黃其沖，豆玉杰，張東升，周文濤

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100097；2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100043)

隨著采礦活動(dòng)的發(fā)展以及國家對于安全、環(huán)保要求的不斷提高，充填采礦尤其是膠結(jié)充填采礦，以其能有效控制或延緩地表巖層移動(dòng)和塌陷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各大礦山[1-2]。對于膠結(jié)充填采礦，成本高是比較突出的問題，充填成本中膠凝材料占一半以上，因此開發(fā)低成本充填膠凝材料，并根據(jù)要求優(yōu)化料漿配比是降低充填成本，實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3-4]。以工業(yè)固體廢棄物為原料制備膠凝材料是目前膠凝材料開發(fā)的趨勢，其中，礦渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和赤泥等被廣泛應(yīng)用于膠凝材料開發(fā)[5]，不僅消耗了固體廢棄物，實(shí)現(xiàn)了高值利用，而且降低了充填成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。肖柏林等[6]利用鋼渣和開礦渣研發(fā)膠凝材料實(shí)現(xiàn)了對超細(xì)尾砂的低成本膠結(jié)充填；童國慶等[7]采用堿激發(fā)粉煤灰的方式制備地聚物，并對力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)和水化機(jī)制進(jìn)行了研究，揭示其固結(jié)機(jī)理；李立濤等[8]分析了熟料和石膏添加量對礦渣激發(fā)效果的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)優(yōu)化膠凝材料配比；SEVGILI等[9]利用赤泥制備膠凝材料，并分析了充填對地下水的影響，得出赤泥固結(jié)充填滿足環(huán)保要求；武斌等[10]研究赤泥摻量對混凝土性能和經(jīng)濟(jì)性的影響，得出性能和經(jīng)濟(jì)性兼?zhèn)涞某嗄嗵砑恿?。除此之外，料漿配比也是影響充填效果和充填成本的主要因素，對于料漿配比優(yōu)化，目前比較常用的方法包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滿意度函數(shù)法、多屬性決策等[11-14]。因此，為了降低充填成本，本文利用低品質(zhì)礦渣等材料制備充填膠結(jié)料，并在保證充填效果的前提下，根據(jù)礦山充填現(xiàn)狀對料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)礦山低成本綠色充填。

1 原料物化特性

本文實(shí)驗(yàn)以礦渣、粉煤灰、脫硫石膏、熟料等為原料制備膠凝材料，以全尾砂作為骨料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，礦渣取自新疆某鋼鐵廠產(chǎn)出的礦渣，并經(jīng)過立磨粉磨生產(chǎn)的礦渣微粉，粉煤灰和脫硫石膏均取自新疆某電廠，熟料則是新疆某水泥廠經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室小磨粉磨制成粉體，尾砂為新疆哈密和鑫礦業(yè)銅鎳礦選礦全尾砂，實(shí)驗(yàn)材料粒徑級配特性曲線如圖1所示，各材料粒徑特征值結(jié)果見表1。

由圖1和表1可知，作為充填骨料的全尾砂不均勻系數(shù)Cu=4.97<5，而曲率系數(shù)Cc=1.15，介于1～3之間，屬于連續(xù)級配，并且全尾砂0.074 mm以下細(xì)顆粒含量約為60%，尾砂相對較粗，有利于強(qiáng)度增長。

表1 實(shí)驗(yàn)材料粒徑級配特征參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)材料粒徑級配特征曲線

礦渣作為主要活性材料，其品質(zhì)(細(xì)度和活性)直接影響膠凝材料開發(fā)，礦渣細(xì)度(45 μm篩余)為7%，基本滿足新型膠凝材料開發(fā)的細(xì)度要求。采用XRF對其化學(xué)成分進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。

表2 礦渣化學(xué)組分分析結(jié)果

分析化學(xué)組分可知，礦渣堿性系數(shù)M0=1.07>1，質(zhì)量系數(shù)K=1.51>1.2，活性指數(shù)Ma=0.24<0.3，綜合分析，屬于中等質(zhì)量的低活性堿性礦渣。

2 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料開發(fā)及優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)前期研究結(jié)果及材料特性，實(shí)驗(yàn)以礦渣粉和粉煤灰作為活性材料，以熟料和脫硫石膏作為復(fù)合激發(fā)劑，其中，固定粉煤灰摻量10%，熟料摻量8%～12%，脫硫石膏摻量10%～14%，其余為低品質(zhì)礦渣，以全尾砂作為骨料，膠砂比1∶4，質(zhì)量濃度70%。按照《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于“無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)SL237-020-1999”的方法進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。本次試采用澆注70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯(lián)試模的方法制作試塊，脫模放入養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了確定膠結(jié)料配比，采用正交法設(shè)計(jì)進(jìn)行膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行材料成本核算，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別以脫硫石膏摻量10%和熟料8%為例，分析熟料摻量和脫硫石膏摻量對膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示；對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖3所示。

表3 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料正交配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 熟料和脫硫石膏摻量對充填體抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料充填體抗壓強(qiáng)度正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果

由圖2和圖3可知，隨著熟料摻量的增加，充填體7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，熟料摻量由8%增大到12%，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了27.6%和30.9%；隨著脫硫石膏摻量的增大，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度先減小后增大；極差結(jié)果表明，對7 d抗壓強(qiáng)度的影響程度為脫硫石膏>熟料，而對于28 d抗壓強(qiáng)度的影響則相反，并且確定7 d和28 d的優(yōu)化配比均為熟料8%、脫硫石膏14%、粉煤灰10%、礦渣68%。

2.3 水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)配比實(shí)驗(yàn)和極差分析確定低品質(zhì)礦渣充填膠結(jié)料配比，其表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，為此采用掃描電鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，膠結(jié)材料水化產(chǎn)物主要包括真棒狀的鈣礬石和無定型的C—S—H、C—A—H凝膠，其中，7 d時(shí)已經(jīng)生成大量水化產(chǎn)物，其主要是熟料水化促進(jìn)了礦渣和粉煤灰水解并發(fā)生水化生成大量凝膠，并且在脫硫石膏作用下生產(chǎn)少量鈣礬石(AFt)，結(jié)構(gòu)比較松散，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水化產(chǎn)物逐漸增多，并且結(jié)構(gòu)也逐漸密實(shí)，強(qiáng)度逐漸提高。

“沒有拉我們，我們是自愿的?！庇衲粗ū?，為這一瞥目光，法比等了好多個(gè)時(shí)辰，好幾天，好幾夜，這目光已使法比中毒上癮，現(xiàn)在發(fā)射這目光的眼睛要隨那身軀離去，毒癮卻留給了法比。

圖4 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)

3 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料充填料漿配比實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料作為膠凝材料，以全尾砂作為骨料，按照膠砂比1∶4～1∶10，以質(zhì)量濃度68%～74%制備充填料漿，分別采用塌落度筒測定料漿塌落度，采用泌水率筒測定，并按照式(1)計(jì)算料漿泌水率，同時(shí)澆筑70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到7 d和28 d分別測定相應(yīng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖5 塌落度筒和泌水率筒

(1)

式中：B為泌水率，%；Mw為泌水總質(zhì)量，g；W為料漿的用水量，g；G為料漿和筒總質(zhì)量，g；Gw為料漿質(zhì)量，g。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢測開發(fā)材料的穩(wěn)定性和適用性，對不同配比條件下料漿塌落度、泌水率和充填體強(qiáng)度進(jìn)行測定，具體實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果見表4。

表4 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料充填體強(qiáng)度和料漿工作特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別分析膠砂比、料漿質(zhì)量濃度對充填體抗壓強(qiáng)度、料漿塌落度和泌水率的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 質(zhì)量濃度和膠砂比對充填體強(qiáng)度的影響

圖7 質(zhì)量濃度和膠砂比對料漿塌落度和泌水率的影響

由圖6可知，質(zhì)量濃度和膠砂比對抗壓強(qiáng)度有顯著影響。以膠砂比1∶4為例分析濃度對充填體抗壓強(qiáng)度的影響：隨著質(zhì)量濃度的提高，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高，質(zhì)量濃度由68%提高到74%，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了39.3%和46.9%；以質(zhì)量濃度70%為例分析膠砂比對充填體強(qiáng)度的影響：隨著膠砂比的提高，充填體7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高，膠砂比由1∶10增大到1∶4，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別增大了0.91倍和1.24倍。

由圖7可知，質(zhì)量濃度和膠砂比對料漿塌落度和泌水率均有顯著影響。以膠砂比1∶4為例分析質(zhì)量濃度對塌落度和泌水率的影響：隨著質(zhì)量濃度提高，塌落度和泌水率逐漸降低，質(zhì)量濃度由68%提高到74%，塌落度和泌水率分別降低了8.97%和43.1%；以質(zhì)量濃度70%為例分析膠砂比對塌落度和泌水率的影響：隨著膠砂比的提高，塌落度和泌水率逐漸降低，膠砂比由1∶10提高到1∶4，塌落度和泌水率分別降低了9.60%和13.76%。

4 低品質(zhì)礦渣膠結(jié)料充填料漿參數(shù)優(yōu)化

充填是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅要考慮充填體強(qiáng)度，而且要考慮料漿流動(dòng)性。為了保證充填效果，在開展不同膠砂比、不同質(zhì)量濃度的料漿制備實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化料漿制備參數(shù)，在滿足充填要求的前提下，降低充填成本。

礦山要求充填體7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別不低于1.5 MPa和3.0 MPa，根據(jù)表4料漿制備實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除B9～B11、B13～B16共七組實(shí)驗(yàn)外，其余實(shí)驗(yàn)均能滿足礦山強(qiáng)度要求，可作為備選方案。除此之外，也要綜合考慮塌落度、泌水率以及充填成本。溫震江等[14]研究表明，塌落度合理范圍為15～30 cm，理想值定為18 cm，泌水率合理范圍為5%～20%，且在合理范圍內(nèi)越小越好，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將強(qiáng)度看作效益型指標(biāo)，將塌落度、泌水率和充填成本看作成本型指標(biāo)[14-15]，將其組成決策矩陣Y9×5，并且按照式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣S9×5。

(2)

將標(biāo)準(zhǔn)矩陣與各指標(biāo)權(quán)重λ相乘得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣R9×5，并據(jù)此確定正負(fù)理想解向量R+和R-，見式(3)。

(3)

式中：J1、J2分別為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)的下標(biāo)集合。

采用TOPSIS法利用歐氏公式計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解的距離Z+和Z-[13-14]，見式(4)。

i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(4)

在得到Z+和Z-基礎(chǔ)上，根據(jù)式(5)計(jì)算各方案的相對貼近度Ki，其值越大，說明方案越理想。

(5)

決策矩陣Y9×5、標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣S9×5見式(6)。

(6)

為方便計(jì)算，將各指標(biāo)權(quán)重均取0.2，得出加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣見式(7)。

(7)

根據(jù)式(3)分別計(jì)算得出正負(fù)理想解向量R+和R-，見式(8)

R+=(0.200 0.200 0.176 0.110 0.116)

R-=(0.122 0.114 0.200 0.200 0.200)

(8)

最后根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算相對貼近度Ki=[0.587，0.805，0.765，0.610，0.433，0.526，0.551，0.549，0.362]T，因此可以看出相對貼近度B2>B3>B4>B1>B7>B8>B5>B12，綜合分析B2最優(yōu)，即采用低品質(zhì)礦渣復(fù)合膠凝材料，膠砂比1∶4，質(zhì)量濃度70%時(shí)最優(yōu)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果見表5。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化配比條件下，7 d抗壓強(qiáng)度為2.60 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度為4.82 MPa、塌落度為22.50 cm、泌水率為7.38%，均滿足礦山要求。

表5 料漿優(yōu)化配比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 實(shí)驗(yàn)材料物化特性分析結(jié)果表明：作為骨料的全尾砂粒徑較粗，作為活性材料的礦渣屬于低活性的堿性礦渣，粉磨細(xì)度(45 μm篩余)為7%，基本滿足膠凝材料開發(fā)的要求。

2) 采用正交實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行極差分析，結(jié)合材料成本進(jìn)行綜合分析，確定低品質(zhì)礦渣復(fù)合膠結(jié)料配比為熟料8%、脫硫石膏14%、粉煤灰10%、礦渣68%。采用SEM對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析了強(qiáng)度增長的原因，即熟料水化促進(jìn)礦渣和粉煤灰水解并發(fā)生水化生成大量凝膠，在脫硫石膏作用下生產(chǎn)少量鈣礬石(AFt)，結(jié)構(gòu)比較松散，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水化產(chǎn)物逐漸增多，并且結(jié)構(gòu)也逐漸密實(shí)，強(qiáng)度逐漸提高。

3) 料漿配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均隨著料漿質(zhì)量濃度和膠砂比的提高不同程度增大，塌落度和泌水率均隨著濃度和膠砂比的提高逐漸降低。其中，膠砂比1∶4質(zhì)量濃度由68%提高到74%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了39.3%和46.9%，而塌落度和泌水率分別降低了8.97%和43.1%；質(zhì)量濃度為70%時(shí)，膠砂比1∶10增大到1∶4，7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度分別增大了0.91倍和1.24倍，而塌落度和泌水率分別降低了9.60%和13.76%。

4) 采用熵權(quán)多屬性決策模型對料漿制備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得料漿優(yōu)化參數(shù)為：采用低品質(zhì)礦渣復(fù)合膠凝材料，膠砂比1∶4，質(zhì)量濃度70%，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均滿足礦山要求。