摻粉煤灰的混合充填骨料配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

卓慶奉，巴蕾，王奇峰

（1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)信息管理中心，陜西 榆林 719000）

近年來，隨著國(guó)家對(duì)安全和環(huán)保要求的提高，充填采礦法在世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。一方面是由于地下開采深度加大后維護(hù)礦山和采場(chǎng)穩(wěn)定的需要，另一方面是提高自然資源回收率和環(huán)境保護(hù)的需要[4-5]。充填采礦技術(shù)在采礦活動(dòng)中的應(yīng)用不僅可以最大化地回收礦石資源，降低礦石貧化，而且還能夠有效地控制采場(chǎng)地壓，減少地表下沉，具有回采作業(yè)安全、資源回采率高、保護(hù)礦山環(huán)境以及廢棄物資源化[6-7]。實(shí)現(xiàn)安全采礦，降低采礦成本和提高采礦經(jīng)濟(jì)效益，是充填法采礦一直追求的目標(biāo)。在充填采礦法中，高濃度管輸膠結(jié)充填采礦法是目前常用的方法，其不僅具有安全高效等特點(diǎn)，而且能夠?qū)Σ傻V和選礦活動(dòng)中產(chǎn)生的廢石和尾砂等固體廢棄物進(jìn)行綜合利用，有效減少環(huán)境污染[8]，但是在充填過程中容易產(chǎn)生充填料漿的分層離析，不但影響充填體強(qiáng)度，嚴(yán)重地可能造成堵管和爆管影響充填效率，甚至危及采礦安全[9]。造成料漿離析的因素很多，其中骨料的配比及級(jí)配是其中重要因素之一[10-11]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，其中，董培鑫[10,12-13]等研究了充填骨料粒徑級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響；楊小聰[14]等研究了充填體不均勻性對(duì)充填的影響；Wang X等[15-16]研究結(jié)果表明，骨料級(jí)配是影響充填料漿分層離析的重要因素。針對(duì)甘肅某礦山采用廢石和棒磨砂混合粗骨料存在充填料漿分層離析的問題，本文在前期大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選擇添加粉煤灰作為細(xì)骨料，以期優(yōu)化混合骨料的級(jí)配，在保證充填體強(qiáng)度的前提下，改善料漿離析程度，實(shí)現(xiàn)高濃度高流態(tài)高效充填采礦。

1 實(shí)驗(yàn)材料物化特性分析

1.1 充填骨料

1.1.1 充填骨料物化特性分析

實(shí)驗(yàn)采用混合骨料進(jìn)行，廢石、棒磨砂作為粗骨料，其中廢石由礦山井下開拓或采礦活動(dòng)產(chǎn)生的廢石混合料，破碎機(jī)破碎后達(dá)到礦山充填骨料粒度設(shè)計(jì)要求，棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石經(jīng)“兩段-閉路”的破碎工藝和棒磨工藝后加工而成，用以充填；粉煤灰作為細(xì)骨料，其是從燃煤熱電廠排放的粉狀物，在高濃度或膏體充填料漿中，添加適量的粉煤灰可顯著提高料漿濃度，降低管道輸送阻力，改善膏體的泵送性能，對(duì)充填骨料進(jìn)行物理特性以及化學(xué)成分測(cè)定，結(jié)果見表1、2。

表1 充填骨料物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of filling aggregate

表2 充填骨料化學(xué)成分組成Table 2 Chemical composition of filling aggregate

1.1.2 充填骨料粒徑分析

采用篩分法對(duì)骨料進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見圖1。

圖1 充填骨料粒徑分布特征Fig.1 Characteristics of particle size distribution of filling aggregate

采用插值法求骨料的特征粒徑，見表3。

表3 充填骨料特征粒徑Table 3 Characteristic particle size of filling aggregate

看出廢石和棒磨砂的自然級(jí)配良好，級(jí)配指數(shù)分別為0.563和0.549，0.3 mm以上粒徑占83.09%和84.21%，粗顆粒含量較多，在實(shí)驗(yàn)中作為粗骨料，根據(jù)前期廢石-棒磨砂堆積密實(shí)度實(shí)驗(yàn)，確定廢石-棒磨砂較優(yōu)配比為3:7，但是若單獨(dú)使用混合粗骨料仍會(huì)造成充填料漿離析，必須摻加一定的細(xì)骨料，而粉煤灰不均勻系數(shù)為17.6，0.3 mm以下粒徑占95%以上，細(xì)顆粒較多，充填中作為細(xì)骨料。

1.2 充填膠凝材料

膠凝材料選用由甘肅省永昌縣熙金公司生產(chǎn)的新型膠凝材料—“固結(jié)粉”，其主要成分為礦渣微粉、脫硫石膏以及熟料，其密度為2.95 t/m3。

不同粉煤摻量的混合骨料粒徑分析

粉煤灰摻量對(duì)混合骨料粒徑級(jí)配有很大影響，根據(jù)前期混合骨料堆積密實(shí)度實(shí)驗(yàn)確定在廢石-棒磨砂配比為3:7時(shí)，粉煤灰摻量在15% ~ 35%范圍內(nèi)較優(yōu)，故以此范圍進(jìn)行混合骨料粒徑分析，結(jié)果見圖2，相應(yīng)的特征粒徑見表4。

表4 不同粉煤灰摻量的混合骨料粒徑分布特征值Table 4 Particle size distribution characteristic value of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

圖2 不同粉煤灰摻量的混合骨料粒徑分布特征曲線Fig.2 Characteristic curves of particle size distribution of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

3 混合骨料充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

在混合粗骨料中摻加粉煤灰不僅彌補(bǔ)細(xì)顆粒的不足，優(yōu)化骨料級(jí)配，而且有利于形成高濃度料漿，提高其管輸性能和充填體強(qiáng)度。為此開展不同比例粉煤灰摻量的混合骨料膠結(jié)充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案為：（1）充填骨料采用3:7的廢石-棒磨砂粗骨料與不同含量粉煤灰混合骨料，具體摻量為15%、20%、25%、30%、35%；（2）料漿質(zhì)量濃度為77%、79%、81%；（3）膠凝材料采用“固結(jié)粉”新型充填膠凝材料，添加量為270 kg/m3、290 kg/m3、310 kg/m3。具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表5，其中前9組為正交實(shí)驗(yàn)，后8組為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。

表5 不同粉煤灰摻量的混合骨料充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table5 Strength test results of mixed aggregate fillers with diあerent fly ash contents

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

各因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響見圖3。

圖3 各因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of various factors on the strength of filling body

其中圖3（a）為膠凝材料添加量290 kg/m3，料漿濃度為79%時(shí)粉煤灰摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，可以看出3 d、7 d和28 d強(qiáng)度均隨粉煤灰摻量增加而增大，粉煤灰摻量從15%增加至35%時(shí)，各齡期強(qiáng)度分別增大了38.6%、41.4%和29.3%；圖3（b）為以粉煤灰摻量20%、料漿濃度為79%時(shí)膠凝材料用量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，可以看出各齡期強(qiáng)度隨著膠凝材料用量增加而逐漸增大，膠凝材料用量從270 kg/m3增加到310 kg/m3時(shí)，3 d、7 d和28 d強(qiáng)度分別增大了32.3%、16.5%和48.0%；圖3（c）為以粉煤灰摻量20%、膠凝材料添加量290 kg/m3時(shí)料漿濃度對(duì)充填體各齡期強(qiáng)度的影響，可以看出充填體強(qiáng)度隨著料漿濃度的增大而增大，濃度從77%增大到81%，3 d、7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了50.1%、44.8%和32.2%

3.3 回歸分析

為了揭示粉煤灰摻量、膠凝材料用量和料漿濃度與充填體各齡期強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，以粉煤灰摻加量（%）、膠凝材料用量（kg/m3）和料漿濃度(%)為自變量，并分別以x1、x2和x3來表示，以3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度(MPa)作為因變量，分別以用R3d、R7d和R28d表示，通過DPS數(shù)據(jù)處理軟件建立R3d、R7d和R28d與x1、x2和x3的回歸公式，如式(1) ~ (3)：

4 摻粉煤灰的混合骨料充填料漿工作特性實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

礦山充填不僅要滿足充填體強(qiáng)度要求，而且要滿足充填料漿的管輸要求，因此需要對(duì)摻粉煤灰的混合骨料充填料漿管輸工作特性進(jìn)行研究。因此，分別測(cè)定在不同粉煤灰摻量（15%、20%、25%、30%和35%）、不同膠凝材料添加量（270、290、310和310 kg/m3）、不同濃度（77%、79%和81%）條件下料漿的塌落度、分層度和泌水率等參數(shù)。粉煤灰摻量對(duì)充填料漿工作特性的影響見圖4。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)充填料漿工作特性的影響Fig.4 Eあect of fly ash content on working characteristics of filling slurry

圖4（a）為粉煤灰摻量對(duì)料漿塌落度的影響，可以看出粉煤灰添加量與塌落度的關(guān)系并不顯著。當(dāng)塌落度大于25 cm時(shí)，用塌落度表征料漿可輸送性能意義不大，只能定性得到都具有良好的可輸送性。塌落度隨粉煤灰摻加量的增加先增大后減少，粉煤灰的較佳摻加量為25%，其他具體的定量的規(guī)律需從其他參數(shù)得到；從圖4（b）可以看出，分層度隨粉煤灰添加量的增加呈波動(dòng)狀態(tài)，并無(wú)明顯規(guī)律，但是分層度在粉煤灰摻量35%時(shí)最小；圖4（c）為粉煤灰摻量對(duì)料漿泌水率的影響，可以看出，整體上，泌水率隨粉煤灰摻加量的增加逐漸降低，直到粉煤灰添加量超過30%時(shí)，泌水率基本平緩不變，這是因?yàn)闈{體已經(jīng)達(dá)到高濃度漿體“不分層不離析”的極限狀態(tài)，因此添加粉煤灰可以使?jié){體的保水性增強(qiáng)，提高漿體的穩(wěn)定性。

4.2 回歸分析

根據(jù)料漿工作特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)塌落度、分層度和泌水率進(jìn)行回歸分析，從而建立充填料漿工作特性參數(shù)與各充填物料之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果如式(4) ~ (6)所示。

式中：T、F和M分別為膠結(jié)充填體塌落度、分層度和泌水率，MPa；x1為粉煤灰摻加量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質(zhì)量濃度，%。

5 混合骨料充填配比優(yōu)化

在滿足礦山充填體強(qiáng)度要求的前提下，盡可能降低充填成本以期獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，因此，以單位體積的充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以強(qiáng)度要求為約束條件建立優(yōu)化模型進(jìn)行求解，即充填單位體積所消耗的固結(jié)粉、廢石、棒磨砂和銅渣尾砂的成本（各物料單位成本見表6）和構(gòu)成總成本，以礦山對(duì)于充填體各齡期強(qiáng)度的要求（即R3d≥1.5 MPa，R7d≥2.5 MPa，R28d≥5 MPa，M≤10）為約束條件，具體構(gòu)造如下優(yōu)化模型：

表6 充填材料單位成本Table 6 Unit cost of filling materials

式中：Z為單位體積充填料漿成本，元；x1為粉煤灰摻加量，%；x2膠凝材料添加量，kg/m3；x3料漿質(zhì)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粉煤灰用量，kg；x7為單位體積充填料漿中水的用量，kg。

利用MATLAB線性優(yōu)化模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按上述建模并分析，在滿足充填強(qiáng)度要求的前提下，成本最低的方案為：粉煤灰添加量354.9 kg/m3、膠凝材料添加量286 kg/m3、廢石添加量305.25 kg/m3、棒磨砂用量712.3 kg/m3、水用量380 kg/m3，即：粉煤灰摻量26%、膠凝材料添加量為286 kg/m3，料漿濃度為81.36%時(shí)充填材料成本最低，并以此進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到3 d強(qiáng)度為1.56 MPa，7 d強(qiáng)度為2.86 MPa，28 d強(qiáng)度為6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分層度3.1 cm，泌水率為5.7%，充填成本為124元/m3較原來的145元/m3降低了14%。

6 結(jié) 論

（1）由實(shí)驗(yàn)材料物化分析及粒徑級(jí)配分析結(jié)果得出，廢石和棒磨砂是較好的充填骨料，但因其粗顆粒含量較多，單獨(dú)使用會(huì)造成充填料漿沉降離析，需要加入細(xì)顆粒以改善骨料級(jí)配。

（2）充填骨料粒徑分析結(jié)果表明，單獨(dú)使用粗粒骨料廢石和棒磨砂時(shí)，混合骨料不均勻系數(shù)較小，而摻加粉煤灰可使混合骨料不均勻系數(shù)逐漸增大，表明粉煤灰的添加可改善骨料級(jí)配。

（3）混合骨料充填料漿工作特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 d、7 d和28 d充填體強(qiáng)度均隨粉煤灰摻量增加而增大；各齡期充填體強(qiáng)度隨著膠凝材料用量增加而逐漸增大；充填體強(qiáng)度隨著料漿濃度的增大而增大。

（4）混合骨料充填配比優(yōu)化研究結(jié)果表明，粉煤灰摻量26%、膠凝材料添加量為286 kg/m3，料漿濃度為81.36%時(shí)充填材料成本最低，得到3、7和28 d的充填體強(qiáng)度分別為1.56、 2.86和和6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分層度3.1 cm，泌水率為5.7%，充填成本為124元/m3較原來的145元/m3降低了14%。