陳 杰，楊志強(qiáng)，，高 謙，陳得信

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083; 2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737100)

銅渣-棒磨砂混合充填料的膠砂配比試驗(yàn)研究

陳 杰1，楊志強(qiáng)1，2，高 謙1，陳得信2

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083; 2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737100)

水泥作為一種常用的充填膠凝材料，可以與廢石、尾砂等作用生成強(qiáng)度較高的充填材料。水淬銅渣作為金川集團(tuán)的冶煉廢渣，堆積排放既污染環(huán)境又會造成礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)。如果銅渣可以代替棒磨砂在水泥作用下生成性能穩(wěn)定的充填材料，將是實(shí)現(xiàn)銅渣再利用的一個經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的發(fā)展方向。針對銅渣代替棒磨砂作為充填材料進(jìn)行充填體力學(xué)試驗(yàn)，研究不同配比條件下的充填力學(xué)特性以及早強(qiáng)劑對充填體強(qiáng)度的作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻加適量的早強(qiáng)劑，銅渣尾砂摻入量為15%時，充填體3 d、7 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到1.5 MPa、2.5 MPa以上，滿足金川礦山充填法采礦對早期強(qiáng)度的要求。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果使用Matlab軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，對不同充填材料配比的充填體強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果顯示，優(yōu)化早強(qiáng)劑的配比，可以使銅渣的摻量提高到20%，從而進(jìn)一步提高銅渣的利用率。

水泥;銅渣;早強(qiáng)劑;充填體強(qiáng)度;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

近年來，世界銅產(chǎn)量迅速增長，我國的銅產(chǎn)量已超越智利躍居世界第一。作為世界性的產(chǎn)銅大國，我國銅礦的冶煉工藝90%以上都為火法冶煉，可見火法冶煉占我國冶金行業(yè)的主導(dǎo)地位。銅礦石經(jīng)過提煉后的熔融態(tài)煉銅爐渣在爐后水淬池中經(jīng)過水淬工藝生成玻璃質(zhì)材料水淬渣。水淬渣的堆積排放不僅占用大量土地，同時還對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定影響［1－2］。針對這一問題，目前世界對銅渣的處理途徑分為回收再利用和開發(fā)新用途兩大類。對礦渣的回收再利用主要指使用電爐貧化或爐渣選礦工藝對銅渣中的銅、鈷、鋅、鐵等金屬的回收利用;對銅渣新用途的開發(fā)主要指根據(jù)銅渣的物理化學(xué)性能，用在其他的領(lǐng)域中，避免資源的浪費(fèi)。當(dāng)前主要的新用途有:利用銅渣的潛在活性作為礦化劑，生產(chǎn)銅渣水泥;以煉銅水淬渣為骨料，混合水泥一起使用，壓制成自重輕、保溫隔熱、抗?jié)B的渣磚和隔熱板等建筑材料;還可以用于開發(fā)防護(hù)劑應(yīng)用于建筑的防腐除銹領(lǐng)域等［3］。

針對金川礦山采用的下向分層充填工藝早期強(qiáng)度要求高以及冶煉銅渣堆積處理的現(xiàn)狀，本文結(jié)合銅渣的物化特性，進(jìn)行銅渣-棒磨砂混合充填材料的充填材料配比試驗(yàn)研究。以水泥作為膠凝材料，通過試驗(yàn)研究將銅渣摻入棒磨砂對充填體強(qiáng)度的影響、早強(qiáng)劑對銅渣摻量的影響。試驗(yàn)表明，早強(qiáng)劑作用下銅渣-棒磨砂充填體強(qiáng)度可以達(dá)到棒磨砂充填體的強(qiáng)度水平甚至更高。銅渣在膠結(jié)充填工藝中的應(yīng)用有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少土地資源浪費(fèi)和實(shí)現(xiàn)資源再利用，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益的和諧發(fā)展。

1 試驗(yàn)材料物化特性

1.1 銅渣

金川銅礦冶煉爐渣的主要成分是FeO和SiO2，次要成分是CaO、MgO、Fe3O4、Al2O3、Cu2S、FeS等。不同的企業(yè)產(chǎn)生的銅渣中SiO2、CaO、MgO、Al2O3的含量根據(jù)礦石的品質(zhì)和冶煉工藝水平會有不同的差異。金川銅渣的化學(xué)成分見表1。將金川銅渣作為膠結(jié)劑使用還是作為充填骨料使用，需要對其礦渣質(zhì)量進(jìn)行評定。根據(jù)冶煉爐渣質(zhì)量評定方法的相關(guān)規(guī)定:

表1 水淬銅渣主要化學(xué)成分 /%Table 1 Chemical compositions of water quenching copper slag

1)礦渣的堿性系數(shù)M0根據(jù)其氧化物的比例來計(jì)算:

當(dāng)M0＞1稱為堿性礦渣;當(dāng)M0=1稱為中性礦渣;當(dāng)M0＜1稱為酸性礦渣。

2)礦渣的質(zhì)量系數(shù)K的計(jì)算公式為:

3)礦渣的活性系數(shù)表達(dá)式如下:

金川公司冶煉銅渣的堿性系數(shù)為0.11，其值小于1.0，為酸性渣;根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB203《用于水泥中?；郀t礦渣》的規(guī)定質(zhì)量系數(shù)K不應(yīng)小于1.2，K值越大，礦渣質(zhì)量越好，而金川銅渣質(zhì)量系數(shù)為0.11，渣中氧化鈣含量低，基本無活性。因此，基于金川銅渣開發(fā)新型充填膠凝材料的可能性不大，但可以用作充填骨料。金川水淬銅渣的顆粒較粗，顆粒級配不符合國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ52-92普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法中對砂的級配要求，但原狀銅渣顆粒內(nèi)存在不少裂紋，在攪拌過程中，銅渣顆粒極易與石子互相碰撞破碎變細(xì)，隨攪拌時間越長破碎效果越好，所以與棒磨砂混合使用可以調(diào)整充填物料的平均粒徑與級配［4－6］。

1.2 棒磨砂

采用金川公司級配為－5 mm的棒磨砂，針對金川龍首礦的充填工藝，在現(xiàn)場進(jìn)行棒磨砂取樣。對棒磨砂進(jìn)行化學(xué)成分分析及級配分析，結(jié)果見表2和表3。

表2 棒磨砂的化學(xué)成分 /%Table 2 Chemical compositions of rod-mill tailings

1.3 水泥

水泥是銅渣-棒磨砂膠凝充填材料的膠結(jié)材料，試驗(yàn)選用鉆牌32.5R復(fù)合硅酸鹽早強(qiáng)水泥。水泥的凝結(jié)和硬化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。硅酸鹽水泥熟料主要是由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣四種礦物組成。水泥熟料礦物遇水后會發(fā)生水化反應(yīng)而形成水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物按照一定的方式靠多種引力相互搭接和聯(lián)結(jié)形成水泥石的結(jié)構(gòu)從而產(chǎn)生強(qiáng)度。在水泥的初始凝結(jié)狀態(tài)，鋁酸三鈣和硅酸三鈣最先開始發(fā)生水化反應(yīng)，并且生成難溶于水的硫鋁酸鈣晶體即鈣礬石。鈣礬石存在于水泥表面，減緩水泥的水化反應(yīng)，避免水泥的閃凝現(xiàn)象，可以使充填骨料與水泥緩慢均勻地膠結(jié)在一起，使充填體產(chǎn)生一定的早期強(qiáng)度。而硅酸二鈣水化反應(yīng)的速度慢，在充填骨料膠結(jié)在一起后，使充填體的強(qiáng)度繼續(xù)提升［7］。

1.4 早強(qiáng)劑

1)芒硝。工業(yè)Na2SO4，I類一等品，Na2SO4≥99.0，密度1.49 g/cm3，白色細(xì)顆粒結(jié)晶或粉末，有吸濕性，易溶于水。作為常用的硫酸鹽類早強(qiáng)劑，能增加水泥液相的離子強(qiáng)度，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多的鈣礬石，促進(jìn)充填體早期強(qiáng)度的增長。

2)亞硫酸鈉。金川公司生產(chǎn)的無水亞硫酸鈉，主要成分Na2SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%。亞硫酸鈉的早強(qiáng)機(jī)理是SO32－與Ca2+反應(yīng)產(chǎn)生CaSO3，CaSO3極易被氧化為CaSO4，CaSO4繼續(xù)與水泥中的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

3)氯化鈣。無色立方結(jié)晶體，白色或灰白色，粉末狀。吸濕性極強(qiáng)，暴露于空氣中極易潮解。易溶于水，同時放出大量的熱，其水溶液呈微堿性。氯化鈣能加速水泥中鋁酸三鈣、硅酸三鈣的水化，有利于水泥石結(jié)構(gòu)的形成［8－9］。

表3 金川礦山－5 mm棒磨砂粒徑分布Table 3 Particle size distribution of－5 mm rod-mill tailings in Jinchuan Mine

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

本試驗(yàn)采用的料漿濃度為78%，灰砂比為1∶4。在膠凝材料中，采用水泥膠凝劑，摻加芒硝、亞硫酸鈉、氯化鈣復(fù)合外加劑進(jìn)行配比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表4。

表4 銅渣-棒磨砂充填材料試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Test scheme and results of copper slag-rod-mill tailings backfilling material

試驗(yàn)的具體操作為將水泥、早強(qiáng)劑、銅渣、棒磨砂、水按照試驗(yàn)方案用量進(jìn)行稱量，放入膠砂攪拌機(jī)攪拌180 s制成膠砂，之后倒入三聯(lián)裝試模中，制成尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的試塊，然后立即用振實(shí)臺進(jìn)行振實(shí)成型。將做好編號的試模放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48 h，養(yǎng)護(hù)環(huán)境設(shè)定為溫度20±1℃、濕度不低于90%。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行脫模，脫模后將試塊繼續(xù)放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，直至達(dá)到養(yǎng)護(hù)期齡(3 d和7 d)，在數(shù)顯位移壓力機(jī)上分別測試試塊各個齡期的抗壓強(qiáng)度，每一組試驗(yàn)會得到三組數(shù)據(jù)，根據(jù)水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［10－11］。

3 數(shù)據(jù)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)無早強(qiáng)劑作用下，銅渣的摻合量達(dá)到5%時，充填體的3 d、7 d強(qiáng)度均達(dá)到下向分層充填的充填體強(qiáng)度要求;當(dāng)銅渣摻合量在10%時，7 d強(qiáng)度可以達(dá)到2.73 MPa，3 d強(qiáng)度不足1.5 MPa。加入芒硝后，可以使銅渣摻量達(dá)到10%，充填體強(qiáng)度達(dá)到2 MPa以上。

2)在早強(qiáng)劑的作用下，銅渣摻量可以提升為15%，此時，充填體3 d強(qiáng)度達(dá)到1.6 MPa，7 d強(qiáng)度可以達(dá)到3 MPa。隨著銅渣摻合量的增加，充填體3 d強(qiáng)度普遍低于1 MPa，早強(qiáng)劑的作用減弱，但對于7 d的強(qiáng)度仍有提高的作用。適當(dāng)調(diào)節(jié)早強(qiáng)劑中各材料的含量，對于充填體強(qiáng)度的提高仍有作用。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，進(jìn)行模擬預(yù)測。本研究重點(diǎn)研究銅渣摻合量、早強(qiáng)劑配比對充填體強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測了27組銅渣用量、早強(qiáng)劑配比不同條件下的充填體3 d、7 d單軸抗壓強(qiáng)度值。選取27組數(shù)據(jù)的前24組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其余3組作為測試樣本。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)誤差選取0.0001，網(wǎng)絡(luò)允許訓(xùn)練次數(shù)為1 000。為了使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練一開始就給各輸入分量以同等重要的地位，加快網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和計(jì)算收斂效率，在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練之前，所有樣本數(shù)據(jù)，包括輸入和輸出數(shù)據(jù)歸一化至［0，1］，使不同物理量的數(shù)據(jù)具有平等地位，消除奇異樣本數(shù)據(jù)［12］。

根據(jù)Kolmogorov定理，3層前向網(wǎng)絡(luò)可以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)，所以確定網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)為3層。第1層為輸入層，因?yàn)楸狙芯恐饕治?個因素對充填體強(qiáng)度的影響，所以輸入層為4個神經(jīng)元，分別代表銅渣和芒硝、亞硫酸鈉、氯化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第2層為隱含層，隱含層神經(jīng)元個數(shù)的選取對網(wǎng)絡(luò)非常重要，若神經(jīng)元數(shù)設(shè)置太多，則浪費(fèi)計(jì)算時間，使網(wǎng)絡(luò)失去概括判斷能力，且對提高精度無突出貢獻(xiàn);若神經(jīng)元數(shù)設(shè)置太少，則網(wǎng)絡(luò)求解問題精度提高慢，易產(chǎn)生誤差率波動。綜合考慮，隱含層神經(jīng)元數(shù)選取7時，網(wǎng)絡(luò)的性能最好，所以預(yù)測模型的隱含層神經(jīng)元數(shù)選為7。第3層為輸出層，本研究是預(yù)測充填體7 d的單軸抗壓強(qiáng)度，所以輸出層選取1個神經(jīng)元，代表充填體的單軸抗壓強(qiáng)度［13－15］。

圖1 測試樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果分析圖Fig.1 Analysis results of network training for test samples

根據(jù)已確定的網(wǎng)絡(luò)模擬參數(shù)，建立充填體強(qiáng)度7 d的模型。為了檢驗(yàn)BP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能，繪制了測試樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果分析圖，如圖1所示。本預(yù)測得到的相關(guān)系數(shù)R=0.993 49，說明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對充填體強(qiáng)度有較好的解釋，可以用于充填體的強(qiáng)度預(yù)測，并且預(yù)測精度高。在已建模型的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)各變量的取值進(jìn)行模擬預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果選取結(jié)果較好的方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)測結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果見表5。

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測之后，銅渣摻量為20%時預(yù)測的充填體7 d強(qiáng)度為3.69 MPa，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證強(qiáng)度達(dá)到3 MPa＞2.5 MPa，可以滿足金川集團(tuán)采礦工藝對早期強(qiáng)度的要求;當(dāng)銅渣摻量繼續(xù)增大，試驗(yàn)強(qiáng)度與預(yù)測強(qiáng)度的差距也變大。誤差出現(xiàn)的原因在于銅渣摻量的增加對充填骨料顆粒級配的改變，這成為另一個對充填體強(qiáng)度產(chǎn)生影響的因素。雖然試驗(yàn)強(qiáng)度值沒有達(dá)到預(yù)測強(qiáng)度值，但對于試驗(yàn)的指導(dǎo)和設(shè)計(jì)具有積極的意義，可以在此基礎(chǔ)上對建立的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。

表5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果Table 5 The prediction results of neural network

4 結(jié)論

1)以銅渣作為充填骨料加入在水泥膠凝材料中，銅渣的摻合量最高達(dá)到10%;在早強(qiáng)劑作用下，銅渣的摻合量可以提高到15%，此時充填體3 d、7 d的強(qiáng)度可以達(dá)到1.5 MPa、2.5 MPa以上，這個結(jié)果可以滿足金川公司礦山下向分層充填工藝的充填體強(qiáng)度要求。

2)早強(qiáng)劑對充填體強(qiáng)度的提高具有明顯的作用，單純以棒磨砂為充填骨料，水泥為膠凝材料，充填體的7 d強(qiáng)度為1.5 MPa。通過試驗(yàn)觀察得知，早強(qiáng)劑中芒硝的百分比為2%～3%、亞硫酸鈉的百分比為0.5%～1.5%、氯化鈣的百分比為0.5%～1%時，效果較好，超過這個范圍，隨著用量的增加，強(qiáng)度反而會降低。

3)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立充填體強(qiáng)度的預(yù)測模型。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的指導(dǎo)下，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了銅渣摻合量提升至20%的可行性，隨著銅渣用量的增加，預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了一定的誤差，但該模型具有自動學(xué)習(xí)和高精度預(yù)測的功能，進(jìn)行一定的改進(jìn)可以為后續(xù)試驗(yàn)的開展提供指導(dǎo)。

［1］李磊，王華，胡建杭，等.銅渣綜合利用的研究進(jìn)展［J］.冶金能源，2009，28(1):44－48.

［2］劉 綱，朱 榮.當(dāng)前我國銅渣資源利用現(xiàn)狀［J］.礦冶，2008，17(3):59－63.

［3］張雅娟.水淬銅渣代砂在建筑工程中的應(yīng)用［J］.廣西水利水電，2004(4):22－24.

［4］趙 凱，程相利，齊淵洪，等.水淬銅渣的礦物學(xué)特征及其鐵硅分離［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2012，12(1):38－43.

［5］楊志強(qiáng)，肖柏林，高 謙，等.基于金川棒磨砂充填料開發(fā)新型充填膠凝材料的試驗(yàn)研究［J］.有色金屬(礦山部分)，2014，66(5):65－68.

［6］田立鵬，楊志強(qiáng)，高 謙，等.金川全尾砂新型充填膠凝材料激發(fā)劑配比與力學(xué)特性研究［J］.有色金屬(礦山部分)，2014，66(5):74－78.

［7］李林香，謝永江，馮仲偉，等.水泥水化機(jī)理及其研究［J］.混凝土，2011(6):76－80.

［8］陳 琴，萬慧文，謝春磊，等.含早強(qiáng)劑的礦物摻合料在水泥體系中的作用機(jī)理研究［J］.混凝土，2010(9):55－59.

［9］石運(yùn)中，王琦，田陸飛，等.新型復(fù)合高效早強(qiáng)劑的研制［J］.商品混凝土，2010(8):45－50.

［10］杜聚強(qiáng)，高謙，南世卿，等.一種全尾砂充填新型膠凝材料的研制［J］.金屬礦山，2012(5):152－155.

［11］李茂輝，高謙，王有團(tuán)，等.司家營鐵礦充填用新型膠凝材料制備中間試驗(yàn)［J］.金屬礦山，2013(8):153－156.

［12］柳小桐.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層數(shù)據(jù)歸一化研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2010(3):122－126.

［13］魏微，高謙.改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測充填體強(qiáng)度［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45(6):90－95.

［14］CHANG Q L，ZHOU H Q，HOU C J.Using particle swarm optimization algorithm in an artificial neural network to forecast the strength of paste filling material［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2008，18(4):551－555.

［15］YAO X.Evolutionary artificial neural networks［J］.International Journal of Neural Systems，1993，9(3):203－222.

Experimental study on cement-sand ratio of copper slag-rod-mill tailings backfilling materials

CHEN Jie1，YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1，CHEN Dexin2
(1.Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mine，Ministry of Education，USTB，Beijing 100083，China;2.Jinchuan Group Co.，Ltd.，Jinchang Gansu 737100，China)

Cement is a kind of common cement backfilling material，which can produce reliable strength backfilling body with waste rock，tailings etc.As smelting slag of Jinchuan，water quenching copper slag is piled up and discharged that will pollute the environment and cause the waste of mineral resources.If the copper slag can replace rod-mill tailings for mine filling，that generates stable performance cementations filling material，will be the development direction of an economic，environmental to achieve the reuse of copper slag.In the test，the copper slag is tested to instead of rod-mill tailings for filling materials，study on the mechanical properties of backfilling body in different mix ratio and improvement of early strength agent to backfilling body.The test results show that，when incorporation of copper slag reach 15%under the action of early strength agent，3 days、7 days compressive strength of the backfilling body can reach more than 1.5 MPa、2.5 MPa，contenting the requirement of the current mine filling.Using Matlab software to establish the BP neural network model combining with experimental results，the simulation prediction and experiment results show that，changing the ratio of early strength agent can increase the dosage of copper slag to 20%，further improve the utilization rate of copper slag.

cement;copper slag;early strength agent;strength of backfilling body;neural network prediction

TD862;TD853.34

Α

1671-4172(2015)01-0054-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB731500)

陳杰(1989－)，男，碩士，巖土工程專業(yè)，主要從事金屬礦山充填采礦技術(shù)與新型膠凝材料開發(fā)研究。

高謙(1956－)，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.013