黃篤學(xué) 溫震江 高 謙 胡亞軍 涂光富

（1.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，河北唐山063000；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083）

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，又不可避免地造成了環(huán)境污染和安全隱患［1］。礦山行業(yè)在所有行業(yè)中是排放固體廢棄物最多的行業(yè)，這其中選礦尾砂是礦山固體廢棄物中最為主要的組成部分［2-3］。隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，大量尾砂的地表堆存和地下采空區(qū)的存在和不斷增加而引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)破壞和安全問(wèn)題已成為不可忽視的重大社會(huì)問(wèn)題［4］，尤其是近年來(lái)對(duì)環(huán)境保護(hù)以及安全生產(chǎn)要求的提高，充填法采礦被廣泛應(yīng)用［5-6］。河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司所屬的鐵礦大多為貧鐵礦，礦體埋藏深、礦巖穩(wěn)定性差，由此給資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)安全、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益等諸多問(wèn)題，因此均采用膠結(jié)充填法進(jìn)行開(kāi)采。但是充填法采礦不僅采礦工藝復(fù)雜，生產(chǎn)能力低，而且充填采礦成本高，直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，其中膠凝材料成本占充填成本的70%左右，因此開(kāi)發(fā)低成本高性能的充填膠凝材料是降低充填成本的重要途徑［7］。為了降低充填成本，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā)及配比優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，其中高謙等［8-9］利用礦渣工業(yè)冶金渣分別開(kāi)發(fā)適用于尾砂及粗骨料的“固結(jié)粉”膠凝材料；董越等［10］利用鋼渣開(kāi)發(fā)新型膠凝材料替代水泥；祝麗萍等［11-12］以赤泥為主要原料開(kāi)發(fā)新型膠凝材料制備膏體充填料漿；常曉娜等［13-14］研究了粉煤灰膠結(jié)性能，并以此開(kāi)發(fā)膠凝材料；除此之外，肖柏林等［15］利用磷石膏制備充填膠凝材料并配比進(jìn)行優(yōu)化；張欽禮等［16-17］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)充填料配比進(jìn)行優(yōu)化研究。在此基礎(chǔ)上，本研究利用礦渣、脫硫石膏等工業(yè)固廢開(kāi)發(fā)新型膠凝材料，并且在滿足礦山充填要求的前提下，為進(jìn)一步降低充填成本對(duì)配比進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料物化特性

1.1 全尾砂

司家營(yíng)鐵礦南區(qū)階段嗣后充填法采礦采用全尾砂作為充填骨料。為了針對(duì)全尾砂的特性，研究開(kāi)發(fā)與之相適應(yīng)的新型充填膠凝材料，首先需要對(duì)其進(jìn)行物化分析及粒徑級(jí)配分析，其化學(xué)成分如如表1所示?？梢钥闯鋈采爸袔缀鯚o(wú)膠結(jié)活性的SiO2含量接近70%，并且測(cè)得其密度為2.38 t/m3、滲透系數(shù)為2.305×10-5cm/s。其粒徑分析結(jié)果如圖1所示，并且計(jì)算得到特征粒徑值，如表2所示，可以看出其特征粒徑 d10、d30、d50、d60、d90分別為 6.16、19.52、42.2、46.2、53.8 μm，不均勻系數(shù)為 7.5＞5，曲率系數(shù)為1.34，介于1～3之間，表明全尾砂屬于良好的連續(xù)性級(jí)配，滿足作為充填骨料的基本要求。

1.2 礦渣基膠凝材料

1.2.1 礦渣

新型膠凝材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的基礎(chǔ)是材料來(lái)源廣、運(yùn)輸成本低，并能夠滿足司家營(yíng)鐵礦南區(qū)的超大規(guī)模充填采場(chǎng)的需要，唐山唐龍新型建材有限公司以唐鋼礦渣為原料每年可生產(chǎn)出190萬(wàn)t的渣粉，因此，以唐龍公司生產(chǎn)的水淬渣粉作為主要原料，開(kāi)發(fā)新型充填膠結(jié)材料。為了開(kāi)發(fā)以唐鋼高爐水淬渣作為主要原料的新型膠凝材料，首先分析水淬渣的物化特性，其化學(xué)成分如表3所示，并由此計(jì)算礦渣的活性系數(shù)Ma、堿度系數(shù)M0及質(zhì)量系數(shù)K分別為1.14、0.973和1.91，可以看出其為活性較高的酸性礦渣；礦渣微粉粒徑分布如圖2所示，其細(xì)度（45 μm篩余）為9.48%。

注：不均勻系數(shù)=d60/d10，曲率系數(shù)=/（d60d10）。

1.2.1 激發(fā)劑材料

激發(fā)劑材料的選擇原則是材料來(lái)源廣，并且性價(jià)比高。尤其考慮激發(fā)劑的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，根據(jù)激發(fā)劑材料前期的探索性試驗(yàn)，主要選擇生石灰、脫硫石膏及熟料作為激發(fā)劑材料，其中生石灰取自灤縣普通建筑用生石灰，脫硫石膏取自唐山發(fā)電廠脫硫工業(yè)副產(chǎn)品，熟料采用冀東水泥廠的熟料。其主要化學(xué)組成如表3所示，并進(jìn)行粒徑級(jí)配分析，得出生石灰、脫硫石膏及熟料細(xì)度分別為10.12%、10.36%和12.04%。

2 礦渣基膠凝材料配比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)前期探索性試驗(yàn)，確定生石灰摻量6%～10%、脫硫石膏和熟料摻量均為2%～6%，以此配比設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，并按照膠砂比1∶6、料漿質(zhì)量濃度68%制備充填料漿，澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三連模中，脫模后放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表4所示，并對(duì)配比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯龈骷ぐl(fā)劑對(duì)7 d和28 d強(qiáng)度的影響權(quán)重并不相同，其中對(duì)于7 d強(qiáng)度的影響順序?yàn)槊摿蚴啵旧遥臼炝希鴮?duì)28 d強(qiáng)度的影響順序?yàn)樯遥久摿蚴啵臼炝?，可?jiàn)脫硫石膏對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，而生石灰對(duì)后期強(qiáng)度影響較大。并且7 d和28 d強(qiáng)度均隨著生石灰及脫硫石膏摻量的增加而逐漸減??；確定最優(yōu)配比為生石灰6%、脫硫石膏2%、熟料4%和礦渣微粉88%。并以此進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到7 d和28 d強(qiáng)度分別為1.62 MPa和3.66 MPa，滿足礦山7 d強(qiáng)度＞1 MPa和28 d強(qiáng)度＞2 MPa的強(qiáng)度要求。

注：收斂率表示因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)率。

3 礦渣基膠凝材料膠砂強(qiáng)度及料漿工作特性試驗(yàn)

根據(jù)前期配比試驗(yàn)確定的礦渣膠凝材料替代水泥，為了實(shí)際應(yīng)用于礦山，針對(duì)礦山的充填實(shí)際情況，需要進(jìn)行多濃度多膠砂比的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，并且測(cè)定料漿工作特性，在滿足充填強(qiáng)度及料漿工作特性的前提下，優(yōu)化充填料漿配比，以期進(jìn)一步降低充填成本。

3.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)前期探索性試驗(yàn)，確定膠砂試驗(yàn)質(zhì)量濃度66%～72%、膠砂比 1∶5～1∶10，按照《GB/T17671-1999》和《GB/T2419-2005》分別進(jìn)行膠砂強(qiáng)度和料漿工作特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 料漿濃度及膠砂比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖3所示，可以看出：各膠砂比條件下，7 d和28 d強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量濃度的提高而增大，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提高到72%，7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了67.9%和49.0%，在相同濃度條件下，7 d和28 d強(qiáng)度均隨著膠砂比的提高逐漸增大，以濃度70%為例，膠砂比從1∶10提高到1∶5時(shí)，7 d和28 d強(qiáng)度分別增大了130%和62%；在相同膠砂比條件下，料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著料漿質(zhì)量濃度的增大而逐漸降低，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提供的72%，料漿坍落度、泌水率及分層度分別降低了6.4%、66.7%和27.3%，并且在相同濃度條件下，料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著膠砂比的降低而逐漸增大，以濃度70%為例，膠砂比從1∶5降低到1∶10時(shí)，料漿坍落度、泌水率及分層度分別增大2.4%、48%和35.3%。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

根據(jù)表6膠砂強(qiáng)度及料漿工作特性試驗(yàn)結(jié)果，以此為樣本，采用DPS軟件中的二次多項(xiàng)式逐步回歸對(duì)充填體7 d、28 d強(qiáng)度及包括坍落度、泌水率和分層度在內(nèi)的料漿工作特性進(jìn)行回歸分析，分別獲得各自的回歸函數(shù)：

式中，R7d為7 d抗壓強(qiáng)度，MPa；R28d為28 d抗壓強(qiáng)度，MPa；T為料漿坍落度，cm；M為料漿泌水率，%；F為料漿分層度，cm；x1為料漿膠砂比；x2為料漿質(zhì)量濃度，%。

4 充填料漿配比優(yōu)化

根據(jù)礦山實(shí)際充填試驗(yàn)，在滿足礦山充填強(qiáng)度及料漿工作特性要求的前提下，盡可能地降低充填成本，以期獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。因此，以單位充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以礦山對(duì)強(qiáng)度和料漿工作特性的要求為約束條件，具體構(gòu)造如下優(yōu)化函數(shù)：

式中，c1為單位充填礦渣膠凝材料用量，kg/m3；c2為單位充填工業(yè)用水用量，kg/m3；c3為單位充填尾砂用量，kg/m3。參數(shù)x1、x2、c1、c2和c3滿足：

利用MATLAB非線性優(yōu)化模型，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按上述建模并分析，得到滿足充填強(qiáng)度及料漿工作特性要求的最低成本方案，即：采用礦渣基膠凝材料、膠砂比為1∶8、料漿濃度為70%，此方案下充填材料成本為112元/m3。并以此方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖4所示，得到7 d、28 d強(qiáng)度、坍落度、泌水率和分層度分別為1.46 MPa、2.23 MPa、25.3 cm、2.4%和3.52 cm。

5 結(jié)論

（1）對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行物化分析，可以看出：全尾砂中SiO2含量接近70%、密度為2.38 t/m3，粒徑級(jí)配分析可以得到特征粒徑 d10、d30、d50、d60、d90分別為6.16、19.52、42.2、46.2、53.8 μm，不均勻系數(shù)為 7.5＞5，曲率系數(shù)為1.34（介于1～3之間），表明全尾砂屬于良好的連續(xù)性級(jí)配；礦渣的活性系數(shù)、堿度系數(shù)及質(zhì)量系數(shù)分別為1.14、0.973和1.91，可以看出其為活性較高的酸性礦渣；并且測(cè)定礦渣微粉、生石灰、脫硫石膏和熟料細(xì)度分別為9.48%、10.12%、10.36%和12.04%。

（2）根據(jù)礦渣基膠凝材料正交試驗(yàn)及極差分析結(jié)果可以看出：各激發(fā)劑對(duì)7 d和28 d強(qiáng)度的影響權(quán)重并不相同，其中對(duì)于7 d強(qiáng)度的影響順序?yàn)槊摿蚴啵旧遥臼炝?，而?duì)28 d強(qiáng)度的影響順序?yàn)樯遥久摿蚴啵臼炝希梢?jiàn)脫硫石膏對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，而生石灰對(duì)后期強(qiáng)度影響較大；并且7 d和28 d強(qiáng)度均隨著生石灰及脫硫石膏摻量的增加而逐漸減?。淮_定最優(yōu)配比為生石灰6%、脫硫石膏2%、熟料4%和礦渣微粉88%。并以此進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到7 d和28 d強(qiáng)度分別為1.62 MPa和3.66 MPa，滿足礦山要求。

（3）根據(jù)充填體膠砂強(qiáng)度及料漿工作特性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：各膠砂比條件下，7 d和28 d強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量濃度的提高而增大，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提高到72%，7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了67.9%和49.0%；而料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著料漿質(zhì)量濃度的增大而逐漸降低，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提供的72%，料漿坍落度、泌水率及分層度分別降低了6.4%、66.7%和27.3%。

（4）以單位充填成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以礦山對(duì)強(qiáng)度和料漿工作特性的要求為約束條件，對(duì)充填料漿進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足充填強(qiáng)度及料漿工作特性要求的最低成本方案，即：采用礦渣基膠凝材料、膠砂比為1∶8、料漿濃度為70%，此方案下充填材料成本為112元/m3。并以此方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到7 d、28 d強(qiáng)度、坍落度、泌水率和分層度分別為1.46 MPa、2.23 MPa、25.3 cm、2.4%和3.52 cm。