基于正交試驗的全尾砂膠結充填配比方案優化

孫光華 魏莎莎 蘇東良

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

基于正交試驗的全尾砂膠結充填配比方案優化

孫光華1,2魏莎莎1,2蘇東良1,2

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

為獲得全尾砂膠結充填最優配比，降低礦山充填成本，保證空區穩定，以全尾砂膠結充填體試塊為研究對象，試塊的單軸抗壓強度為指標，綜合考慮充填體強度的影響因素，采用正交試驗開展研究，并運用極差和方差分析法對充填體強度影響因素的敏感性和顯著性進行分析。研究表明：試驗最優配比方案為濃度75%，灰砂比1∶6，養護齡期28 d；影響試塊的敏感性順序是養護齡期>灰砂比>濃度；養護齡期對充填體強度的影響最顯著。因此，礦山在生產實際中要保證充填體的養護時間。

全尾砂膠結充填體 抗壓強度 正交試驗 方案優化

充填采礦法具有充填治理井下空區、減少地表大宗尾廢堆、減少礦區環境污染、降低礦石貧化損失指標等優點，越來越受到人們重視，已成為地下采礦技術發展的主要趨勢[1]。

隨著膠結充填技術的發展，優化充填膠結料漿配比，降低充填成本，提高充填效能，使充填體的抗壓強度滿足工程需要[2-4]成為國內外充填領域研究的重點。其中全尾砂膠結充填體在工程中有尾砂來源廣、成本低廉等優勢，且作為一種新型充填材料可以滿足充填工藝的強度要求，因此研究全尾砂膠結充填體抗壓強度對充填采礦具有重要意義[5]。

本研究以全尾砂膠結充填體為研究對象，通過正交試驗法，針對不同的濃度、灰砂比和養護齡期3種因素進行充填體配比方案優化研究，通過對充填體試塊進行單軸抗壓試驗，將試驗數據進行分析得出最優配比方案,各因素對充填體試塊強度的敏感性順序以及各因素變化對試塊抗壓強度的影響趨勢。

1 正交試驗

1.1 試驗材料及方法

鐵礦全尾砂和普通325硅酸鹽水泥為該試驗研究選用的材料。尾砂物理力學性能的測試是充填體力學試驗的基礎[6]。本試驗的全尾砂物理力學參數見表1。

表1 全尾砂物理力學參數

1.2 試驗指標、因素及取值

在參考國內外相關研究基礎上，綜合分析膠結充填體強度影響因素，本試驗將充填體試件的單軸抗壓強度作為指標，充填料漿的灰砂比、濃度和養護齡期作為影響全尾砂膠結充填體強度的主要因素。

為了科學合理地安排多因素試驗，使每個試驗或數據含有最大的信息量，故采用正交試驗法[7]。各因素與相對應的水平取值見表2。

表2 正交試驗因素水平

1.3 正交試驗設計

試驗采用3因素3水平的正交試驗，用L9(34)正交表(因素：A灰砂比、B養護齡期、C濃度，水平：1、2、3)，列出每組試驗的具體條件，將具體方案填入正交表中。全尾砂膠結充填體抗壓強度正交試驗設計見表3。

表3 全尾砂膠結充填體抗壓強度正交試驗設計

1.4 試件制備及單軸抗壓試驗結果

本次試驗按照表3中的試驗方案配置一系列全尾砂膠結充填試塊，每組試驗制作出3個相同的試塊，每種濃度的試塊按灰砂比1∶6、1∶12、1∶20進行制作，不同濃度、不同灰砂比試塊根據相關規定養護，分別進行3、7、28 d齡期的養護。

試驗之前將試件上下2個端面磨平，以符合試驗規范要求。為使試驗數據精確可靠，對每組3個相同條件的試塊分別進行單軸抗壓試驗，結果取3次試驗結果的平均值。試驗結果如表4所示。

表4 正交試驗結果

對于礦山充填及開采要求而言，充填體強度達到2.0～3.0 MPa即能滿足常規要求[8]。由表4分析結果可知灰砂比為1∶6、濃度為75%、養護齡期28 d試件與灰砂比為1∶12，濃度為70%、養護齡期7 d試塊結果均滿足強度要求。

2 試驗結果數據分析

2.1 極差分析

結合正交試驗數據，通過極差分析可以分析出各因素對抗壓強度影響的敏感性。對表4試驗結果進行極差分析，結果見表5。

表5 極差分析

由表5可以得出，各因素的極差從大到小依次是養護齡期、灰砂比和濃度。

從表5還可以分析出試件強度隨各因素變化的大體趨勢，即灰砂比減小時，抗壓強度相應降低；隨著養護齡期的增加，早期抗壓強度提高不明顯，后期抗壓強度大幅度增加；抗壓強度隨濃度的增加也平穩增加。

2.2 方差分析

方差分析可以判斷出各因素對抗壓強度影響的顯著性[9]，方差分析表如表6。在方差分析中，顯著性水平取α=0.10，從F分布表中查出F0.10(2.2)=9.00。

經方差分析表得出養護齡期對試塊的抗壓強度具有最顯著影響，灰砂比影響次之，相比較而言，濃度對抗壓強度影響最不明顯。

表6 方差分析

3 結 論

(1)此次試驗的最優試驗配比方案為A1B3C3，即灰砂比為1∶6，養護齡期為28 d，濃度為75%，充填體試件的抗壓強度為3.613 MPa。

(2)影響因素對全尾砂膠結充填體的敏感性由強到弱的順序為養護齡期>灰砂比>濃度。根據敏感度因子排序，當充填體濃度一定時，增加充填料漿的灰砂比，延長養護齡期，充填體的強度也逐漸增長。

(3)養護齡期對充填體強度影響顯著，因此，礦山在生產實際中要充分保證充填體的養護時間，以確保采礦過程中對充填體的強度要求。

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(責任編輯 徐志宏)

Optimal Matching Scheme for the Full Tailings-Cemented Filling Based on the Orthogonal Experiment

Sun Guanghua1,2Wei Shaha1,2Su Dongliang1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China;2.HeBeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009,China)

In order to acquire the optimal matching scheme of the full tailings-cemented filling body,decrease the filling cost and guarantee the gap stability,and taking the full tailings-cemented filling body as the research object and the uniaxial compressive strength as the research index,the influencing factors for the strengthening of the filling body are comprehensively analyzed.The sensitivity and the significance of filling body′s influencing factors were analyzed by the range analysis and variance analysis through applying orthogonal experiment.Researches showed that the optimal matching scheme of this experiment was the concentration of 75%,cement-sand ratio of 1∶6 and curing period for 28 days.The intensity sequence of the sensitivity affecting the samples from highest to lowest was the curing age,cement-sand ratio and concentration.The curing age has the most significance on the filling bodies′ compressive strength.Therefore,the mine needs to guarantee the curing age about the filling body in the practical production.

Full tailings-cemented filling body，Compressive strength，Orthogonal experiment，Scheme optimization

2015-02-01

河北省自然科學基金項目(編號:E2014209093),唐山市科技局項目(編號:12140208A-11,12140208A-12)。

孫光華(1977-)，男，副教授，博士，碩士研究生導師。

TD853

A

1001-1250(2015)-04-111-03