全尾砂戈壁集料膏體凝結(jié)性與流動(dòng)性研究*

李公成 王洪江 吳愛祥 彭乃兵 楊 鵬 楊錫祥 周發(fā)陸

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;3.招金礦業(yè)股份有限公司)

全尾砂膏體充填在料將性能、制備工藝、充填質(zhì)量、資源回收、節(jié)能環(huán)保等方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，近年來運(yùn)用該技術(shù)的礦山逐年增加［1-2］。膏體充填分為2類:全尾砂膏體充填和粗骨料膏體充填。粗骨料膏體充填是在全尾砂中添加粗顆粒物料，如風(fēng)砂、棒磨砂、水淬碴、碎石等，其目的是為了提高充填體強(qiáng)度，改善膏體流動(dòng)性［3］。由于膏體性能是由復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)造成的，再加上各個(gè)礦山的主要物料來源與配比參數(shù)不同，尤其是粗骨料粒級(jí)相差較大，膏體的性能差別較大。膠結(jié)充填體由于具有真實(shí)的內(nèi)聚力，其強(qiáng)度特性主要是指抗壓強(qiáng)度特別是單軸抗壓強(qiáng)度特性。塌落度是表征膏體充填料可泵性的指標(biāo)［4］。

本研究以某礦全尾砂戈壁集料膏體的濃度、灰砂比、尾砂與戈壁集料比和泵送劑添加量為自變量，以膏體的抗壓強(qiáng)度和塌落度為因變量，進(jìn)行處置體的單軸壓縮及塌落度試驗(yàn)，以尋求膏體濃度、灰砂比、尾砂與戈壁集料比及泵送劑添加量的添加范圍，探索其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與物料

試驗(yàn)所用測(cè)試塌落度的設(shè)備為100 mm×200 mm×300 mm塌落筒及刻度尺;測(cè)量抗壓強(qiáng)度的設(shè)備為壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)膏體由全尾砂、水泥、戈壁集料和泵送劑4種物料組成，按照正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案中的配比進(jìn)行配制，戈壁集料是選取粒徑不大于15 mm級(jí)配河砂。利用密度瓶法測(cè)得尾砂密度;利用定容稱重法測(cè)定松散容重和密實(shí)容重［5］。固體物料物理性質(zhì)見表1，水泥型號(hào)為32.5R型普通硅酸鹽水泥，泵送劑選用為JK－5泵送劑。

表1 固體物料物理參數(shù)測(cè)定值

全尾砂和戈壁集料粒級(jí)組成分別采用激光粒度儀和人工篩分獲得，如圖1及圖2所示。全尾砂的平均粒徑為58μm，－5μm、－10μm、－20μm的極細(xì)顆粒含量分別為12.3%、20.5%、29.8%，－200目(－74μm)為64.32%，－325目(－45μm)為43.1%，－20μm的含量為29.8%。按照公認(rèn)膏體充填料中－20μm顆粒含量15%～20%，－20 μm顆粒含量偏高，通過計(jì)算，其中全尾砂的不均勻系數(shù)為18.36，曲率系數(shù)為1.62，在添加適量的戈壁集料后能夠制備出理想的膏體。

圖1 全尾砂粒級(jí)組成曲線

圖2 戈壁集料粒級(jí)組成曲線

1.2 試驗(yàn)方案

為了全面分析影響因素，減少試驗(yàn)工作量，采用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案［6］。根據(jù)試驗(yàn)因素和水平的個(gè)數(shù)，選擇正交表L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平如表2所示。

表2 因素水平

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是按設(shè)計(jì)配制的料漿澆灌入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三聯(lián)砂漿試模內(nèi)，分別放在標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱(養(yǎng)護(hù)條件為:溫度20℃，濕度＞90%)中養(yǎng)護(hù)28 d后，用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，測(cè)定28 d齡期的單軸抗壓強(qiáng)度。塌落度試驗(yàn)是利用100 mm×200 mm×300 mm的塌落桶進(jìn)行測(cè)量，將攪拌好的膏體充填料將裝入桶內(nèi)，讓料漿在自重作用下自由下落，再量取所塌落的高度［7］。所得試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用極差分析方法和回歸分析方法進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案測(cè)定抗壓強(qiáng)度及塌落度參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3 分析

3.1 極差分析

極差分析方法是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法，具有計(jì)算簡(jiǎn)便，直觀易懂等特點(diǎn)，通過極差分析可確定各因素的主次順序，并可確定各試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 塌落度與28 d強(qiáng)度極差分析

由表4可知，對(duì)膏體塌落度極差分析所得極差值均在1個(gè)數(shù)量級(jí)，其主次順序?yàn)?尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比(B＞A＞D＞C)，各因素對(duì)膏體塌落度的影響基本相當(dāng)，略有差別。由極差分析所得膏體塌落度的優(yōu)水平可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)膏體濃度取76%，尾砂與戈壁集料比取2，灰砂比取0.17，泵送劑添加量取2.5%時(shí)，膏體的塌落度達(dá)到最大值。

對(duì)膏體28 d強(qiáng)度極差分析所得極差差別較大，其中灰砂比的極差較膏體濃度、尾砂與戈壁集料比和泵送劑添加量大1個(gè)數(shù)量級(jí)，其主次順序?yàn)?灰砂比＞尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量(C＞B＞A＞D)，即灰砂比對(duì)膏體28 d強(qiáng)度影響最大，尾砂與戈壁集料比、膏體濃度和泵送劑對(duì)膏體28 d強(qiáng)度影響基本相當(dāng)，略有差別。由極差分析所得膏體28 d強(qiáng)度的優(yōu)水平可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)膏體濃度取78%，灰砂比取0.17，尾砂與戈壁集料比取2，泵送劑添加量取1.75%時(shí)，膏體的28 d強(qiáng)度可達(dá)最大值。

3.2 回歸分析

回歸分析是在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法原理建立因變量與自變量之間的函數(shù)關(guān)系［8］。采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)塌落度和28 d強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析。在DPS建立的回歸方程中，相關(guān)系數(shù)R越接近1，說明回歸方程越顯著，同時(shí)方差分析F值的顯著水平p應(yīng)小于等于0.05。

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行回歸分析，建立塌落度與膏體濃度、尾砂與戈壁集料比、灰砂比、泵送劑添加量之間的二次多項(xiàng)回歸關(guān)系，回歸方程如式(1)所示，方程的相關(guān)系數(shù)R=0.999 99，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.999 921，顯著水平p=0.009 1＜0.05，說明回歸方程極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合效果較好。

式中，y1為塌落度，其他符號(hào)意義同前。由式(1)可以看出，B(尾砂與戈壁集料比系數(shù))最大，因此尾砂與戈壁集料比對(duì)塌落度影響最大;其次為A(膏體濃度);再次為D(泵送劑添加量);最后為C(灰砂比)。其主次順序?yàn)?尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比。

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行回歸分析，建立28 d強(qiáng)度與膏體濃度、尾砂與戈壁集料比、灰砂比、泵送劑添加量之間的二次多項(xiàng)回歸關(guān)系，回歸方程如式(2)所示，方程的相關(guān)系數(shù)R=0.999 999，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.999 992，顯著水平p=0.002 9＜0.05，說明回歸方程極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合效果較好。

式中，y2為抗壓強(qiáng)度，其他符號(hào)意義同前。由式(2)可以看出，C(灰砂比的系數(shù))最大，且?guī)в卸雾?xiàng)，所以灰砂比對(duì)抗壓強(qiáng)大影響最大，雖然A(膏體濃度)帶有二次項(xiàng)，但是膏體濃度的系數(shù)過小，并且相對(duì)尾砂與戈壁集料比差1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此尾砂與戈壁集料比比膏體濃度影響更大，最后為泵送劑添加量。其主次順序?yàn)?灰砂比＞尾砂與戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量。

3.3 配比優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只有當(dāng)膏體塌落度在20～25 cm時(shí)，流動(dòng)性才達(dá)到較合適的范圍，從而有利于后期的管道輸送;根據(jù)采礦方法對(duì)強(qiáng)度的要求，假頂和假底的強(qiáng)度只有分別達(dá)到1～2 MPa和4～5 MPa時(shí)，才能進(jìn)行安全生產(chǎn)工作;通過前面非線性回歸模型的預(yù)測(cè)，在達(dá)到強(qiáng)度要求及流動(dòng)性要求的情況下，推薦接頂充填膏體的配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送劑添加量為1.5%～2.0%;接底充填膏體配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送劑添加量為1.5%～2.0%。

4 結(jié)論

(1)正交試驗(yàn)結(jié)果表明:在所選擇的因素當(dāng)中，各因素對(duì)塌落度影響有輕微差異，對(duì)塌落度的影響大小順序?yàn)槲采芭c戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量＞灰砂比;各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響相差較大，其中灰砂比是影響最大的，其影響的大小順序?yàn)榛疑氨龋疚采芭c戈壁集料比＞膏體濃度＞泵送劑添加量。

(2)通過DPS軟件非線性回歸得出4因素對(duì)塌落度和抗壓強(qiáng)度影響的回歸模型，分析表明，塌落度和抗壓強(qiáng)度與各影響因素之間存在顯著的二次非線性相關(guān)性。

(3)經(jīng)過非線性回歸模型的預(yù)測(cè)，推薦假頂充填膏體的配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送劑添加量為1.5%～2.0%;假底充填膏體配合比為:膏體濃度77%～78%，尾砂與戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送劑添加量為1.5%～2.0。

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