基于正交設(shè)計(jì)的某礦超細(xì)全尾砂膏體材料配比試驗(yàn)研究

張浩強(qiáng)

(中色國(guó)際帕魯特有限責(zé)任公司，北京 100029)

近年來，膏體充填技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在金屬礦山的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，極大地促進(jìn)了礦山的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。科研人員通常認(rèn)為，膏體由尾砂與水泥等膠結(jié)材料加水配制而成，有時(shí)還包括粗骨料和一些添加劑等改性材料，其通常具有充填體強(qiáng)度高、料漿易泵送、易接頂、不需脫水等特點(diǎn)，尤其在深部礦井開采時(shí)，具有控制地壓，為回采創(chuàng)造安全空間的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[4-6]。目前，我國(guó)膏體充填工藝主要包括尾砂濃密、膏體材料制備、膏體輸送三大部分。其中膏體材料是整套膏體充填技術(shù)的核心，其不僅直接影響著材料在管道的輸送性能，控制著采空區(qū)充填體質(zhì)量的好壞，并且極大地影響著充填成本。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)膏體材料配比的研究較多，并且取得了許多有益的成果。例如，趙才智等研究了粉煤灰對(duì)全尾砂膏體性能的影響，探明了粉煤灰在膏體材料中不同水化時(shí)期的作用[7]；王新民等針對(duì)新橋硫鐵礦的充填現(xiàn)狀，通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究確定了膠結(jié)充填材料的配比，降低了生產(chǎn)成本[8]；劉浪確定了膏體充填材料的配比選擇原則，建立了相應(yīng)的配合比模型[9]；王正輝等介紹了某礦山自流充填料漿的試驗(yàn)研究，確定了滿足此礦山生產(chǎn)條件的最佳配合比[10]；楊瑩等針對(duì)白嶺銅鋅礦的充填設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，利用正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法研究得出了各因素對(duì)膏體的影響程度，并分析得出了礦山的最佳膏體濃度和灰砂比[11]；張?zhí)竦妊芯苛斯杷徕c對(duì)水泥—粉煤灰基膏體充填材料的效果影響，得出了硅酸鈉對(duì)某礦膏體的凝結(jié)時(shí)間具有促進(jìn)作用的結(jié)果[12]；彭亮等研究了分級(jí)尾砂和戈壁集料在膏體材料配比中的工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的效果[13]。

如今隨著選礦工藝的發(fā)展，磨礦選出的尾砂越來越細(xì)。但是，現(xiàn)有大部分的研究工作都是基于分級(jí)尾砂或者粒徑比較大的全尾砂或者以粉煤灰為細(xì)骨料，廢石為粗骨料展開試驗(yàn)的，并沒有對(duì)超細(xì)尾砂展開深入的材料配比研究工作，這就大大阻礙了超細(xì)尾砂在膏體充填領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，本文基于甘肅某鐵礦的膏體充填項(xiàng)目，對(duì)礦山的超細(xì)尾砂膏體材料配比進(jìn)行試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果并提出最優(yōu)配比，以期對(duì)相類似的礦山提供借鑒意義。

1 膏體材料配比試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

甘肅某礦屬于品位較高的鐵礦，其平均品位達(dá)到43%，據(jù)此可以計(jì)算出，如果采用高濃度的膏體充填技術(shù)時(shí)，其尾砂供給量會(huì)存在明顯不足。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)論證，此礦山在基建期及正常生產(chǎn)期會(huì)掘進(jìn)一定量的廢石，可以將廢石作為粗骨料的來源從而彌補(bǔ)尾砂產(chǎn)量的不足。因此，此礦山的膏體材料主要由水泥、尾砂、廢石與水混合而成，其中水泥為標(biāo)號(hào)為32.5的普通硅酸鹽水泥。下面分別介紹其它主要材料的物理化學(xué)性質(zhì)。

1)尾砂

礦山尾砂密度為2.95 t/m3，松散容重為1.429 t/m3，密實(shí)容重為1.608 t/m3，松散孔隙率為51.56%，密實(shí)孔隙率為45.49%。尾砂的粒徑分布曲線如圖1所示，其中-20μm的超細(xì)顆粒含量達(dá)到54%，-37μm的細(xì)顆粒含量為69%，因此，此礦的尾砂屬于超細(xì)尾砂。試驗(yàn)采用X射線熒光光譜分析(XRF，X-Ray Fluorescence)以及化學(xué)元素標(biāo)定法分析各種充填材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

2)廢石

廢石密度為2.461 t/m3，松散容重為1.683 t/m3，密實(shí)容重為1.905 t/m3，松散孔隙率為31.6%，密實(shí)孔隙率為22.6%。廢石為連續(xù)級(jí)配，-74 μm的細(xì)顆粒含量?jī)H為3.53%，顆粒中-5 mm顆粒含量占92.03%，最大粒徑為13 mm。

圖1 尾砂粒度分布Fig.1 Size distribution of tailings

Table 1 Main chemical ingredient analysis /%

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于此礦山的充填材料含有多種組成成分，影響膏體的各項(xiàng)性能的優(yōu)劣就存在較多影響因素，主要包括質(zhì)量濃度、尾廢比、灰砂比。正交試驗(yàn)的基本特點(diǎn)是用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，從而達(dá)到“均勻分散，齊整可比”的試驗(yàn)效果。根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)及本次試驗(yàn)的目標(biāo)，將各影響因素設(shè)定為以下值：充填材料濃度范圍設(shè)定在75%～78%，尾廢比設(shè)定范圍為9∶1～7∶3，灰砂比(水泥∶(全尾砂+廢石))范圍1∶30～1∶15。試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 配比試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果2.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.2.1 極差分析

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。

通過表4可以看出，各因素對(duì)膏體料漿的塌落度的極差從大到小依次為質(zhì)量濃度、尾廢比、灰砂比。由此可以推斷出，濃度是影響膏體塌落度的主要因素，這與其它膏體材料的性質(zhì)是一樣的，其次影響膏體塌落度的因素是尾廢比，這是因?yàn)槌?xì)尾砂和廢石粗骨料混合后，粗骨料的表面摩擦度會(huì)提高骨料與水泥、尾砂之間的摩擦力，從而會(huì)較大程度地提高膏體的塌落度。另外，濃度極差R(8.98)要高于尾廢比極差R(5.5)和灰砂比極差R(2.3)分別63.3%、290%，這就顯然證明質(zhì)量濃度在控制膏體料漿輸送過程中的重要作用。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 膏體塌落度和抗壓強(qiáng)度極差分析表

對(duì)于不同齡期超細(xì)尾砂充填體的抗壓強(qiáng)度，其影響因素的比重卻存在顯著差別。對(duì)于前期強(qiáng)度(3 d和7 d)，抗壓強(qiáng)度的極差從大到小依次為質(zhì)量濃度、灰砂比、尾廢比，而對(duì)于后期強(qiáng)度(28 d)來說，其極差從大到小依次為灰砂比、尾廢比、質(zhì)量濃度。這主要是因?yàn)槌?xì)尾砂的比表面積值很大，具有強(qiáng)大的吸水能力，在充填體前期水化過程中，水分所占比例較高，阻礙了水泥的水化進(jìn)程，進(jìn)而影響了充填體的強(qiáng)度發(fā)展，而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，水分逐漸減少，灰砂比的作用會(huì)明顯加劇，在最大程度上決定著充填體的強(qiáng)度。

2.2.2 直觀分析

從以上極差分析中，得到了各因素對(duì)膏體塌落度及充填體各齡期強(qiáng)度的敏感程度。下面，通過直觀分析方法繪制各指標(biāo)隨各因素的變化曲線，分析各性能指標(biāo)隨著不同因素水平的發(fā)展趨勢(shì)，從而為膏體充填的材料配比起到更為直觀的指導(dǎo)作用。

試驗(yàn)方案中A1—A4分別代表質(zhì)量濃度75%、76%、77%、78%，B1—B4分別代表尾廢比10∶1、9.5∶1.5、9∶2、8∶3，C1—C4分別代表灰砂比1∶30、1∶25、1∶20、1∶15。

從圖2中可以看出，隨著膏體質(zhì)量濃度的增加，塌落度呈下降趨勢(shì)，這就說明料漿的流動(dòng)性減弱，不利于膏體在管道中的長(zhǎng)距離輸送。從尾廢比和灰砂比兩個(gè)影響因素的趨勢(shì)圖中可以看出，隨著尾砂含量的減少，塌落度呈現(xiàn)輕微地增大或降低，此性質(zhì)從極差分析中也可以看出，這與濃度對(duì)膏體的影響敏感度相比很小。

圖2 膏體塌落度與因素水平趨勢(shì)圖Fig.2 Tendency of collapsed slump and factors level of paste

圖3 充填體3 d強(qiáng)度與因素水平趨勢(shì)圖Fig.3 Tendency of 3 d compressive strength and factors level of filling body

圖4 充填體7 d強(qiáng)度與因素水平趨勢(shì)圖Fig.4 Tendency of 7 d compressive strength and factors level of filling body

圖5 充填體28 d強(qiáng)度與因素水平趨勢(shì)圖Fig.5 Tendency of 28 d compressive strength and factors level of filling body

從圖3至圖5中可以看出，隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的增加，不同齡期的充填體強(qiáng)度均有不同程度的增長(zhǎng)，但是在充填體養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，可以明顯得出，其強(qiáng)度增長(zhǎng)非常緩慢，這主要是由于超細(xì)尾砂吸收了大量的水分，在養(yǎng)護(hù)初期抑制了水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程，而在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，強(qiáng)度隨濃度和灰砂比的增大而較快增長(zhǎng)。另外，從上述三個(gè)圖中可以得出，尾廢比對(duì)充填體的強(qiáng)度影響不大，在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，強(qiáng)度隨尾廢比的增加而輕微增長(zhǎng)，而在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d和7 d時(shí)，充填體強(qiáng)度隨尾廢比的增加反而呈略微降低的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象的主要原因是由于廢石屬于粗骨料，在充填體當(dāng)中起到骨架連接的作用，當(dāng)充填體強(qiáng)度很低，水泥水化還沒有充分發(fā)揮作用時(shí)，骨料的支撐作用顯現(xiàn)不出來，在養(yǎng)護(hù)后期時(shí)，其骨架支撐作用才逐漸開始顯現(xiàn)。

2.2.3 配比優(yōu)化

從以上的分析結(jié)果可以看出，膏體料漿的塌落度隨著質(zhì)量濃度的增加而減小，而單軸抗壓強(qiáng)度卻隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的增加而呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)。然而，充填材料的成本主要來自水泥，因此，結(jié)合上述所做的試驗(yàn)結(jié)果及分析，在保證各項(xiàng)指標(biāo)滿足礦山要求的前提下，合理選擇出最低消耗水泥和最優(yōu)膏體各項(xiàng)性能的最佳配合比。對(duì)于指標(biāo)塌落度，通過比較各影響因子的平均值，可以得到，A1B4C2為最優(yōu)配比；對(duì)于早期3 d和7 d養(yǎng)護(hù)齡期指標(biāo)，可以得到，A4B1C4為最優(yōu)配比；對(duì)于長(zhǎng)期28 d的養(yǎng)護(hù)齡期指標(biāo)而言，A4B3C4為最優(yōu)配比。通過上述綜合考慮，選定A4B3C2為最佳配比，此時(shí)，膏體的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)某鐵礦超細(xì)尾砂的實(shí)際情況，結(jié)合膏體充填材料的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一系列相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了超細(xì)尾砂膏體充填材料的各項(xiàng)性能及變化規(guī)律，主要得到了以下幾個(gè)方面的研究成果：

1)由于超細(xì)尾砂的強(qiáng)吸水性，質(zhì)量濃度對(duì)控制膏體塌落度具有主導(dǎo)的控制作用，在配制超細(xì)尾砂膏體時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制料漿的質(zhì)量濃度。

2)正交試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于充填體的前期強(qiáng)度(3 d和7 d)，抗壓強(qiáng)度的影響力從大到小依次為質(zhì)量濃度、灰砂比、尾廢比，而對(duì)于后期強(qiáng)度(28 d)來說，其影響力從大到小依次為灰砂比、尾廢比、質(zhì)量濃度。

3)通過正交試驗(yàn)的極差分析和直觀分析，結(jié)合成本控制和生產(chǎn)實(shí)踐的要求，確定A4B3C2為最佳配比，即質(zhì)量濃度為78%，尾廢比為9∶2，灰砂比為1∶25，此時(shí)膏體的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。