全尾砂膠結(jié)充填材料強(qiáng)度影響因素分析及配比預(yù)測研究

張國勝 張雄天

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展，科學(xué)、合理、環(huán)保的礦業(yè)開發(fā)方式可以有力地保障我國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。充填采礦法可以有效地將較大比例的礦山開采所產(chǎn)生的廢石、選礦產(chǎn)生的尾砂等固體廢棄物回填于井下采空區(qū)，減少固體廢棄物對環(huán)境的污染破壞，同時可以有效地解決地下采礦導(dǎo)致地表出現(xiàn)的變形、沉陷等問題。此外，充填采礦法還具有回采率高、貧化率低等優(yōu)點。因此，充填采礦正在成為主要的開采技術(shù)手段[1-4]。

充填體強(qiáng)度是衡量充填體質(zhì)量的一個主要指標(biāo)，對影響充填體強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析及優(yōu)化配比，有利于以最經(jīng)濟(jì)合理的方式提高充填體質(zhì)量，節(jié)省充填成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文以某大型鉛鋅礦為研究對象，根據(jù)礦山實際情況，提出了適合該礦山的采礦方法及充填工藝，并對影響充填材料的因素進(jìn)行了分析，確定了礦山充填料漿的最佳配比，建立了配比預(yù)測模型。

1 礦山概況

某大型鉛鋅礦屬于新建礦山，礦山生產(chǎn)規(guī)模為150萬t/a，采用地下開采方式，開拓方案為主平硐—主（箕斗）副（罐籠）豎井開拓，2018年初，礦山建成投產(chǎn)。2018年，該礦山被授予“全國綠色礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)示范基地”；2019年榮獲“有色金屬行業(yè)綠色發(fā)展十大領(lǐng)軍企業(yè)”，入選2019年國家級綠色礦山名錄；2020年先后榮獲“首屆綠色礦山突出貢獻(xiàn)獎”、“綠色礦山重大工程一等獎”等多項殊榮。

2 礦山生產(chǎn)存在的主要問題

該礦山礦體產(chǎn)狀為緩傾斜、傾角2°～47°，礦體厚度薄—中厚，巖體質(zhì)量一般，完整性中等，礦石普氏硬度系數(shù)f=8～10，圍巖f=4～10，礦、巖均屬不穩(wěn)固—中等穩(wěn)固巖類等特點。依據(jù)礦體賦存條件，該礦山采用了普通全面采礦法、機(jī)械化房柱采礦法、臺階式全面采礦法、分段空場法等多種采礦法進(jìn)行回采，但在實際生產(chǎn)中，存在著采礦損失、貧化率偏大，回采、出礦困難等問題。

3 充填采礦方法研究

為保障礦山高質(zhì)量發(fā)展，針對該礦山實際生產(chǎn)中存在的問題，結(jié)合礦體賦存條件，依據(jù)綠色礦山的建設(shè)要求，采用環(huán)境友好型開發(fā)利用方式，提出了采用充填采礦法的方案。經(jīng)過綜合分析及研究，最終確定采用機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法，此方法高度靈活，適用于該礦山極為復(fù)雜多變的礦體賦存條件，可以實現(xiàn)高回收、低貧化開采的目標(biāo)。

如圖1所示，礦塊沿走向布置，長50 m，高50 m，分段高12.5 m，分層高3.5～4 m，裝礦穿脈布置在礦塊中部，礦塊不留頂?shù)字伴g柱。

分段沿脈平巷布置在礦體下盤與輔助斜坡道相連，進(jìn)路斷面3.6 m×4 m～4 m×4 m，從分段沿脈平巷垂直礦體布置分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道，從分層聯(lián)絡(luò)道繼續(xù)垂直礦體走向開掘切割巷道?？紤]鏟運(yùn)機(jī)爬坡能力，分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道坡度為1∶6，斷面為3.6 m×3.6 m。溜礦井布置在礦體下盤，與各分段聯(lián)絡(luò)道相連。分段沿脈平巷、分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)均采用單臂臺車鑿巖，裝藥臺車裝藥，非電導(dǎo)爆管起爆，DJK50-№5.5局扇通風(fēng)，電動、柴油鏟運(yùn)機(jī)出碴。

從切割巷道沿礦體走向采場兩端掘斷面為3.6 m×4 m～4 m×4 m的采礦進(jìn)路。當(dāng)?shù)V體厚大時可相應(yīng)地多布置幾條，但回采時要間隔回采。礦體厚度＜3.5 m時，采用YT-28型鑿巖機(jī)鑿巖，鉆孔孔徑?38～41 mm，深度2.0 m，每循環(huán)進(jìn)尺1.6 m；礦體厚度≥3.5 m時采用單臂臺車鑿巖，鉆孔孔徑?42 mm，深度2.0 m，每循環(huán)進(jìn)尺1.7 m。炮孔裝藥前采用壓風(fēng)將炮眼吹干凈，人工裝藥，采用?32 mm藥卷，非電導(dǎo)爆管起爆。采場出礦選用柴油鏟運(yùn)機(jī)（2 m3）或電動鏟運(yùn)機(jī)（2 m3）出礦，鏟運(yùn)機(jī)自采場進(jìn)路經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道、分段道、溜井聯(lián)絡(luò)道將礦石鏟運(yùn)至溜井卸載。鏟裝礦石時，沿著進(jìn)路方向邊鏟邊推進(jìn)，按照指定的溜井出礦。

新鮮風(fēng)流主要由專用進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下，經(jīng)階段沿脈平巷→各盤區(qū)斜坡道（人行通風(fēng)天井）進(jìn)入回采工作面，清洗工作面后，污風(fēng)由上部盤區(qū)斜坡道（人行通風(fēng)天井）→上階段回風(fēng)平巷→回風(fēng)井排出地表。

充填采用自流輸送膠結(jié)充填工藝，堅持采一充一的原則，每條進(jìn)路從充填準(zhǔn)備到充填接頂結(jié)束在7 d內(nèi)完成，充填結(jié)束72 h后方可開始相鄰進(jìn)路的回采工作。采場進(jìn)路回采完成后進(jìn)行清底、充填管敷設(shè)，將充填管由充填回風(fēng)井、分層道接到進(jìn)路端頭并將管頭固定在最高處。在采場進(jìn)路口砌筑擋墻，然后根據(jù)設(shè)定料漿濃度進(jìn)行充填。充填分2次進(jìn)行，第1次充填厚度為2 m，第2次充填接頂。

采場充填溢流水通過采場泄水井集中到進(jìn)路端頭充填擋墻外側(cè)的沉淀池，沉淀后的清水由泥漿泵通過管道排至中段泄水井，再集中至坑內(nèi)水倉，由主排水泵排出。

4 充填材料配比試驗研究

4.1 全尾砂基本物理化學(xué)參數(shù)測定

全尾砂物理參數(shù)測定主要包括比重、松散容重、密實容重以及孔隙率，見表1。

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尾砂中對充填體強(qiáng)度影響較大的主要化學(xué)成分有 CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S 等。尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

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尾砂的粒徑組成對于充填體強(qiáng)度的影響較為明顯，直接影響到膠結(jié)性能和膠凝材料的消耗量。試驗采用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀測定尾砂的粒級分布。

根據(jù)全尾砂測定結(jié)果，其中d10=3.256 μm，d50=15.263 μm，d60=21.263 μm，d90=158.699 μm，d平均=58.256 μm，比表面1.02 m2/g，尾砂粒徑較細(xì)。不均勻系數(shù)α2表征該物料粒級組成的均勻程度，計算如下：

經(jīng)計算礦山尾砂不均勻系數(shù)α2＝6.53。α2值越小表示粒級組成越均勻，一般α2＝5時，粒級配比較好。通過尾砂粒徑分析試驗可知，礦山尾砂粒徑分布對于膠結(jié)充填材料強(qiáng)度的形成促進(jìn)作用一般。

4.2 膠結(jié)充填材料強(qiáng)度配比試驗

充填試驗?zāi)z凝材料選用PC32.5R硅酸鹽水泥，尾砂為選廠全尾砂。試驗共設(shè)計料漿濃度分別為64%、66%、68%、70%、72%、74%，灰砂比分別為 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 ，共36組試驗，測定每組配比3 d、7 d、28 d、60 d 4個齡期的充填體強(qiáng)度。每組單個齡期測試3個試塊的抗壓強(qiáng)度，共計為432塊。分析研究不同濃度和灰砂比的強(qiáng)度變化規(guī)律和強(qiáng)度性能。

采用DYE-2000混凝土壓力試驗機(jī)對制作的各齡期的充填試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗（圖2）。試驗結(jié)果見表3。

4.3 基于響應(yīng)面的充填試樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析

通常對充填體強(qiáng)度的影響因素為砂漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期等。在滿足礦山充填強(qiáng)度的情況下，優(yōu)化充填配比，降低膠凝材料消耗量，可以節(jié)省生產(chǎn)成本，有利于礦山經(jīng)濟(jì)效益最大化。根據(jù)響應(yīng)面法（RSM），構(gòu)建3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度為響應(yīng)值的回歸模型，探究砂漿濃度、灰砂比單一或交互作用對充填體強(qiáng)度的影響情況，從而尋求適合礦山充填的最佳配比。采用Desing-Export軟件中Cube模塊，砂漿濃度、灰砂比為2種影響抗壓強(qiáng)度的因素，分別用X1、X2表示。3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度為響應(yīng)值，分別用Y1、Y2、Y3、Y4表示，通過分析計算，影響因素與充填體強(qiáng)度之間的回歸方程如下：

根據(jù)擬合的回歸方程，4個養(yǎng)護(hù)齡期擬合方程的回歸系數(shù)均接近于1，因此，回歸方程擬合程度較高。

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MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能。為探究不同因素對充填體強(qiáng)度的非線性動態(tài)影響情況，根據(jù)已經(jīng)建立的不同養(yǎng)護(hù)齡期充填體的非線回歸模型，利用MATLAB分析軟件建立了養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d、60 d的三維非線性數(shù)據(jù)模型，如圖3～圖6所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，試塊的強(qiáng)度在灰砂比不變時，隨濃度的增加而增大，隨齡期的增長而增加。其他情況不變時，灰砂比的影響是顯著的，灰砂比越大，試塊的強(qiáng)度越大。提高充填料漿的濃度和增加灰砂比有利于提高充填料漿的強(qiáng)度，提高早期強(qiáng)度。

灰砂比較大的試塊早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，如灰砂比1∶4的試塊3 d強(qiáng)度0.12～0.14 MPa，7 d強(qiáng)度 1.77～1.97 MPa，28 d強(qiáng)度 3.12～3.92 MPa，60 d強(qiáng)度3.75～4.42 MPa。7 d強(qiáng)度是3 d強(qiáng)度的15倍左右，28 d強(qiáng)度是7 d強(qiáng)度2倍左右，但是28 d以后強(qiáng)度發(fā)展放慢，到60 d強(qiáng)度仍在增長?；疑氨群蜐舛染^小的試塊，早期強(qiáng)度較差，部分試塊3 d拆模困難，7 d強(qiáng)度測試受壓時，變形量大，但是后期強(qiáng)度發(fā)展平穩(wěn)，如灰砂比1∶12的試塊，3 d強(qiáng)度無法測定，7 d強(qiáng)度 0.15～0.25 MPa，28 d強(qiáng)度 0.23～1.01 MPa，60 d強(qiáng)度0.81～1.32 MPa。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，灰砂比、砂漿濃度是影響充填體力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，在一定條件下，多加水泥或提高料漿濃度均有利于充填體強(qiáng)度的提高，特別是提高充填體的早期強(qiáng)度。本礦山雖然尾砂粒度較細(xì)，根據(jù)充填試驗及對結(jié)果分析，當(dāng)?shù)V山輸送砂漿濃度介于70%～72%、灰砂比介于1∶6～1∶10時能夠滿足上向進(jìn)路膠結(jié)充填法采礦工藝不同充填體強(qiáng)度的要求，此時，礦山可以取得最大的經(jīng)濟(jì)及安全效益。

4.4 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的充填配比預(yù)測研究

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于小波分析結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性發(fā)展起來的一種新型智能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有小波分析、小波變換分層、多分辨率及函數(shù)學(xué)習(xí)和推廣能力較強(qiáng)等特性。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中使用非線性小波基替換常規(guī)的非線性sigmoid函數(shù)，系統(tǒng)檢測實際參數(shù)及信號通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的小波基進(jìn)行多層線性疊加和數(shù)據(jù)處理輸出，較好地簡化了數(shù)據(jù)訓(xùn)練及計算。

采用MATLAB數(shù)值分析軟件，將36組試驗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，通過多次迭代，獲得3 d、7 d、14 d、28 d、60 d充填強(qiáng)度預(yù)測模型。養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d、60 d強(qiáng)度預(yù)測曲線分別見圖7～圖10。

通過分析發(fā)現(xiàn)，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測數(shù)據(jù)與經(jīng)過充填試驗獲得的真實數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，相對誤差較小，預(yù)測模型較為可靠。表明小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對充填配比預(yù)測研究具有較好的可適用性，可指導(dǎo)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。

5 結(jié)論

（1）在深入分析某大型鉛鋅礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對礦體回采時存在的損失率、貧化率高的問題，提出了采用上向進(jìn)路充填采礦法的方案。采用三維建模技術(shù)構(gòu)建了上向進(jìn)路充填采礦法三維模型，并對具體采礦工藝進(jìn)行了分析。

（2）通過對礦山尾砂粒徑分析試驗發(fā)現(xiàn)，礦山尾砂較細(xì)，對充填體強(qiáng)度形成促進(jìn)作用一般。設(shè)計了砂漿濃度分別為 64%、66%、68%、70%、72%、74%，灰砂比分別為 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 ，共 36 組試驗，測定了每組配比 3 d、7 d、28 d、60 d 4個齡期的充填體強(qiáng)度，獲得了充填試驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）采用響應(yīng)面分析法（RSM），構(gòu)建了3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度的回歸模型，分析了砂漿濃度、灰砂比等因素對充填體強(qiáng)度的影響情況，確定當(dāng)輸送砂漿濃度介于70%～72%、灰砂比介于1∶6～1∶10時，礦山可以取得最大的經(jīng)濟(jì)及安全效益。

（4）采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將36組試驗數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，通過多次迭代，獲得了3 d、7 d、14 d、28 d、60 d充填強(qiáng)度預(yù)測模型，建立的預(yù)測模型可靠，可用于指導(dǎo)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。