王懷勇， 高圣成， 梁新民

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.內(nèi)蒙古興業(yè)礦業(yè)股份有限公司, 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

1 前言

隨著國家對(duì)環(huán)保和綠色礦山建設(shè)的要求越來越嚴(yán)格，新尾礦庫越來越難獲得，迫使新建的礦山和已經(jīng)采用崩落法、空?qǐng)龇ㄩ_采的礦山逐漸轉(zhuǎn)為充填采礦法開采，以消耗更多的尾砂，并保護(hù)地表安全。對(duì)于采用充填采礦法回采的礦山，充填體強(qiáng)度過高會(huì)增加充填成本，而充填體強(qiáng)度過低又影響著采空區(qū)穩(wěn)定性和回采效率等，需要對(duì)充填體強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行分析，以權(quán)衡充填成本和充填強(qiáng)度。以尾砂膠結(jié)充填為例，影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度的主要因素有充填料漿濃度、尾砂級(jí)配組成、尾砂化學(xué)成分、膠凝材料類型、灰砂比(膠凝材料：尾砂)、添加劑和養(yǎng)護(hù)齡期等[1-2]。針對(duì)不同的充填材料，如何從眾多因素中確定充填體強(qiáng)度影響因素的主次關(guān)系是改善充填體質(zhì)量、節(jié)省充填成本的重要研究方向。

由于各種影響因素的隨機(jī)性、模糊性和各因素之間不確定的相關(guān)性，使得它們對(duì)充填體強(qiáng)度影響程度并不明確，因此可將影響充填體強(qiáng)度的因素分析作為灰色系統(tǒng)加以研究。本文采用灰色系統(tǒng)理論中的灰關(guān)聯(lián)分析法對(duì)影響充填體強(qiáng)度因素的敏感性進(jìn)行分析。

2 全尾砂充填強(qiáng)度試驗(yàn)

內(nèi)蒙古某地下礦山采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和上向水平分層充填采礦法回采，采用全尾砂膏體泵送充填工藝，充填尾砂來自選廠。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得全尾砂粒徑-74 μm占比為85.12%，-37 μm占比為64.49%，屬于細(xì)尾砂。實(shí)驗(yàn)室參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237- 1999中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測(cè)試了該礦不同濃度、灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期條件下的試塊單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用可供選擇的砼輝水泥和冀東水泥作膠凝材料，全尾砂作為骨料，實(shí)驗(yàn)用水為自來水。根據(jù)坍落度和料漿流變特性試驗(yàn)結(jié)果，選取充填料漿質(zhì)量濃度分別為58%、60%、62%，灰砂比分別為1∶10、1∶6、1∶4、1∶3、1∶25，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d和60 d。

實(shí)驗(yàn)室采用C- 10型攪拌機(jī)攪拌充填料漿，將攪拌好的料漿裝入長(zhǎng)×寬×高為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模制作試塊，試塊脫模后放入HBY- 40A型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，采用WHY- 300/10型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定不同養(yǎng)護(hù)齡期下試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，每組試塊測(cè)試3次，再取3次平均值。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的充填試塊單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1[3]。

表1 充填試塊單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表 單位:MPa

3 充填體強(qiáng)度影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析

3.1 灰關(guān)聯(lián)分析法

灰關(guān)聯(lián)分析法是基于行為因子序列的微觀或宏觀接近，是分析確定因子間的影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)測(cè)度的一種分析方法。該方法優(yōu)點(diǎn)是不要求有大樣本的數(shù)據(jù)來源，可在不完整的信息中對(duì)所要研究的各影響因素通過一定的數(shù)據(jù)處理后，在隨機(jī)的因素序列間找出它們的關(guān)聯(lián)程度，再通過關(guān)聯(lián)度大小排序找到主要影響因素。參與分析的各影響因素之間的關(guān)聯(lián)程度以關(guān)聯(lián)度大小來衡量[4]。

假設(shè)參考序列表示為X0=(x0(k)，k=1，2，3，…，n)，比較序列表示為Xi=(xi(k)，k=1，2，…，n；i=1，2，…，m)。以全尾砂充填強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為例，參考序列X0為充填試塊強(qiáng)度，比較序列X1為養(yǎng)護(hù)齡期、X2為料漿濃度、X3為水泥種類、X4為灰砂比。

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)分析方法，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為

|Xi(k)-X0(k)|]

(1)

式中，ρ∈(0，+∞)為分辨系數(shù)，一般在[0，1]區(qū)間取值。ρ越小，分辨力越大。一般的取ρ=0.5。

通常關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法是采用平均值法，相關(guān)系數(shù)的關(guān)聯(lián)度一般表達(dá)式為

(2)

對(duì)參考序列X0與比較序列Xi(i=1，2，…，m)，其關(guān)聯(lián)度分別為γi(i=1，2，…，m)，按從大到小進(jìn)行排序，即得灰關(guān)聯(lián)序。

若設(shè)灰關(guān)聯(lián)序?yàn)?γ1>γ2>…>γm，表明X1對(duì)X0的影響最大，X2次之,…，依次排列。

3.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)度的基本步驟

1)無量綱化處理

在確定參考數(shù)列和比較數(shù)列對(duì)抽象系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析時(shí),首先要確定表征系統(tǒng)特征的參數(shù)，對(duì)特征變量和相關(guān)變量進(jìn)行無量綱化處理，得到對(duì)應(yīng)的參考序列X0與比較序列Xi[5]。以全尾砂充填強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為例，試塊強(qiáng)度X0、養(yǎng)護(hù)齡期X1、料漿濃度X2、灰砂比X4均按表1中數(shù)值取，水泥種類X3序列中砼輝水泥取1、冀東水泥取2。

2)數(shù)據(jù)變換

為了保證各因素具有等效性和同序性,需要對(duì)因素的指標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，數(shù)據(jù)變換常用方法有初值化、均值化、區(qū)間值化、倍數(shù)變換以及歸一化變換等，文中采用了均值化變換方法，對(duì)全尾砂充填強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

在無量綱化的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)序列中的所有數(shù)據(jù)均除以該序列的平均值，從而得到一個(gè)新序列。即

(3)

3)構(gòu)造關(guān)聯(lián)離散函數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(4)

需要計(jì)算：

通過以上步驟即可求得關(guān)聯(lián)系數(shù)，再由式(2)可求關(guān)聯(lián)度。

3.3 計(jì)算結(jié)果

按照上述步驟對(duì)表1試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，采用式(3)進(jìn)行均值化數(shù)據(jù)變換，結(jié)果見表2。利用式(4)和式(2)得出養(yǎng)護(hù)齡期、料漿濃度、水泥種類和灰砂比與試塊強(qiáng)度的灰關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)度排序見表3所示。

表2 均值化數(shù)據(jù)變換結(jié)果表

續(xù)表2

表3 灰關(guān)聯(lián)分析計(jì)算結(jié)果表

由灰關(guān)聯(lián)分析法得到影響充填體強(qiáng)度因素的敏感性從強(qiáng)到弱依次為灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期、料漿濃度和水泥種類。

4 結(jié)論

(1)由關(guān)聯(lián)序可以看出，灰砂比是影響充填體強(qiáng)度的主要因素。膠凝材料含量越多，從而使水化反應(yīng)所生成的C- S- H凝膠越多，顆粒更能有效地凝固在一起，有利地促進(jìn)了膠結(jié)充填體強(qiáng)度的增加。膠凝材料添加量增加，導(dǎo)致充填成本也會(huì)相應(yīng)地增加。礦山應(yīng)研制和選取適合尾砂性質(zhì)的膠凝材料，以降低膠凝材料消耗量，從而降低充填成本。在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)不同充填強(qiáng)度要求，選擇合理的灰砂比。

(2)養(yǎng)護(hù)齡期是影響充填體強(qiáng)度的重要因素，在滿足生產(chǎn)要求的條件下，應(yīng)盡量延長(zhǎng)采空區(qū)內(nèi)充填體的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

(3)在相同灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期條件下，充填體強(qiáng)度隨著料漿濃度的增加而呈上升趨勢(shì)。在滿足輸送的前提條件下，應(yīng)盡可能提高充填料漿的濃度。