性的影響，采用DPS軟件對表5試驗數據進行了擬合分析，結果如式（1）至式（6）所示。

式中，R3d、R7d和R28d分別為膠結充填體3、7、28 d抗壓強度，MPa；T為塌落度，cm；C為稠度，cm；M為泌水率，%；x1為石灰石粉摻量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質量濃度，%。

4 廢石-棒磨砂-石灰石粉混合骨料充填料漿配比優化

在滿足礦山充填要求的前提下以單位充填成本最低為優化目標，以充填體強度和管輸特性要求為約束條件建立優化模型對充填料漿配比進行優化，即以單位充填料漿所需各種材料的成本（材料單位成本如表6所示）最低為優化目標，以R3d≥1.5 MPa，R7d≥2.5 MPa，R28d≥5 MPa，M≤10%和23 cm≤T≤28 cm為約束條件進行優化，根據試驗結果，結合式（1）至式（6）得出具體優化模型：

式中：Z為單位體積充填料漿成本，元；x1為石灰石粉摻加量，%；x2為膠凝材料添加量，kg/m3；x3為料漿質量濃度，%；x4為單位體積充填料漿中棒磨砂用量，kg；x5為單位體積充填料漿中廢石用量，kg；x6為單位體積充填料漿中石灰石粉用量，kg；x7為單位體積充填料漿中水的用量，kg。

本研究利用MATLAB線性優化模型進行求解，得到了滿足充填體強度、料漿流動性和穩定性要求且成本最低的充填料漿優化配比見表7。

以表7確定的優化配比進行工業充填，工業充填時，從充填站攪拌桶出口取樣，在測定其塌落度、稠度和泌水率之后澆筑成試塊，標準養護至3、7、28 d之后測定其抗壓強度，結果如表8所示。井下采場3 d后揭露側幫，經觀察，采場膠結體從上到下分層現象有所改善，28 d之后鉆芯取樣，取下充填體之后加工成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標準試件，測定其強度為11.5 MPa，各項指標滿足礦山工業充填的要求，并且優化后的單位充填成本119.56元/m3相比其原來充填成本151.25元/m3，降低了21%。

5 結 論

（1）試驗材料物化分析及粒徑級配分析表明，廢石、棒磨砂粗顆粒含量較多，單獨使用會造成充填料漿沉降離析，需要加入細顆粒以改善骨料級配，在廢石-棒磨砂配比為7∶3的條件下，石灰石粉摻量在10%～30%范圍內較優，能有效改善骨料級配。

（2）石灰石粉摻量對膠結充填體強度和充填料漿管輸特性均具有顯著影響，當料漿濃度和膠凝材料用量一定時，摻入適量的石灰石粉能提高充填體強度、改善料漿流動性和穩定性。

（3）以單位充填成本最低為優化目標，以充填體強度和管輸特性要求為約束條件建立了優化模型，對充填料漿配比進行優化，得到料漿優化配比為膠凝材料添加量310 kg/m3，石灰石粉摻量12.3%，料漿質量濃度80%。通過工業充填取樣驗證，其塌落度、稠度、泌水率分別為25.41 cm、9.31 cm、6.7%，3、7、28 d抗壓強度分別為2.7、5.1、10.6 MPa，均滿足礦山工業充填的要求，并且單位充填成本較原來降低了21%。