基于正交實驗的廢石-磷尾砂充填材料配比優化研究

宋俊杰，張衛中，王孟來，何勤理，康欽容

（1.武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢 43000；2.云南磷化集團有限公司，云南 昆明 65000）

磷資源作為我國重要的戰略儲備資源，不僅是生產磷肥的主要原料，也是磷化工產品的重要組成部分，具有不可代替的地位[1]。我國具有十分豐富的磷資源儲備，當前全國已發現的磷礦產地多達500多處，其中重要的磷礦賦礦層位多達20余個[2]。據《2019中國礦產資源報告》[3]統計顯示，截至到2018年底，全國磷礦資源已查明規模高達252.82億t，相比于2014年增加了38.3億t。然而，隨著磷礦山的陸續開采，礦山固廢物的產出也越來越多。礦山固廢物的產生不僅對環境造成了極大影響，而且產生了大量的地表堆積問題，嚴重影響了磷化工產業的發展[4]。因此，研究如何減少礦山固廢物產量,提高資源利用和高價值綜合利用尤為重要。

本文以昆明某磷礦廢石、磷尾砂等礦山固廢物為研究對象，基于其物理化學性質，在實驗室內開展廢石-尾砂3因素3水平正交實驗，基于SPSS進行非線性回歸預測，探究充填料漿的質量濃度、廢石尾砂比、水泥摻量對充填體抗壓強度、泌水率及坍落度的影響規律，最終確定適合該礦山的較優配比方案，并以較優方案進行半工業實驗。

1 充填配比實驗

1.1 實驗材料

本實驗所采用的材料主要有廢石、磷尾砂、水泥和水。廢石取自該礦露天采場礦體下盤剝離廢石，以白云巖為主，磷尾砂選自該礦浮選場，水泥選用R42.5普通硅酸鹽水泥，水為實驗室用水。基于化學元素標定法并采用X衍射對磷尾砂進行礦物組成分析，結果見表1；測定廢石和尾砂的堆積密度、密度、密實度、孔隙率等物理參數，結果見表2。

表1 尾砂礦物組分結果/%Table1 Main chemical composition of tailings

表2 廢石、尾砂基本物理參數Table2 Basic physical parameters of wasterock and taliings

1.2 正交實驗設計

通過總結前人研究成果[5-7]，本實驗采用三因素三水平正交實驗（見表3）L9(34)進行方案設計。為尋找合適的充填抗壓強度及良好的流動特性，實驗以料漿質量濃度A（%）、廢石尾砂比B、水泥摻量C（kg/m3）主要因素進行研究，每個因素取3個水平值。實驗方案見表4。為滿足充填工藝及效果要求，選用充填體抗壓強度、泌水率、坍落度作為本次實驗考查指標。以R7d表示7 d單軸抗壓強度，R28d表示28 d單軸抗壓強度。

表3 因素與水平Table 3 Factorsand levels

表4 廢石尾砂充填實驗正交設計Table 4 Orthogonal design of filling test of waste rock and tailings

1.3 實驗過程

取實驗所需廢石、磷尾砂、水泥放置100℃的烘干箱中烘干至恒重；按照表4，將廢石、尾砂、水泥和水按一定比例混合攪拌至均勻，向120 mm的容器中倒入一定高度h0的混合料漿，通過在容器邊緣涂少量的凡士林后加蓋來避免水分蒸發對實驗的影響。分別測定3 h離析水高度h1和24 h水泥漿膨脹面高度和h2，計算其泌水率((h1-h2)/h0)。將剩余的混合料漿進行坍落度實驗，然后將剩余的料漿裝入100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具中制作試件，每組配比制作9個試件，靜置24 h后脫模。將試件放置在標準養護箱中按溫度28℃、濕度85%養護7 d、28 d。按照《水泥膠結強度檢驗方法》(GB/T 17671-1999)對試件進行單軸抗壓強度實驗，取平均值作為最后結果（實驗結果見表5）。

表5 正交實驗結果Table 5 Orthogonal experiment results

2 實驗結果與分析

2.1 單軸抗壓強度實驗結果分析

單軸抗壓強度能夠直觀的反映膠結充填體的質量特征，是評價膠結充填體穩定性的重要參數之一。根據礦山要求，本次實驗充填體力學特性需滿足R7d大于1.4 MPa且R28d大于2.0 MPa。由表5可知，所有方案均符合礦山要求。充填體7 d、28 d平均抗壓強度隨3因素變化趨勢見圖1。由圖1可知，7 d、28 d平均抗壓強度隨廢石尾砂比的增大均呈先增大后減小的趨勢，隨料漿濃度和水泥摻量的增大均呈線性增長的趨勢。其中平均抗壓強度隨水泥摻量增大的變化幅度最大，7 d和28 d平均抗壓強度分別增加了1 MPa和1.73 MPa。由表6結果可知，選取A2B2C3（即當料漿濃度為75%、廢石尾砂比為6∶4及水泥摻量為280 kg/m3）時，充填體力學性能達到較優。由極差R的大小可知，各因素的對膠結充填體的單軸抗壓強度的敏感順序為C＞A＞B。

表6 7 d、28 d平均抗壓強度結果分析Table 6 Analysis of 7 d and 28 d average compressive strength

圖1 平均抗壓強度隨3因素變化趨勢Fig.1 Average compressive strength varieswith 3 factors

2.2 泌水率實驗結果分析

泌水率可以體現充填料漿保水特征，其大小對料漿在運輸過程中流動性的影響較大；若泌水率過大，則充填料漿的和易性差，這會引起輸送過程中產生離析現象，導致充填體系不均勻。一般要求靜置狀態下泌水率應不超過3%[8]。根據表5可知，9組實驗泌水率在0.54%～5.14%之間，其中4、5、7、8、9組實驗泌水率滿足要求，其余均過大而不滿足。平均泌水率隨3因素變化趨勢見圖2，由圖2可知，平均泌水率隨配比的增大而增大，隨料漿濃度和水泥摻量的增大而減小。其中平均泌水率隨廢石尾砂配比增大的變化幅度為3.32%，遠遠大于其它因素的影響。這是因為隨著料漿質量濃度的增加，充填料漿脫水、凝結的時間變短，并且游離水減少，使水與充填料分離的時間變短，充填料漿的泌水性能就越差。由表7結果可知，選取A3B1C3（即料漿濃度為78%、廢石尾砂比為5∶5、水泥摻量為280 kg/m3）時，充填體的泌水特性達到較優。由極差R的大小可知，各因素對混合料漿的泌水率的敏感順序為A＞C＞B。

圖2 泌水率、坍落度隨3因素變化趨勢Fig.2 Bleeding rate and slump constantvaries with 3 factors

表7 平均泌水率結果分析Table 7 Analysis of average bleeding rate

2.3 坍落度實驗結果分析

坍落度體現了充填料漿在抵抗自重作用下克服剪切阻力所產生的變形能力，由表8中極差R值可知，各因素對混合料漿的坍落度敏感順序為A＞C＞B。表5可知，9組坍落度在26.7～29.6 cm之間，參照混凝土稠度等級劃分（見表9），均屬于高流態流體，符合該礦泵送條件。平均坍落度隨3因素變化趨勢見圖2，由圖2可知，隨各因素的增大，平均坍落度的變化程度較小，表明各因素對坍落度的影響程度較小。

表8 平均坍落度結果分析Table8 Analysisof averageslump constant results

表9 稠度等級與坍落度范圍Table 9 Consistency grade and slump range

3 回歸分析及配比優化

3.1 充填強度回歸分析

根據表6中的實驗結果，在SPSS中構建多元二次多項式（式1）分析得到充填體抗壓強度的多元線性回歸模型[9]，結果見式（2）～（3）。

式中x1為料漿質量濃度，%；x2為廢石尾砂配比；x3為水泥摻量，kg/m3；ak為回歸系數（k=（0～6））。

7 d強度回歸模型

28 d強度回歸模型

3.2 流動特性回歸分析

根據表7、8中的實驗結果，在SPSS中構建多元二次多項式（式4）分析得到充填體抗壓強度、泌水率及坍落度的多元線性回歸模型，結果見式（5）～（6）。

各參數同上（見式(1)）

泌水率回歸模型

坍落度回歸模型

3.3 配比優化分析

相關數學統計參數見表10，其中：R為相關系數；F為顯著性。

表10 回歸方程統計學參數Table 10 Statistical parametersof regression equation

從表10中可以看出，R7d、R28d的回歸方程相關系數的平方均達0.98以上，且顯著性系數較高，表明充填強度回歸方程擬合程度較高，能較好的表明料漿濃度、廢石尾砂比、水泥摻量對不同時期的充填體強度的影響規律。泌水率和坍落度的回歸方程相關系數的平方均在0.95以下，但泌水率的顯著性系數大于坍落度，表明料漿濃度、廢石尾砂比、水泥摻量對泌水率的影響規律更為顯著。

綜上所述，根據正交實驗結果可知：從充填強度來看，A2B2C3方案與A3B1C3方案的充填強度相差不大，但從泌水率上看，A3B1C3方案的泌水率遠小于A2B2C3方案。因此，選取A3B1C3方案不僅滿足充填體的充填性能較優，又能滿足充填體流動特性，適合作為廢石尾砂膠結充填體的較優配比。

4 半工業實驗

4.1 實驗方案

根據礦山相關資料，以較優配比（A3B1C3）為基礎，計算最大充填倍線為6.54。為驗證該配比方案的可靠性[10]，該礦山于9月中旬開展半工業實驗，設計充填管路充填倍線為4、5、6共三個方案。實驗方案見表11。

表11 半工業實驗Table 11 Pilot-plant test

4.2 實驗過程

按照半工業實驗方案，在該礦五采區露天邊坡處安裝漏斗平臺，按照充填倍線4、5、6開挖了3個采場。

在不同的水平距離上分別布置了相同形狀的溝槽，用于測試充填體的平整度及強度。平臺高度為5.2 m，底部為彎管連接，實驗用充填管為塑膠管道，管徑100 mm，實驗平臺上的裝料漏斗最大容量為1.5 m3。

按半工業實驗方案的配合比分別配制充填料漿，按不同倍線進行充填實驗，從實驗過程可以觀察到，充填料漿在滿足高濃度條件下，從管道流出的料漿非常均質，料漿的流平效果較好，流動過程中料漿無堆積，料漿壓頭大，說明實驗配置的高濃度料漿在相應倍線下滿足自流管輸的要求。

4.3 實驗結果

待混合料漿充填完成后，測定漿體流速；通過一定時間的脫水、凝結后，對充填體的抗壓強度和平整度進行檢測。使用貫入儀對充填體的強度進行檢測，強度檢測時，使用貫入儀于膠結充填體中軸線附近，分段選取5個測點，每個測點相距0.33 m，對每個測點的灌入深度進行檢測；同時使用水平儀，測量不同測點的平整度。半工業實驗結果見表12。

根據表12，從流速上看倍線越大流速越小，倍線越大意味著水平流動距離越長，在相同的垂直高度下，料漿需要克服的管道阻力更大，導致料漿在流出過程中流速減小；從抗壓強度上看，膠結體7 d充填強度均大于1.4 MPa，符合該礦要求；從平整度上看，坡度均較小，倍線從4～6料漿所形成的坡度均小于1°，表明充填料漿具有優異的流動性；從能量消耗的角度來看，料漿的重力位能轉化為流動過程中所需要的動能和部分摩擦損失，越長的水平段摩擦阻力損失越大，動能越小，所以料漿的流速會隨著倍線的增大而減小。

表 12半工業實驗結果Table 12 Resultsof pilot-plant test

5 結論

（1）通過對充填體力學特性的分析，充填強度隨料漿濃度、水泥摻量的增大呈線行增長，隨廢石尾砂比的增大呈先增大后減小的趨勢。充填體的力學性能在配比為A2B2C3時達到較優，并且水泥摻量C對充填體的抗壓強度影響較大，表明混合料漿隨水泥摻量越多，充填體越致密，充填強度就越大。

（2）通過對充填體流動特性分析，各因素對充填體泌水率均有不同程度的影響，其中料漿濃度對泌水率的影響最較大，遠大于其余因素對泌水率的影響；隨著各因素的變化，坍落度的變化程度較小，但均滿足高流態泵送要求。充填體的泌水特性在配比為A3B1C3時達到較優。

（3）通過本次實驗得出廢石尾砂膠結充填較優配比為A3B1C3（即78%的料漿濃度、廢石尾砂比5∶5、280 kg/m3的水泥摻量），并通過半工業實驗驗證該方案在實際應用中的可靠性。研究表明，該配比不僅滿足充填強度較優，又能滿足料漿的流動特性，適合作為廢石尾砂充填的較優配比。不僅能解決地面固廢物的堆積問題，也降低了采空區治理成本，具有良好的應用前景。