基于能量匹配的充填體強度設計及料漿配比優化

楊志強 王立杰 王社光 高 謙 王福全 王慶剛

(1.河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司,河北 邢臺 054100;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

對于地下礦山而言,采用充填采礦法將選礦全尾砂與膠凝材料混合攪拌成高濃度充填料漿,用于井下礦房空區膠結充填,其膠結充填體不僅可以作為二步采礦房的礦柱,控制地壓,為回采工作面創造安全條件,還可以減少尾砂地表堆存,實現清潔生產,由此保護環境。為保障充填礦山安全、高效和低成本開采,合理確定膠結充填體強度至關重要。由于各礦山地質條件不同、開采方法及結構參數不同,且影響充填體強度因素多而復雜,給安全經濟合理的充填體強度確定帶來困難。國內外學者對膠結充填體強度的設計進行了很多研究,王俊等采用工程類比法、數學模型法、數值分析法等確定充填體的合理強度[1-3],李長洪等基于充填體與圍巖的力學匹配關系確定充填體合理強度[4-5],為膠結充填體強度的確定起到指導作用。本研究以某鐵礦為背景,根據前期膠砂強度試驗、管輸特性試驗的結果,基于充填體與圍巖相互作用關系,采用能量耗散理論,分別確定該鐵礦一步采和二步采充填體合理強度;在此基礎上,結合料漿管輸特性,采用多目標模糊綜合評判理論對充填料漿配比進行優化,在滿足充填體強度和料漿流動性基礎上降低充填成本,以期實現低成本、安全、高效采礦。

1 基于能量匹配關系尾砂膠結充填體強度優化

1.1 尾砂膠結充填體強度與養護齡期的關系

利用周邊的鋼渣微粉、礦渣微粉以及工業副產品石膏等固體廢棄物,針對中細尾砂(-200 目細泥含量75%),開展綠色鋼渣基膠凝材料的膠結體強度試驗,表1為膠結充填體強度試驗數據的綜合分析與處理后的結果。從表1 中可以看出,膠結體強度與膠凝材料性能、料漿濃度、膠砂比、養護齡期等因素密切相關[5]。

根據表1 中試驗數據,補充其1、3、14、60、90 d強度數據后對其進行數值擬合,表2 為不同濃度和膠砂比的充填體強度與養護齡期的擬合關系結果。圖1 為擬合關系曲線圖,可知充填體強度隨膠砂比、料漿濃度及養護齡期的增加而逐漸增大。

圖1 充填體抗壓強度與養護齡期的關系曲線Fig.1 Relation curves between compressive strength of filling body and curing age

表1 鋼渣基膠凝材料全尾砂膠結體強度試驗結果Table 1 Strength test results of full tailings cement of steel slag-based cementitious materials

表2 充填體抗壓強度與養護齡期的擬合關系Table 2 Fitting relationship between compressive strength of backfill and curing age

1.2 尾砂膠結充填體強度與礦巖能量匹配關系

首先把充填體看作連續介質,根據能量等價原理計算充填體單位體積的彈性變形能Up[6-8];其次進行礦巖開挖能量耗散分析,計算得到單位礦巖釋放的能量Ur;最后根據能量守恒原理,進行尾砂膠結充填體與圍巖能量匹配分析[9-10],得到匹配系數K,詳見公式(1)。當K≥1 時,膠結體與圍巖能量匹配,不會發生破壞失穩,反之則失穩。

式中,σ為膠結充填體強度,MPa;γ為礦巖容重,kN/m3;E0為礦巖變形模量,MPa;μ為礦巖泊松比;H為礦巖深度,m。

1.3 中關鐵礦細尾砂膠結充填體強度確定

根據式(1)可知,為保障安全開采,必須滿足匹配系數K≥1,則可計算得到膠結充填體強度σ滿足:

中關鐵礦主要采用階段空場嗣后充填采礦法,根據礦體賦存條件及室內巖石力學試驗可知,其彈性模量E0=9.26 GPa,泊松比μ=0.28,容重γ=38.45 kN/m3,K=1。將上述參數代入式(2),則計算得到一步采充填體的合理強度σ1≥2.50 MPa;二步驟膠結充填體的合理強度σ2≥1.0 MPa。分別將合理強度值代入表2 擬合關系式,判斷該配比是否滿足強度要求,并獲得滿足強度要求的充填體固化時間,分析結果見表3。

表3 不同配比充填體合理強度及固化時間分析Table 3 Analysis of reasonable strength and curing age of filling body with different proportions

根據表3 可以看出:對于一步采礦房,當膠砂比1 ∶4 和料漿濃度58%～66%時;當膠砂比1 ∶5 和料漿濃度60%～66%時;當膠砂比1 ∶6 和料漿濃度64%～66%時,均滿足一步采礦房的膠結充填體的強度要求。對于二步采充填,當膠砂比在1 ∶8～1 ∶4 的范圍內,料漿濃度在58%～66%的范圍內均滿足膠結充填體的強度要求[11]。結合中關鐵礦實際開采、充填以及二步采礦柱回采時間綜合確定一步驟充填和二步驟充填固化時間均為28 d,確定一步采和二步采充填體的28 d 合理強度為σ1≥2.50 MPa 和σ2≥1.0 MPa。

2 基于多目標多因素的充填料漿優化設計

在確定全尾砂膠結充填體合理強度的基礎上,進一步基于多目標多因素,將28 d 強度、料漿塌落度、充填成本、料漿泌水率作為評價指標,利用模糊優選決策理論[12-13]進行中關鐵礦鋼渣基全固廢細尾砂料漿綜合評判優化,更有效地選擇最佳料漿優化方案。

2.1 鋼渣基膠凝材料全尾砂充填料漿配比優化

根據鋼渣基固結粉膠凝材料尾砂膠結充填強度試驗和料漿管輸特性試驗結果,對其部分數據進行匯總如表4 所示。根據文獻研究與試驗結果,結合中關鐵礦實際,選取膠結充填體28 d 強度、充填成本、塌落度和泌水率為綜合評價指標。

根據表4 試驗數據及前述確定的合理強度,并結合礦山實際可判斷:一步驟充填R28d≥2.5 MPa,可知共有K1～K4、K8 等5 組配比方案的28 d 強度滿足要求。將5 組配比方案進行多目標多因素綜合評判及料漿優化,其評判指標包括:28 d 強度、充填成本、料漿塌落度和泌水率等4 項,其具體權重及取值詳見表5,據此獲得鋼渣基膠凝材料—尾砂充填料漿配比方案目標特征值,如表5 所示。根據表5 計算各方案的相對優屬度分別為:0.575 0、0.457 5、0.471 7、0.653 8、0.924 3,可知方案5 為綜合評判最優方案,即采用鋼渣基膠凝材料,膠砂比1 ∶5,質量濃度64%的條件下綜合評判較優。

表4 充填體強度及管輸特性試驗結果Table 4 Test results of backfill strength and pipeline characteristics

同理,對二步驟充填料漿配比進行優化,根據計算結果可知:方案8 相對優屬度最大為0.661 2,即采用鋼渣基固結粉膠凝材料,膠砂比1 ∶5,質量濃度64%的條件下綜合評判最優。

2.2 鋼渣基膠凝材料全尾砂充填料漿配比驗證試驗

根據前述綜合評判確定的最佳充填料漿優化配比方案,進行試驗驗證,試驗結果及對比如表6 所示。由表6 可知:其7 d、28 d 強度、料漿泌水率、料漿塌落度分別為1.50 MPa、2.76 MPa、2.55%、25.80 cm,與前期配比試驗結果進行對比,二者誤差分別為9.51%、2.99%、0.66%和5.49%,均滿足小于10%的工程實際要求,表明所得的優化料漿配比具有較高的可靠性。

表6 充填料漿配比驗證試驗及對比結果Table 6 Filling slurry ratio verification test and comparison results

3 結論

(1)基于充填體與圍巖相互作用關系,采用能量耗散理論,結合實際地質情況,確定中關鐵礦一步采和二步采充填體合理強度及合理開挖時間,得出一步采和二步采充填合理強度分別為2.50 MPa 和1.0 MPa,固化時間均為28 d。

(2)在確定充填體合理強度的基礎上,結合前期管輸特性試驗結果,采用多目標多因素模糊綜合評判理論,進一步對充填料漿配比進行優化,獲得一步采和二步采充填料漿優化配比均為采用鋼渣基膠凝材料,膠砂比1 ∶5 和料漿濃度64%,并對其進行試驗驗證,所得結果與配比試驗結果誤差均小于10%,表明所得優化配比具有較高可靠性,可為工業充填提供依據。