全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化研究

鄂玉強

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著國家對于地下礦山安全生產(chǎn)要求的日益嚴格，以及金屬礦石選礦后產(chǎn)出的尾砂處理，使得越來越多的礦山選用充填法開采。

目前，針對金屬礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)已進行了大量的研究，謝毅齡等[1]針對膠凝材料的用量進行了優(yōu)化研究，降低了全尾砂膠結(jié)的充填成本；王輝林等[2]通過改進充填物料配比，有效地降低了現(xiàn)場充填成本；張國勝等[3]針對綠色礦山建設中存在的礦體回采損失、貧化率高的問題，采用響應面法指導生產(chǎn)實踐中的充填配比，為充填配比優(yōu)化提供了一種新的思路；陳金剛等[4]探究了超細全尾砂膠結(jié)充填體試件在室內(nèi)標準養(yǎng)護條件和井下硐室低溫條件下的強度發(fā)展規(guī)律，并分析了兩種養(yǎng)護條件下強度差異產(chǎn)生的原因，有效指導了高寒高海拔環(huán)境下甲瑪銅礦的充填作業(yè)；楊青林等[5]研究了充填體強度、充填料漿流動性與灰砂比、充填濃度之間的關(guān)系；王永巖等[6]探明了不同養(yǎng)護齡期下的膠結(jié)充填體的抗拉性能均較弱，破壞形式均為拉伸破壞，混凝土的2個經(jīng)典強度預測模型對全尾砂膠結(jié)充填體較為合適，尤其是ACI 209模型可以簡明準確地預測不同齡期下膠結(jié)充填體的強度；王浩等[7]對不同配比全尾砂膠結(jié)充填體的動態(tài)損傷特性進行了研究；王文濤等[8]針對某螢石礦開展了全尾砂膠結(jié)充填料漿最優(yōu)配比試驗研究；張靜等[9]對全尾砂和廢石聯(lián)合膠結(jié)充填體的最佳配比及應用開展相關(guān)研究。

綜上，目前針對全尾砂充填參數(shù)配比多數(shù)是以物理試驗進行研究，在新的研究方法方向上所做研究較少。本研究為獲取合理可行的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，通過RSM設計試驗方案，利用某鎢礦山全尾砂進行物理試驗，確定最優(yōu)設計點，對全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)進行優(yōu)化設計。

1 試驗方案確定

1.1 試驗方案

RSM是一種統(tǒng)計學試驗方法[10]，可以對某個隨機過程進行優(yōu)化，利用Design-Expert軟件針對優(yōu)化對象進行試驗設計，建立優(yōu)化對象與相關(guān)影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，具有節(jié)省試驗次數(shù)、通過試驗結(jié)果擬合和優(yōu)化可得出符合實際的模型、建立的復雜多維空間曲面能直觀地展現(xiàn)隨機過程的規(guī)律等優(yōu)點。研究通過改變采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，建立了多種采場模型。灰砂比、養(yǎng)護時間、充填濃度等對充填體強度有著較大的影響，因此，為了探明較為合理的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，設計了RSM試驗方案，各因素及水平見表1。

1.2 全尾砂性質(zhì)

對某鎢礦山取樣的全尾砂進行了密度測試及 滲透性測試等，測試結(jié)果見表2。

表1 試驗方案

表2 全尾砂物理性質(zhì)

對全尾砂進行了粒級分析測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 全尾砂粒徑分布

1.3 試驗過程

按照設計配比要求稱量尾砂和水泥，配制充填料漿。將稱量好的充填物料倒入混合容器，強力攪拌形成均勻充填料漿，將料漿注入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標準三聯(lián)試模，待試塊能初步自立后脫模，將脫模后的試塊在養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護（溫度20℃、濕度80%）。試塊養(yǎng)護達到規(guī)定齡期（7 d、14 d、28 d）后，利用微機控制電液伺服巖石三軸試驗機測定其單軸抗壓強度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)表1設計的方案，以各影響因素取值為自變量，以充填體強度作為評價指標，試驗結(jié)果見 表3。

表3 各方案試驗結(jié)果及預測值

從圖2可以看出，各配比方案的試驗結(jié)果與預測值的變化趨勢一致，且同方案間的差值較小，表明了基于RSM的預測值較為可靠，該方法能夠在全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化中應用。

圖2 充填體強度預測值與物理試驗結(jié)果的對比

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果可分析充填體強度與灰砂比、養(yǎng) 護時間和充填濃度間的相互影響關(guān)系，通過RSM繪制影響因素與評價指標的相關(guān)關(guān)系曲面圖，見圖3～圖5。

圖3 充填體強度與灰砂比及養(yǎng)護時間響應關(guān)系

通過分析可知，灰砂比與充填體強度的關(guān)系為 正相關(guān)，即灰砂比越大，其充填體強度也越大；養(yǎng)護時間與充填體強度的關(guān)系為正相關(guān)，即養(yǎng)護時間越久，其充填體強度也越大；充填濃度與充填體強度的關(guān)系為正相關(guān)，即充填濃度越大，其充填體強度越大。

圖4 充填體強度與灰砂比及充填濃度響應關(guān)系

圖5 充填體強度與養(yǎng)護時間及充填濃度響應關(guān)系

2.3 建立數(shù)學模型

對物理試驗數(shù)據(jù)進行處理，通過RSM建立充填體強度與灰砂比、養(yǎng)護時間和充填濃度間的數(shù)學模型，見式（1）。

式中，D為充填體強度RSM預測值，MPa。

表4為頂板沉降位移二次多項式模型的方差分析，根據(jù)方差分析可知，所建立的模型顯著，即所建立的關(guān)于充填體強度與灰砂比、養(yǎng)護時間和充填濃度的關(guān)系較為準確。同時可以看出，灰砂比對充填體強度的影響最為顯著，其次是養(yǎng)護時間，充填濃度的影響程度最小。

表4 頂板沉降位移二次多項式模型的方差分析

3 全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化

由上述分析可知，對全尾砂膠結(jié)充填體強度影響程度的因素排序為：灰砂比＞養(yǎng)護時間＞充填濃度。基于此，通過RSM建立全尾砂膠結(jié)充填濃度參數(shù)優(yōu)化模型，通過控制頂板的位移量，調(diào)整各影響因素的取值范圍與權(quán)重比例，最終得出較為合適的全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)。

在考慮金屬地下礦山充填體強度與充填材料成本等因素下，可建立如下優(yōu)化模型：

根據(jù)優(yōu)化模型應用Design-Expert軟件計算得出，灰砂比為1:5.81，養(yǎng)護時間為14.45 d，充填濃度為70%是本實例的最優(yōu)全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)，在實際應用中應取整數(shù)，故最優(yōu)參數(shù)為灰砂比為1:6，養(yǎng)護時間為14 d，充填濃度為70%。

4 結(jié)論

（1）針對某鎢礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)進行RSM試驗設計，利用物理試驗測試不同配比的膠結(jié)充填體的強度，并與RSM得出的預測強度值進行對比，其各方案差值較小，表明RSM應用于全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化具有可行性。

（2）試驗結(jié)果表明灰砂比與充填體強度的關(guān)系為正相關(guān)；養(yǎng)護時間與充填體強度為正相關(guān)；充填濃度與充填體強度關(guān)系為正相關(guān)。

（3）通過研究發(fā)現(xiàn)，灰砂比對充填體強度的影響最為顯著，其次是養(yǎng)護時間，充填濃度的影響程度最小，為后續(xù)建模賦予各因素權(quán)重提供了依據(jù)。

（4）基于充填體強度與灰砂比、養(yǎng)護時間和充填濃度三個影響因素建立二次多項式回歸模型，并依據(jù)該模型對充填體強度進行優(yōu)化選擇，通過控制各指標的影響程度以及相關(guān)關(guān)系，得出灰砂比為1:6，養(yǎng)護時間為14 d，充填濃度為70%是實例礦山的最優(yōu)充填參數(shù)。實例研究表明將RSM應用于地下礦山全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)化是一種可靠的手段，可以優(yōu)選出最佳的參數(shù)組合。