胶结充填材料力学特性影响因素回归分析.pdf

第6 0 卷第4 期 2008 年11 月 有色金属 N o n f e l T O L k M e t a l a V 0 1 ．6 0 ．N O ．4 N o v e m b e r2 008 胶结充填材料力学特性影n 向因素回归分析 邓代强1 ，高永涛1 ，姚中亮2 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 10 0 0 8 3 ； 2 ．长沙矿山研究院，长沙‘4 10 0 12 摘要用回归的方法分析试验数据，研究对充填材料力学性质的影响因素。结果表明，决定充填体强度的主要因素是作为 胶凝材料的水泥。干料中水泥含量从7 ．6 9 ％增加到2 0 ％，对应试件的强度增幅非常大。影响充填体强度的主要因素还有龄期和 质量浓度。同一浓度条件下，龄期对强度具有极大影响。随龄期增加，其强度呈对数形式递增。对于同一龄期的不同浓度试件，随 着浓度的变化强度增幅较为缓慢，3 d 和7 d 龄期试件强度更是如此。抗压强度与单位体积水泥耗量、浓度、龄期、干料中水泥含量 的关系可以用拟合公式表达，拟合公式和实测值能够较好的吻合。 关键词采矿工程；胶结充填；回归分析；充填材料 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4 3 ；T D 8 6 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 1 2 0 0 6 使用选厂全尾砂充填可以可将金属矿山最主要 的固体废弃物深埋于井下，避免排放尾砂时带来的 污染，有利于充分回收地下资源、保护矿区及周边生 态环境、防止采空区塌陷引起的人为地质灾害等环 境问题，还可减少尾矿堆存所占耕地面积、使矿业走 向可持续发展的道路。当采用矿山选厂全尾砂作充 填骨料时必须尽量提高充填料浆浓度，采用活化搅 拌，泵送或自流输送等工艺，将高浓度全尾砂胶结充 填料浆送入采空区，从而形成稳定均质结构的充填 体。对影响充填材料力学性质的各因素进行分析， 掌握充填体力学性能的变化规律，对其进行调节和 控制，有利于降低充填成本、改善充填体性能，从而 达到有效控制地压、保证作业安全、提高井下矿产资 源回收率的目的【卜4 1 。 1单轴压缩试验 将从矿山选厂取回的全尾砂晾干，通过实验测 定，得出尾砂密度、容重、孔隙率、孔隙比等技术指 标，如表1 所示。尾砂化学成分测定见图1 ，粒径分 布规律见图2 。进行粒度和化学成分测定后，根据 骨料粒度特性制作试件，规格为7 ．0 7 c mX7 ．0 7 c m 7 ．0 7 c m ，灰砂比为l 4 ，1 6 ，1 8 ，1 1 2 。水泥为普 通硅酸盐水泥，标号4 2 5 ，分别测定料浆容重和试 块质量。试件成形后拆模，模仿井下条件保湿养护， 龄期为3 ，7 ，2 8 ，6 0 d 。不同灰砂比、质量浓度巴，及 收稿日期2 0 0 6 0 3 0 7 、作者简介邓代强 1 9 7 4 一 ，男．新疆石河子市人，工程师。博士生， 主要从事岩体力学和岩土工程等方面的研究。 不同龄期 d 条件下试块强度％测定结果在6 0 t 普 通建材压力机上进行。 表1 技术指标测定值 T a b l e1 M e a s u r e dp a r a m e t e r so ft e c h n i c 密度／ g 锄‘3 密实容重／ k N m q 松散容重／ k N m o 孔隙率／％ 孔隙比 自然安息角／ ‘ 3 ．0 5 1 ．6 6 1 ．1 7 4 5 ．5 7 0 ．8 3 7 3 8 ．5 螂 扪 套 l 皿 图1 尾砂化学成分含量 F i g ．1 C o n t e n to fc h e m i s t r yc o m p o n e n t 2强度影响因素分析 根据在压力机上进行的无侧限单轴抗压强度试 验测得不同单位体积水泥耗量 因素z 1 、浓度巳 因素z 2 、龄期 因素z 3 及干料中水泥含量 因素 z 。 条件下试块强度d r 。全面分析试验数据的变化 规律，采用数据拟合的方法对试验数据进行回归，拟 万方数据 第4 期邓代强等胶结充填材料力学特性影响因素回归分析1 2 l 合值能较好的与试验测定值吻合，回归分析具有一 定的参考价值。结果如图3 ～图6 所示。 2 ．1 单位体积水泥耗量对强度的影响 从图3 各图可以看出当浓度相同时。各龄期试 件强度均随着单位体积水泥耗量的增长而增长。当 试件在3 d 龄期的水泥耗量均较少时，各浓度试件强 度差异不大，但随着水泥耗量增大，7 ，2 8 ，6 0 d 各浓 度试件的强度差距迅速增大，当每组浓度取最高值 时，其水泥消耗也最多，此时强度最大。采用二次函 数对图3 中实测值进行拟合，拟合函数方程通式为 式 1 ，式中d 为无侧限单轴压缩强度，z ，为单位 体积水泥耗量，a ，b ，c 为试验常数。 罡 蒌 趟 辅 2 ．5 2 墨 1 5 答 0 ．5 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 水泥耗量 k g m 一 浓度相同时各龄期试块强度随水泥耗量变化曲线 6 7 ．5 ％ 水泥耗量 k g m s 浓度相同时各龄期试块强度随水泥耗量变化曲线 7 2 ．5 ％ 翅 扪 容 舡 亡 聪 ／。 ／， ， ， ， ／ ／ ／ ．／ ∥’ ／7 ／ 粒径m m 图2 尾砂粒度组成分布 F i g ．2 F u l lt a i H n g sp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 水泥耗量 k g m 4 浓度相同时各龄期试块强度随水泥耗量变化曲线 7 0 ％ 07 01 4 02 1 02 8 03 5 0 水泥耗量 k g m 4 浓度相同时各龄期试块强度随水泥耗量变化曲线 7 5 ％ 图3强度随单位体积水泥耗量变化曲线 F i g ．3S t r e n g t hc h a n g ew i t hc e m e n tC o r t s L w r l e 盯 a x l 2 b x l c 1 通过回归分析得出各水泥耗量充填体试验常数 a ，b ，C 和相关系数r 的值，如表2 所示。 表2 强度与水泥耗量函数关系 T a b l e2F u n c t i o nr e l a t i o n s h i po fs t r e n g t ha n dc e m e n t 万方数据 1 2 2 有色金属 第6 0 卷 2 ．2 浓度对强度的影响 从图4 各图可看出当配比相同时，各龄期试件 强度均随着浓度的增长而增长。龄期为3 d 和7 d 的 试件，随浓度的增大，其强度缓慢增长，当龄期到达 2 8 d 、6 0 d 时，强度迅猛增长，增幅较3 d 、7 d 龄期大得 多。采用二次函数对图4 中实测值进行拟合，拟合 茁 蒌 魁 矮 5 66 87 0 7 2 ；h7 47 6 浓度 ％ 配比相同时各龄期试块强度随浓度变化曲线 1 - 4 6 87 07 27 4 7 6 函数方程通式为式 2 ，式中盯为无侧限单轴压缩 强度，z 2 为浓度，a ，b ，c 为试验常数。 盯 a x 2 2 b x 2 f 2 通过回归分析得出各水泥耗量充填体试验常数 a ，b ，C 和相关系数r 的值，如表3 所示。 ￡ 蒌 魁 矮 6 87 07 2 7 4 7 6 浓度 ％ 配比相同时各龄期试块强度随浓度变化曲线 1 6 浓度 ％浓度 ％ 配比相同时各龄期试块强度随浓度变化曲线 1 8 配比相同时各龄期试块强度随浓度变化曲线 1 1 2 图4 强度随浓度变化曲线 ’ F i g ．4S t r e n g t hc h a n g ew i t hc o n c e n t r a t i o n 表3 强度与浓度的函数关系 T a b l e3F u n c t i o nr e l a t i o n s h i po fs t r e n g t ha n dc o n c e n t r a t i o n2 ．3 龄期对强度的影响 从图5 各图可以看出当配比相同时，强度均随 着龄期的增长而增长，其中3 d 到7 d 时间段试件强 度增长较慢，当龄期接近2 8 d 时试件强度得到很大 的提高，6 0 d 龄期时强度增长稍微变缓。观察后看 到变化曲线斜率取决于浓度和养护龄期，即养护期 越长、浓度越高其曲线斜率也越大。根据数据变化， 采用对数函数对图5 中实测值进行回归，拟合函数 方程通式为式 3 ，式中盯为无侧限单轴压缩强度， z 3 为龄期，口和b 为试验常数。 d a [ n z 3 b 3 通过回归分析得出各水泥耗量充填体试验常数 a ，b 和相关系数，．的值，如表4 所示。 5 4 3 2 l O 罡善越袋 万方数据 第4 期 邓代强等胶结充填材料力学特性影响因素回归分析 1 2 3 ￡ 罨 魁 疆 0 1 0 2 03 04 0 5 06 0 7 0 龄期 d 配比相同时各浓度试块强度随龄期变化曲线 1 4 4 ．5 3 ．6 正2 ．7 罢 萋1 ．8 0 ．9 0 龄期 d 0l O2 0 3 0 4 05 0 6 0 7 0 龄期 d 配比相同时各浓度试块强度随龄期变化曲线 1 6 0l O2 03 04 05 06 07 0 龄期 d 配比相同时各浓度试块强度随龄期变化曲线 1 8 配比相同时各浓度试块强度随龄期变化曲线 1 1 2 图5 强度随龄期变化曲线 F i g ．5S t r e n g t hc h a n g ew i t hc o - - i v et i m e 表4 抗压强度与龄期的关系 T a b l e4F u n c t i o nr e l a t i o n s h i po fs t r e n g t ha n dc o n s e r v et i m e 2 ．4 干料中水泥含量对强度的影响 干料中水泥含量对强度的影响如图6 所示。由 图6 中各图可看到，龄期相同时，各浓度试件强度均 随水泥含量 配比 的增长而增长，试件在各龄期的 水泥含量均较低时，各浓度试件的强度差距难以拉 开，但当水泥含量逐步增大，试件强度差异也越见显 著。当干料中水泥含量为2 0 ％ 灰砂比为1 4 时这 种差异最为显著。采用对数函数对图6 中实测值进 行回归，拟合函数方程通式为式 4 ，式中d 为无侧 限单轴压缩强度，z 。为干料中水泥含量，口和b 为 试验常数。 仃 a l n x d b 4 通过回归分析得出各水泥耗量充填体试验常数 口与b 和相关系数r 的值，如表5 所示。 表5强度与干料中水泥含量的函数关系 T a b l e5F u n c t i o nr e l a t i o n s h i po fs t r e n g t ha n d Ic e m e n t c o n t e n ti nd r ym i xm a t e r i a l S 4 3 2 l O 定善髓蕊 2 ， “ ％ ∞ o 万方数据 1 2 4有色金属 第6 0 卷 星 蒌 型 啜 千料中水泥含量 ％ 龄期相同时各浓度试块强度随干料中水泥含量的变化曲线 3 d 4 3 ．2 皇2 4 蓑．o 0 ．8 0 l J 干料中水泥含量 ％ 龄期相同时各浓度试块强度随干料中水泥含量的变化曲线 7 d 干料中水泥含量 ％干料中水泥含量 ％ 龄期相同时各浓度试块强度随于料t } J 水泥含量的变化曲线 2 8 d 龄期相同时各浓度试块强度随千料中水泥含量的变化曲线 6 0 d 图6 强度随干料中水泥含量变化曲线 F i g ．6S t r e n g t hc h a n g ew i t hc e m e n tc o n t e n ti nd r ym i xm a t e r i a l 3结语 决定充填体强度的主要因素是作为胶凝材料的 水泥，水泥含量对充填体强度起到主要作用，干料中 水泥含量从7 ．6 9 ％增加到2 0 ％ 即灰砂比1 1 2 ～1 4 其对应试件的强度增幅非常大。影响充填体强 度的主要因素还有龄期和质量浓度。相比较同一浓 度条件下，龄期对强度具有极大影响，从图中看到， 随龄期的增加，其强度呈现出跃进式递增。对于同 一龄期的不同浓度试件，随着浓度的变化强度增幅 参考文献 较为缓慢，3 d 和7 d 龄期试件强度更是如此。 抗压强度与单位体积水泥耗量、浓度、龄期、干 料中水泥含量的关系可以用拟合公式表达，相关系 数r 分别介于0 ．9 3 6 8 ～0 ．9 9 9 9 ，0 ．9 9 2 5 ～0 ．9 9 9 9 ， 0 ．9 4 6 - - 0 ．9 9 7 2 ，0 ．8 8 3 7 ～0 ．9 9 9 6 之间，拟合公式和 实测值能够较好的吻合，各影响因素的相关系数均 达到精度要求，回归分析具有一定的实用性，便于从 理论上对某一种尾砂形成的充填体的强度性能进行 预测和估计，在充填设计或矿柱开采中也可以作为 一定的参考。 [ 1 ] 邓代强，姚中亮，杨耀亮．高浓度水泥一尾砂充填料浆渗透性能研究[ J ] ．有色金属，2 0 0 6 ，5 8 2 8 7 9 0 ． [ 2 ] 邓代强，姚中亮，唐绍辉，等．充填体单轴压缩韧性性能试验研究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 5 ，2 5 5 2 6 3 0 ． [ 3 ] 邓代强，姚中亮，唐绍辉．特大型采场充填体单轴压缩条件下的力学性能[ J ] ．有色金属，2 0 0 7 ，5 9 2 6 6 6 9 ． [ 4 ] 邓代强，姚中亮，杨耀亮．高浓度水泥一尾砂充填料浆沉降性能试验研究[ J ] ．有色金属，2 0 0 6 ，5 8 3 1 1 6 1 1 2 ． 下转第1 3 5 页，C o n t i n u e do nP ．1 3 5 万方数据 第4 期 堕堡三 壁塑塑鎏堡墨翌查塑塑望堡圭竺堕竺墅堕 坐． E f f e c t so fG r o u n dS t e e l ．m a k i n gS l a gA d d i t i o no nP r o p e r t i e so fC e m e n ta n dC o n c r e t e C H E ND e - y u K e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dB u i l d i n gM a t e r i a l s ．S o u t h t v e s tU n i v e r s i t yo f S c i e n c e 口，逸 孔娩加幻秽，M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fg r o u n de l e c t r i cf u r n a c es l a go nc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，p e r m e a b i l i t y ，f r e e z i n g 。t h a w r e 8 1 s t a n c e c a r b o n a t i o nr e s i s t a n c ea n dp o r es t r u c t u r eo ft h ec o n c r e t em a d ef r o mc e m e n ti n c o r p o r a t i n gg r o u n de l e c t r l cf u r n a c e s l a gi si n v e s t i g a t e db yp r o p e r t i e s ．m e a s u r e m e n to fc e m e n ti n c o r p o r a t i n gg r o u n de l e c t r i c f u r n a c es l a g ，m c l u d m g w a t e rd e m a n df b rn o m a lc o n s i s t e n c y ，s e t t i n gt i m e ， f l u i d i t yo fc e m e n tp a s t ea n dn o n 。e v a p o r a b l ew a t e r 上h e r e s u l t ss h o wt h a tt os o m ee x t e n tg r o u n ds t e e ls l a gc a nr e t a r dt h ec e m e n th y d r a t i o na n d I te a Rr a l s et h eI o n g e 。 s e t t i n gt i m eo ft h ec e m e n t ．I th a sa ne x c e l l e n tw a t e rr e d u c i n ga n dt h eb e t t e ra d a p t a b i l i t yw i t hw a t e rr e d u c e r ’ a n di n c o r p o r a t i n gs u i t a b l ea m o u n to fg r o u n de l e c t r i cf u r n a c es l a g c a ni m p r o v et h ec o m p r e s s l V eS t r e n g t ha n d d u r a b i l i t y ．W h e ng r o u n de l e c t r i cf u r n a c es l a gw i t hg r o u n df l ya s ho rb l a s tf u r n a c es l a g a r ea d d e di n t oc o n c r e t e t o g e t h e r ．t h ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ec a nb ei m p r o v e df u r t h e rd u et ot h es y n e r 9 1 s t l c e i t e C t 。 K e y w o r d s g r o u n de l e c t r i cf u r n a c es l a g ；m i n e r a lp o w e r ；c o n c r e t e ；p r o p e r t y ⋯ ‘．．⋯一～一⋯ M M ～、，”～v ～v n ～ ，” V ” ～n ，u ～～ 上接第1 2 4 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 2 4 I n f l u e n c i n gF a c t o rR e g r e s s i o nA n a l y s i so nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fB a c k f i l lM a t e r i a l D E N G 肪芦和馏1 ，G A OY o n g - t a 0 1 ，Y A OZ h o n g - l i a n 9 2 1 ．C i v i la ，l dE n v i r o 孔m e n t a lE n g i n e e r i n gS c h o o l ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 聊i 粥，B e q i ，z g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．C h 口n g s h aI n s t i t “t eo fM i n i n gR e s e a r c h ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i ，1 4 A b s t r a c t T h ei n f e c t i o nf a c t o r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h eb a c k f i l l i n gb o d ya r ei n v e s t i g a t e db yu s eo f t h e r e g r e S s i o nm e t h o dt oc o o r d i n a t e dt e s td a t a ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a t t h ec e m e n ti sm a i ni n f e c t i o nf a c t o r st o s t r e n g t ho fb a c k f i l l i n gb o d y ．T h es t r e n g t hi sg r e a t l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec e m e n t c o n t e n t1 nd r ym l x m a t e r i a lf r o m7 ．6 9 ％t o2 0 ％．C o n s e r v et i m ea n ds o l i dc o n t e n ta r ea l s om a i ni n f e c t i o n f a c t o r st os t r e n g t ho f b a c k f i l l i n gb o d y ．F b rt h es a m eS o l i dc o n t e n t ，t h ee f f e c t o ft h ec o n s e r v et i m eo ns t r e n g t ho fb a c k f i l l i n gb o d yI S s e r i o u s l y ，t h es t r e n g t hi si n c r e a s e dw i t hc o n s e r v et i m ei nl o g a r i t h m i cs c a l e ． F o rt h es a m ec o n s e r v et i m e ，t h e s t r e n g t ho ft h es a m p l ei si n c r e a s e ds l o w l yw i t hi n ．c r e a s e o ft h es o l i dc o n t e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h ec o n s e r v et l m e b e t w e e n3 da n d7 d ．S i m u l a t i o nf o r m u l a sc o u l de x p r e s st h er e l a t i o nb e t w e e nc o m p r e s s t o na n dc e m e n tc o n s u m e ， s o l i dc o n t e n t 。 c o n s e r v et i m e ，c e m 豇l tc o n t e n ti nd r ym i xm a t e r i a lp r e f e r a b l y ， a n ds i m u l a t i o nv a l u e sc o u l d i n o s c u l a t et h ef a c t u a lv a l u e s ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；c e m e n tb a c k f i l l ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；b a c k f i l lm a t e r i a l ■ 万方数据