基于双指标响应值法对充填材料理想配比值域研究 sup ① _sup _牛鹏.pdf

基于双指标响应值法对充填材料理想配比值域研究 ① 牛 鹏， 王洪江， 陈志强 北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083 摘 要 针对现场尾砂充填材料配比实验决策目标多、实验条件差等问题,采用全面法实验方案,以料浆质量浓度、砂灰比为实验 因素,以料浆流动性、胶结体单轴抗压强度为响应值进行配比实验,建立双指标理想配比值域,以提高现场的实践指导性。 借助等 高线图研究了配料的流动性；采用方差法分析了影响因素对强度的主次效应；通过一维应力波理论计算了充填体抗爆强度；借助非 线性回归分析得出满足抗爆振动强度要求的配比数学模型。 结果表明砂灰比越小,浓度越小,流动性越好；充填料浆浓度对强度 影响效应更显著；抗爆破振动强度为 0.75 MPa。 并基于塌落度、单轴抗压强度双指标,提出理想配比值域,为现场充填材料配比提 供动态方案。 关键词 充填材料； 尾砂； 配比； 充填骨料； 流动性； 单轴抗压强度； 砂灰比； 塌落度； 理想配比值域 中图分类号 TD926.4文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.004 文章编号 0253-6099201904-0015-05 An Ideal Range of Proportion for Backfill Materials Based on the of Dual Index Response Value NIU Peng, WANG Hong-jiang, CHEN Zhi-qiang School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract For solving the problem of multiple decision-making objectives and poor testing conditions existing in the proportioning of backfill material with on-site tailings sand, a comprehensive testing program was proposed. An ideal range of proportion was established based on the test with slurry mass concentration and sand-cement ratio as the testing factors, slurry fluidity and uniaxial compressive strength of cemented material as the response values. Then, the fluidity of ingredients was studied by means of contour map, and the primary and secondary effects of influencing factors on strength were analyzed by means of variance . The uniaxial compressive strength of the backfill body to resist blast-induced vibration was calculated with one-dimensional stress wave theory. A mathematical model for proportioning was obtained by means of nonlinear regression analysis, which can meet the requirement for resisting the blasting-induced vibration. Based on these studies, it is found that the lower sand-cement ratio can lead to the lower concentration and better fluidity. And the concentration of backfill slurry has a significant influence on the strength of backfill body. The uniaxial compressive strength of cemented material for resisting blast-induced vibration is 0.75 MPa. The ideal range of proportion is finally obtained based on two indicators of slump and uniaxial compressive strength, which can provide a dynamic solution for backfill material proportioning on the mining field. Key words backfill material； tailings sand； proportioning； backfill aggregate； fluidity； uniaxial compressive strength； sand-cement ratio； slump； ideal range of proportion 充填材料的设计是一个多目标、多环节、多指标优 化问题。 配比设计不仅与充填体强度相关,也与料浆流 动特性、充填成本等相关。 因此,矿山充填料配比设计 是一个关键问题。 考虑制备料浆的流动性、养护周期内 的力学强度28 d等各项性能指标,探索合理配合比, 对保障充填工艺效果具有重要理论意义和实用价值。 目前,国内学者已对充填材料的配合比展开了多 层面、多角度、多方法的研究,为配合比优化提供了充 分的理论基础［1-5］。 但关于配比的单目标决策研究难 以满足生产过程的多目标要求。 因此,进一步的研究 取得了较高层次的理论成果,并提高了充填材料性能 研究的配比目标结果精确度［6-8］,但存在优化配比目 ①收稿日期 2019-01-06 基金项目 国家自然科学基金51574013,51674012；国家重点研发计划2017YFC0602903,2016YFC0600704 作者简介 牛 鹏1994-,男,河南南阳人,硕士研究生,主要研究方向为膏体充填绿色开采。 通讯作者 王洪江1967-,男,河南三门峡人,教授,博士,主要研究方向为膏体充填采矿、溶浸采矿、绿色采矿。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 ChaoXing 标越多结果越少、决策方法复杂等缺点。 同时,矿山现 场实验条件差,进行多目标实验存在局限性。 而从充 填工艺的角度讲,输送性能和胶结后的强度为工艺的 主要考核指标。 因此,国内部分矿山也初步形成以流 动性和单轴抗压强度为关键性评价指标的现状［9］；现 场技术人员逐步形成以测定充填材料流动性和胶结体 强度的简化实验理念。 此外,现场配料过程,高精确配 比控制难度大、成本高,实际生产尾浆浓度具有波动性 的特征。 基于上述双目标研究趋势和现场尾浆质量浓 度波动性特点,提出根据浓度波动适当调整胶凝材料 配比,以便达到双响应值目标效果的动态方案,则在工 程上相对更具可行性。 鉴于以上原因,本文选取内蒙古某选厂尾砂,采用 全面实验法,设计关于尾浆质量浓度和砂灰比两因素 的配料方案,进行充填料浆流动性、单轴抗压强度实 验。 首先,根据充填骨料浓度和胶凝材料两因素间的 配比,研究其对充填料流动性及胶结体强度关系。 然 后,考虑现场充填体强度设计的主要因素,基于一维应 力波理论和非线性拟合分析,提出满足抗爆破振动强 度要求的配比数学模型。 最后,建立强度和塌落度的 双指标理想配比值域,为现场配料提供动态配比方案。 1 实验材料与设备 实验材料主要为内蒙古某金矿的全尾砂,用于制 备尾砂浆； 胶结材料, 选用普通早强硅酸盐水泥 PO42.5R,用于增加充填体强度。 尾砂的物理特性 与其泌水性、渗透性、比表面积、强度等密切相关,尾砂 物理特性测试结果见表 1,粒度分布见图 1。 实验仪器 主要有尾浆搅拌机、塌落筒、单轴压力机等。 表 1 全尾砂物理特性 密度 / gcm -3 松散容重 / tm -3 密实容重 / tm -3 松散孔隙率 / ％ 密实孔隙率 / ％ 2.5791.1911.36453.8247.11 粒径/μm ■ 100 80 60 40 20 0 1103060100 分布概率/ ■ ● ●■●■●■●■ ●■ ●■●■ ●■●■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 累积分布 微分分布 图 1 全尾矿粒径分布 根据图 1,可知该金矿全尾砂中 d60 24.91 μm, d309.37 μm,d102.85 μm,Cu8.565 ＜ Cu＜ 10,颗 粒级配良好；曲率系数 Cc1.241 ＜ Cc＜ 3,说明土粒 相的粒径齐全,连续分布。 2 实验方法 进行了质量浓度 66％、68％、70％、72％,砂灰比 8∶1、12∶1、16∶1、20∶1共 16 次实验。 实验响应值指标测定方法如下 1 根据实验方案制备各组分的均质混合充填料, 通过流动性试验测定其塌落度和扩展度。 2 流动性实验结束后,将充填料制成一组三联 7.07 cm 7.07 cm 7.07 cm 的立方体试块,分别在标准 恒温恒湿养护箱养护条件温度20 ℃,湿度大于90％ 中养护 28 d 天后,测定 28 d 龄期的单轴抗压强度。 3 实验结果及分析 3.1 塌落度实验结果 图 2 为砂灰比与塌落度关系。 由图 2 可见,质量 浓度为 66％、68％和 70％时,料浆塌落度均大于 25 cm, 且与砂灰比关系不明显。 质量浓度为 72％时,塌落度 值下降明显。 砂灰比 30 29 28 27 26 25 24 23 8121620 塌落度/ cm ■ ● 浓度66 浓度68 浓度70 浓度72 ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ 图 2 砂灰比与塌落度关系 图 3 为砂灰比与扩展度的关系。 由图 3 可见,因 扩展度曲线近乎水平,说明其变化幅度随砂灰比变化 不明显。 砂灰比 160 140 120 100 80 60 40 20 8121620 扩展度/ cm ■ ● 浓度66 浓度68 浓度70 浓度72 ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ 图 3 砂灰比与扩展度关系 61矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 图 4～5 分别为浓度与塌落度和扩展度关系。 由 图可见,浓度与塌落度、扩展度为负增长关系。 浓度/ 29 28 27 26 25 24 23 66687072 塌落度/cm ■ ● 砂灰比8 砂灰比12 砂灰比16 砂灰比20 ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ 图 4 浓度与塌落度关系 浓度/ 140 120 100 80 60 40 20 66687072 扩展度/cm ■ ● 砂灰比8 砂灰比12 砂灰比16 砂灰比20 ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■● ▲▲ ■ ● ▲ ▲ 图 5 浓度与扩展度关系 根据实验数据,设置尾浆质量浓度、砂灰比、塌落 度或扩展度分别为 X、Y、Z 轴,绘制三者间等高线关系 图见图 6～7,分析配合比与流动性指标的交互作用。 由图 6～7 可知,尾浆的流动性与砂灰比和骨料质量浓 度的关系为砂灰比越小,浓度越小,流动性越好。 图 6 塌落度与配比因素等高线关系 3.2 试件单轴抗压强度实验结果 实验测得不同配比实验充填试件养护 28 d 的强 度见表 2。 通过 SPSS 25.0 软件进行方差分析得出配 比因素对单轴抗压强度的显著性和主次效应结果见表 3。 由结果得出,浓度因素的显著性值为 0.014,砂灰比 因素的显著性值为 4.849 10 -5 ,两者的显著性值均 图 7 扩展度与配比因素等高线关系 表 2 养护 28 d 胶结体单轴抗压强度 浓度 / ％ 不同砂灰比条件下的单轴抗压强度/ MPa 8∶112∶116∶120∶1 660.800.500.300.30 681.050.550.350.30 701.300.600.550.35 721.650.850.600.40 表 3 SPSS 25.0 软件方差分析结果R 20.924 方差来源平方和自由度均方F 值显著性 校正模型2.12860.35518.3580.000 截距6.82516.825353.216 1.570 10 -8 浓度0.36530.1226.3050.014 砂灰比1.76330.58830.4124.849 10 -5 误差0.17490.019 总变异9.12816 校正总和2.30215 小于 Fα 0.05,表现出理想显著性特征,且浓度对 应的显著性值大于砂灰比显著性值,说明浓度对强度 的影响更显著。 以砂灰比和充填料浓度为 X 和 Y 轴,28 d 养护强 度为 Z 轴,分别绘制三者间的等高线和 3D 曲线图,如 图 8～9 所示。 由图可知,在不同养护周期内,浓度一 定,砂灰比增大则单轴抗压强度减小；砂灰比一定时, 浓度增大则单轴抗压强度增大。 浓度为 72％、砂灰比 为 8∶1、养护 28 d 时,试件最大强度可达 1.65 MPa。 图 8 28 d 强度与配比因素等高线关系 71第 4 期牛 鹏等 基于双指标响应值法对充填材料理想配比值域研究 ChaoXing 图 9 养护 28 d 强度曲面图 4 双指标配比结果分析 4.1 充填体抗爆振动强度设计 充填体强度设计主要包括自立强度、设备运行强 度、抗爆振动强度等。 一般来讲,抗爆振动强度值大于 自立强度值,而设备运行强度值与设备选用等因素相 关,矿山也时常根据充填体实际强度进行设备选型。 因此,关于强度设计,本文主要分析抗爆振动强度与充 填料配比关系。 采场或矿柱回采爆破后,产生应力波,使得与之相 邻的充填体与围岩界面受到应力波作用。 为确保充填 体安全稳定,需要根据爆破条件设计充填体的抗爆振动 强度值。 根据生产及探矿情况,该金矿对 13、22 号矿体 采用胶结充填法回采保安矿柱矿体。 13 号矿脉群与 22 号矿体在同一构造带内,分布在矿区东南部 140 线至 263 线之间。 控制矿体长 2 200 m,延深 1 030 m,开采 深度 482 m818 标高。 矿体厚度 0.26～8.36 m,平均 厚度 2.48 m,矿体呈大脉状～似层状产出,近东西向展 布,矿体倾向 140～204,平均 183,倾角 45～85,平 均 55,深部有变缓趋势。 矿体密度约为 2.65 g/ cm3, 矿柱回采爆破参数初步设计为炮孔直径 45 mm,孔长 2.0 m；装药长度 1.6 m；采用乳化炸药连续装药；单孔 装药 0.95 kg；设计炮孔与胶结面距离 0.95 m。 由此, 通过类比谦比希西矿体［10］衰减系数K155,α 1.42, 基于一维应力波理论,计算得出爆破地震波质点峰值 振动速度 289.11 m/ s；依据矿体中纵波传播速度 C2 4 171 m/ s,计算出入射波动压力为 3.26 MPa。 入射波垂直胶结面时,产生反射应力和透射应力, 同时透射应力产生动载荷。 假定充填体密度为 1.66 g/ cm3,根据入射波-透射波应力计算公式得到动载荷 强度为 σ透 2γ2C2 γ2C2 γ 1C1 σ入 2 1.66 1995 1.66 1995 2.65 4171 3.26 1.502 MPa 1 式中 γ1 C 1为矿体的波阻抗,gcm 3m/ s；γ 2 C 2 为 充填体的波阻抗,gcm3m/ s。 一般情况下,充填体受到的动载荷加载速率在 102～103MPa/ s 范围内时,其动载荷是静载荷的 2 倍左 右［10］,而爆破振动的加载速率一般都大于 103MPa/ s,单 轴抗压强度实验获得的加载速度远远小于 103MPa/ s, 因此相对可假定其为静载荷。 为确保充填体的稳定 性,设计其单轴抗压强度 σv不低于 0.75 MPa。 基于上述理论推导,结合图8,提取0.75 MPa 等高 线曲线,但并未知曲线数学模型,制约配比值域的确 定。 由此,进行非线性回归分析拟合,得到 0.75 MPa 等高线拟合数学模型如图 10 所示。 尾浆浓度/ 13.6 12.8 12.0 11.2 10.4 9.6 8.8 8.0 66687072 砂灰比 0.75 MPa等高线曲线 拟合曲线 y -133352.86 582.34x - 8.46x2 0.04x3 R2 0.99943 图 10 强度指标为 0.75 MPa 的等高线及其拟合数学模型 强度指标为 0.75 MPa 等高线数学模型的方差分 析结果见表 4。 表 4 强度指标为 0.75 MPa 等高线数学模型方差分析结果 数据来源自由度平方和均方F 值Prop＞F 模型325.663 38.554 458 711.4190 误差150.014 79.819 8110 -4 总和1825.678 0 4.2 充填料浆理想配比值域 根据膏体的塌落度不小于 25 cm 的指标［11］,基于 一维应力波理论得出单轴抗压强度指标不小于 0.75 MPa,绘制理想配比区域如图 11 所示。 图中位于 0.75 MPa 等高线以下的区域强度大于 0.75 MPa,位于塌落 度为25 cm 等高线左侧区域塌落度大于25 cm。 由此, 建立满足抗爆振动强度和流动性双指标的配比值域。 在实际生产中,若尾浆质量浓度在 66％ ～71.66％间波 81矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 动,根据理想配比值域,合理调整胶凝材料的配比参 数,可得到满足生产工艺要求的充填料浆,对现场生产 具备理论指导意义。 尾浆浓度/ 理想配比值域 20 18 16 14 12 10 8 676668697071 71.66 砂灰比 0.75 MPa单轴抗压强度应力等高线 0.75 MPa单轴抗压强度拟合线 25 cm塌落度等高线 y -133352.86 582.34x - 8.46x2 0.04x3 R2 0.99943 图 11 双指标理想配比值域 基于双指标理想配比值域,进行实验验证操作。 通 过图解法在图 11 中任取一点,模仿尾浆浓度波动现象, 进行配料实验。 实验取得值域内随机点 R68.2,8.7, 内涵为尾浆浓度 68.2％,砂灰比 8.7。 然后取 300 g 尾 砂制备成 68.2％尾浆,根据尾砂质量取 34.48 g 胶凝材 料,混合均匀制备胶结充填材料,先后进行塌落度和单 轴强度实验,测得制备尾浆的塌落度为 27.3 mm＞25 mm,满足塌落度要求；将充填材料在温度20 ℃、湿度 大于 90％的养护条件下养护 28 d 测得单轴抗压强度 为 0.89 MPa＞0.75 MPa,满足强度要求。 由此,验证 实验提出的理想配比值域具备工程指导意义。 5 结 论 1 根据塌落度实验等高线云图分析,得出尾浆的 流动性与配合比关系为砂灰比越小,浓度越小,流动 性越好。 2 对配合比与单轴抗压强度数据进行方差分析, 得出该金矿充填骨料料浆浓度较胶凝材料对强度影响 效应更显著的结论。 3 通过对强度为 0.75 MPa 的等高曲线非线性回 归分析,得到其三次方数学模型。 4 考虑塌落度、单轴抗压强度这两个关键评价指 标,得出双指标等高线组成的理想配比值域；并首次提 出双指标理想配比值域法,解决现场充填配料浓度波 动性问题,为现场充填配比操作提供理论指导。 参考文献 ［1］ 刘恒亮,张钦礼,王新民,等. 全尾砂充填体正交-BP 神经网络强 度预测［J］. 金属矿山, 2016143-46. ［2］ 艾纯明,吴爱祥,王洪江,等. 泵送剂改善膏体输送性能及配比优 化［J］. 科技导报, 2015,332260-64. ［3］ 王怀勇,张爱民,贺茂坤. 高硫极细全尾砂充填料配比及输送特性 试验研究［J］. 中国矿山工程, 2014,4361-4. ［4］ 魏晓明,李长洪,张立新,等. 高阶段嗣后胶结充填体配比参数设 计及工程优化［J］. 采矿与安全工程学报, 2017,343580-586. ［5］ 温震江,杨志强,高 谦,等. 金川矿山早强充填胶凝材料配比试 验与优化［J］. 矿冶工程, 2018,38629-32. ［6］ 吴 浩,赵国彦,陈 英. 多目标条件下矿山充填材料配比优化实 验［J］. 哈尔滨工业大学学报, 2017,4911101-108. ［7］ 蒋复量,张 帅,李向阳,等. 基于正交设计的类铀矿岩相似材料 配合比试验研究［J］. 矿冶工程, 2018,38220-24. ［8］ 孟小培,邢振贤,王健健,等. 正交法分析超细砂煤矿充填料配合 比［J］. 低温建筑技术, 2017,3914-5. ［9］ 孙文标,罗传龙. 煤矿充填料浆的配合比研究［J］. 煤矿安全, 2018,49455-57. ［10］ 吴秀良,李国清,沈家华,等. 上向进路低强度膏体充填体强度设 计研究［J］. 中国矿山工程, 2015,4446-10. ［11］ 吴爱祥,王洪江. 金属矿膏体充填理论与技术［M］. 北京科学出 版社, 2015. 引用本文 牛 鹏，王洪江，陈志强. 基于双指标响应值法对充填材料 理想配比值域研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（4）15-19. 上接第 14 页 相对于各风险等级的隶属度更符合工程实际。 结合组 合赋权法,建立了基于有限区间云模型和组合赋权的 预测模型。 实际案例分析表明,该模型具有较高的准 确率和可调整性。 参考文献 ［1］ 崔铁军,马云东. 基于 AHP-云模型的巷道冒顶风险评价［J］. 计 算机应用研究, 2016,33102973-2976. ［2］ 陈建宏,覃曹原,邓东升. 基于 AHP 和物元 TOPSIS 法的层状岩体 巷道冒顶风险评价［J］. 黄金科学技术, 2017,25155-60. ［3］ 李莹莹,叶义成,吕 垒,等. 基于贝叶斯网络的金属矿山冒顶片 帮事故预测评价［J］. 有色金属, 2011,632255-259. ［4］ 杨 洁,王国胤,刘 群,等. 正态云模型研究回顾与展望［J］. 计 算机学报, 2018,413724-744. ［5］ 李德毅,杜 鹉. 不确定性人工智能第 2 版［M］. 北京国防工 业出版社, 2014. ［6］ 张 彪,戴兴国. 基于有限区间云模型和距离判别赋权的岩体质 量分类模型［J］. 水文地质工程地质, 2017,445150-157. ［7］ 邵莲芬,辛酉阳. 基于投影寻踪-正态云模型的某土石坝安全评价［J］. 水电能源科学, 20151281-84. 引用本文 张润来，罗周全. 基于组合赋权与有限区间云模型的巷道冒 顶预测研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（4）11-14. 91第 4 期牛 鹏等 基于双指标响应值法对充填材料理想配比值域研究 ChaoXing