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        全尾砂膠結(jié)充填材料強(qiáng)度影響因素分析及配比預(yù)測(cè)研究

        2022-01-07 09:17:24張國(guó)勝張雄天
        金屬礦山 2021年12期
        關(guān)鍵詞:灰砂尾砂試塊

        張國(guó)勝 張雄天

        (蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展,科學(xué)、合理、環(huán)保的礦業(yè)開(kāi)發(fā)方式可以有力地保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。充填采礦法可以有效地將較大比例的礦山開(kāi)采所產(chǎn)生的廢石、選礦產(chǎn)生的尾砂等固體廢棄物回填于井下采空區(qū),減少固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染破壞,同時(shí)可以有效地解決地下采礦導(dǎo)致地表出現(xiàn)的變形、沉陷等問(wèn)題。此外,充填采礦法還具有回采率高、貧化率低等優(yōu)點(diǎn)。因此,充填采礦正在成為主要的開(kāi)采技術(shù)手段[1-4]。

        充填體強(qiáng)度是衡量充填體質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo),對(duì)影響充填體強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析及優(yōu)化配比,有利于以最經(jīng)濟(jì)合理的方式提高充填體質(zhì)量,節(jié)省充填成本,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文以某大型鉛鋅礦為研究對(duì)象,根據(jù)礦山實(shí)際情況,提出了適合該礦山的采礦方法及充填工藝,并對(duì)影響充填材料的因素進(jìn)行了分析,確定了礦山充填料漿的最佳配比,建立了配比預(yù)測(cè)模型。

        1 礦山概況

        某大型鉛鋅礦屬于新建礦山,礦山生產(chǎn)規(guī)模為150萬(wàn)t/a,采用地下開(kāi)采方式,開(kāi)拓方案為主平硐—主(箕斗)副(罐籠)豎井開(kāi)拓,2018年初,礦山建成投產(chǎn)。2018年,該礦山被授予“全國(guó)綠色礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)示范基地”;2019年榮獲“有色金屬行業(yè)綠色發(fā)展十大領(lǐng)軍企業(yè)”,入選2019年國(guó)家級(jí)綠色礦山名錄;2020年先后榮獲“首屆綠色礦山突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”、“綠色礦山重大工程一等獎(jiǎng)”等多項(xiàng)殊榮。

        2 礦山生產(chǎn)存在的主要問(wèn)題

        該礦山礦體產(chǎn)狀為緩傾斜、傾角2°~47°,礦體厚度薄—中厚,巖體質(zhì)量一般,完整性中等,礦石普氏硬度系數(shù)f=8~10,圍巖f=4~10,礦、巖均屬不穩(wěn)固—中等穩(wěn)固巖類等特點(diǎn)。依據(jù)礦體賦存條件,該礦山采用了普通全面采礦法、機(jī)械化房柱采礦法、臺(tái)階式全面采礦法、分段空?qǐng)龇ǖ榷喾N采礦法進(jìn)行回采,但在實(shí)際生產(chǎn)中,存在著采礦損失、貧化率偏大,回采、出礦困難等問(wèn)題。

        3 充填采礦方法研究

        為保障礦山高質(zhì)量發(fā)展,針對(duì)該礦山實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題,結(jié)合礦體賦存條件,依據(jù)綠色礦山的建設(shè)要求,采用環(huán)境友好型開(kāi)發(fā)利用方式,提出了采用充填采礦法的方案。經(jīng)過(guò)綜合分析及研究,最終確定采用機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法,此方法高度靈活,適用于該礦山極為復(fù)雜多變的礦體賦存條件,可以實(shí)現(xiàn)高回收、低貧化開(kāi)采的目標(biāo)。

        如圖1所示,礦塊沿走向布置,長(zhǎng)50 m,高50 m,分段高12.5 m,分層高3.5~4 m,裝礦穿脈布置在礦塊中部,礦塊不留頂?shù)字伴g柱。

        分段沿脈平巷布置在礦體下盤與輔助斜坡道相連,進(jìn)路斷面3.6 m×4 m~4 m×4 m,從分段沿脈平巷垂直礦體布置分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道,從分層聯(lián)絡(luò)道繼續(xù)垂直礦體走向開(kāi)掘切割巷道??紤]鏟運(yùn)機(jī)爬坡能力,分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道坡度為1∶6,斷面為3.6 m×3.6 m。溜礦井布置在礦體下盤,與各分段聯(lián)絡(luò)道相連。分段沿脈平巷、分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)均采用單臂臺(tái)車鑿巖,裝藥臺(tái)車裝藥,非電導(dǎo)爆管起爆,DJK50-№5.5局扇通風(fēng),電動(dòng)、柴油鏟運(yùn)機(jī)出碴。

        從切割巷道沿礦體走向采場(chǎng)兩端掘斷面為3.6 m×4 m~4 m×4 m的采礦進(jìn)路。當(dāng)?shù)V體厚大時(shí)可相應(yīng)地多布置幾條,但回采時(shí)要間隔回采。礦體厚度<3.5 m時(shí),采用YT-28型鑿巖機(jī)鑿巖,鉆孔孔徑?38~41 mm,深度2.0 m,每循環(huán)進(jìn)尺1.6 m;礦體厚度≥3.5 m時(shí)采用單臂臺(tái)車鑿巖,鉆孔孔徑?42 mm,深度2.0 m,每循環(huán)進(jìn)尺1.7 m。炮孔裝藥前采用壓風(fēng)將炮眼吹干凈,人工裝藥,采用?32 mm藥卷,非電導(dǎo)爆管起爆。采場(chǎng)出礦選用柴油鏟運(yùn)機(jī)(2 m3)或電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)(2 m3)出礦,鏟運(yùn)機(jī)自采場(chǎng)進(jìn)路經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道、分段道、溜井聯(lián)絡(luò)道將礦石鏟運(yùn)至溜井卸載。鏟裝礦石時(shí),沿著進(jìn)路方向邊鏟邊推進(jìn),按照指定的溜井出礦。

        新鮮風(fēng)流主要由專用進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下,經(jīng)階段沿脈平巷→各盤區(qū)斜坡道(人行通風(fēng)天井)進(jìn)入回采工作面,清洗工作面后,污風(fēng)由上部盤區(qū)斜坡道(人行通風(fēng)天井)→上階段回風(fēng)平巷→回風(fēng)井排出地表。

        充填采用自流輸送膠結(jié)充填工藝,堅(jiān)持采一充一的原則,每條進(jìn)路從充填準(zhǔn)備到充填接頂結(jié)束在7 d內(nèi)完成,充填結(jié)束72 h后方可開(kāi)始相鄰進(jìn)路的回采工作。采場(chǎng)進(jìn)路回采完成后進(jìn)行清底、充填管敷設(shè),將充填管由充填回風(fēng)井、分層道接到進(jìn)路端頭并將管頭固定在最高處。在采場(chǎng)進(jìn)路口砌筑擋墻,然后根據(jù)設(shè)定料漿濃度進(jìn)行充填。充填分2次進(jìn)行,第1次充填厚度為2 m,第2次充填接頂。

        采場(chǎng)充填溢流水通過(guò)采場(chǎng)泄水井集中到進(jìn)路端頭充填擋墻外側(cè)的沉淀池,沉淀后的清水由泥漿泵通過(guò)管道排至中段泄水井,再集中至坑內(nèi)水倉(cāng),由主排水泵排出。

        4 充填材料配比試驗(yàn)研究

        4.1 全尾砂基本物理化學(xué)參數(shù)測(cè)定

        全尾砂物理參數(shù)測(cè)定主要包括比重、松散容重、密實(shí)容重以及孔隙率,見(jiàn)表1。

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        尾砂中對(duì)充填體強(qiáng)度影響較大的主要化學(xué)成分有 CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S 等。尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。

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        尾砂的粒徑組成對(duì)于充填體強(qiáng)度的影響較為明顯,直接影響到膠結(jié)性能和膠凝材料的消耗量。試驗(yàn)采用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀測(cè)定尾砂的粒級(jí)分布。

        根據(jù)全尾砂測(cè)定結(jié)果,其中d10=3.256 μm,d50=15.263 μm,d60=21.263 μm,d90=158.699 μm,d平均=58.256 μm,比表面1.02 m2/g,尾砂粒徑較細(xì)。不均勻系數(shù)α2表征該物料粒級(jí)組成的均勻程度,計(jì)算如下:

        經(jīng)計(jì)算礦山尾砂不均勻系數(shù)α2=6.53。α2值越小表示粒級(jí)組成越均勻,一般α2=5時(shí),粒級(jí)配比較好。通過(guò)尾砂粒徑分析試驗(yàn)可知,礦山尾砂粒徑分布對(duì)于膠結(jié)充填材料強(qiáng)度的形成促進(jìn)作用一般。

        4.2 膠結(jié)充填材料強(qiáng)度配比試驗(yàn)

        充填試驗(yàn)?zāi)z凝材料選用PC32.5R硅酸鹽水泥,尾砂為選廠全尾砂。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)料漿濃度分別為64%、66%、68%、70%、72%、74%,灰砂比分別為 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 ,共36組試驗(yàn),測(cè)定每組配比3 d、7 d、28 d、60 d 4個(gè)齡期的充填體強(qiáng)度。每組單個(gè)齡期測(cè)試3個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度,共計(jì)為432塊。分析研究不同濃度和灰砂比的強(qiáng)度變化規(guī)律和強(qiáng)度性能。

        采用DYE-2000混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)制作的各齡期的充填試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(圖2)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

        4.3 基于響應(yīng)面的充填試樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

        通常對(duì)充填體強(qiáng)度的影響因素為砂漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期等。在滿足礦山充填強(qiáng)度的情況下,優(yōu)化充填配比,降低膠凝材料消耗量,可以節(jié)省生產(chǎn)成本,有利于礦山經(jīng)濟(jì)效益最大化。根據(jù)響應(yīng)面法(RSM),構(gòu)建3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度為響應(yīng)值的回歸模型,探究砂漿濃度、灰砂比單一或交互作用對(duì)充填體強(qiáng)度的影響情況,從而尋求適合礦山充填的最佳配比。采用Desing-Export軟件中Cube模塊,砂漿濃度、灰砂比為2種影響抗壓強(qiáng)度的因素,分別用X1、X2表示。3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度為響應(yīng)值,分別用Y1、Y2、Y3、Y4表示,通過(guò)分析計(jì)算,影響因素與充填體強(qiáng)度之間的回歸方程如下:

        根據(jù)擬合的回歸方程,4個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期擬合方程的回歸系數(shù)均接近于1,因此,回歸方程擬合程度較高。

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        MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,具有科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能。為探究不同因素對(duì)充填體強(qiáng)度的非線性動(dòng)態(tài)影響情況,根據(jù)已經(jīng)建立的不同養(yǎng)護(hù)齡期充填體的非線回歸模型,利用MATLAB分析軟件建立了養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d、60 d的三維非線性數(shù)據(jù)模型,如圖3~圖6所示。

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),試塊的強(qiáng)度在灰砂比不變時(shí),隨濃度的增加而增大,隨齡期的增長(zhǎng)而增加。其他情況不變時(shí),灰砂比的影響是顯著的,灰砂比越大,試塊的強(qiáng)度越大。提高充填料漿的濃度和增加灰砂比有利于提高充填料漿的強(qiáng)度,提高早期強(qiáng)度。

        灰砂比較大的試塊早期強(qiáng)度發(fā)展迅速,后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定,如灰砂比1∶4的試塊3 d強(qiáng)度0.12~0.14 MPa,7 d強(qiáng)度 1.77~1.97 MPa,28 d強(qiáng)度 3.12~3.92 MPa,60 d強(qiáng)度3.75~4.42 MPa。7 d強(qiáng)度是3 d強(qiáng)度的15倍左右,28 d強(qiáng)度是7 d強(qiáng)度2倍左右,但是28 d以后強(qiáng)度發(fā)展放慢,到60 d強(qiáng)度仍在增長(zhǎng)。灰砂比和濃度均較小的試塊,早期強(qiáng)度較差,部分試塊3 d拆模困難,7 d強(qiáng)度測(cè)試受壓時(shí),變形量大,但是后期強(qiáng)度發(fā)展平穩(wěn),如灰砂比1∶12的試塊,3 d強(qiáng)度無(wú)法測(cè)定,7 d強(qiáng)度 0.15~0.25 MPa,28 d強(qiáng)度 0.23~1.01 MPa,60 d強(qiáng)度0.81~1.32 MPa。

        綜合以上分析發(fā)現(xiàn),灰砂比、砂漿濃度是影響充填體力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素,在一定條件下,多加水泥或提高料漿濃度均有利于充填體強(qiáng)度的提高,特別是提高充填體的早期強(qiáng)度。本礦山雖然尾砂粒度較細(xì),根據(jù)充填試驗(yàn)及對(duì)結(jié)果分析,當(dāng)?shù)V山輸送砂漿濃度介于70%~72%、灰砂比介于1∶6~1∶10時(shí)能夠滿足上向進(jìn)路膠結(jié)充填法采礦工藝不同充填體強(qiáng)度的要求,此時(shí),礦山可以取得最大的經(jīng)濟(jì)及安全效益。

        4.4 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的充填配比預(yù)測(cè)研究

        小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于小波分析結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性發(fā)展起來(lái)的一種新型智能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具有小波分析、小波變換分層、多分辨率及函數(shù)學(xué)習(xí)和推廣能力較強(qiáng)等特性。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中使用非線性小波基替換常規(guī)的非線性sigmoid函數(shù),系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)際參數(shù)及信號(hào)通過(guò)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的小波基進(jìn)行多層線性疊加和數(shù)據(jù)處理輸出,較好地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)訓(xùn)練及計(jì)算。

        采用MATLAB數(shù)值分析軟件,將36組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,通過(guò)多次迭代,獲得3 d、7 d、14 d、28 d、60 d充填強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d、60 d強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線分別見(jiàn)圖7~圖10。

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)充填試驗(yàn)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致,相對(duì)誤差較小,預(yù)測(cè)模型較為可靠。表明小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)充填配比預(yù)測(cè)研究具有較好的可適用性,可指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中的充填配比,為充填配比優(yōu)化提供了一種新的思路。

        5 結(jié)論

        (1)在深入分析某大型鉛鋅礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對(duì)礦體回采時(shí)存在的損失率、貧化率高的問(wèn)題,提出了采用上向進(jìn)路充填采礦法的方案。采用三維建模技術(shù)構(gòu)建了上向進(jìn)路充填采礦法三維模型,并對(duì)具體采礦工藝進(jìn)行了分析。

        (2)通過(guò)對(duì)礦山尾砂粒徑分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),礦山尾砂較細(xì),對(duì)充填體強(qiáng)度形成促進(jìn)作用一般。設(shè)計(jì)了砂漿濃度分別為 64%、66%、68%、70%、72%、74%,灰砂比分別為 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 ,共 36 組試驗(yàn),測(cè)定了每組配比 3 d、7 d、28 d、60 d 4個(gè)齡期的充填體強(qiáng)度,獲得了充填試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        (3)采用響應(yīng)面分析法(RSM),構(gòu)建了3 d、7 d、28 d、60 d充填體強(qiáng)度的回歸模型,分析了砂漿濃度、灰砂比等因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響情況,確定當(dāng)輸送砂漿濃度介于70%~72%、灰砂比介于1∶6~1∶10時(shí),礦山可以取得最大的經(jīng)濟(jì)及安全效益。

        (4)采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將36組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,通過(guò)多次迭代,獲得了3 d、7 d、14 d、28 d、60 d充填強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,建立的預(yù)測(cè)模型可靠,可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中的充填配比,為充填配比優(yōu)化提供了一種新的思路。

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