楊志強(qiáng) 王立杰 王社光 高 謙 王福全 王慶剛

(1.河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司,河北 邢臺(tái) 054100;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

對(duì)于地下礦山而言,采用充填采礦法將選礦全尾砂與膠凝材料混合攪拌成高濃度充填料漿,用于井下礦房空區(qū)膠結(jié)充填,其膠結(jié)充填體不僅可以作為二步采礦房的礦柱,控制地壓,為回采工作面創(chuàng)造安全條件,還可以減少尾砂地表堆存,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),由此保護(hù)環(huán)境。為保障充填礦山安全、高效和低成本開(kāi)采,合理確定膠結(jié)充填體強(qiáng)度至關(guān)重要。由于各礦山地質(zhì)條件不同、開(kāi)采方法及結(jié)構(gòu)參數(shù)不同,且影響充填體強(qiáng)度因素多而復(fù)雜,給安全經(jīng)濟(jì)合理的充填體強(qiáng)度確定帶來(lái)困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)進(jìn)行了很多研究,王俊等采用工程類比法、數(shù)學(xué)模型法、數(shù)值分析法等確定充填體的合理強(qiáng)度[1-3],李長(zhǎng)洪等基于充填體與圍巖的力學(xué)匹配關(guān)系確定充填體合理強(qiáng)度[4-5],為膠結(jié)充填體強(qiáng)度的確定起到指導(dǎo)作用。本研究以某鐵礦為背景,根據(jù)前期膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)、管輸特性試驗(yàn)的結(jié)果,基于充填體與圍巖相互作用關(guān)系,采用能量耗散理論,分別確定該鐵礦一步采和二步采充填體合理強(qiáng)度;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合料漿管輸特性,采用多目標(biāo)模糊綜合評(píng)判理論對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化,在滿足充填體強(qiáng)度和料漿流動(dòng)性基礎(chǔ)上降低充填成本,以期實(shí)現(xiàn)低成本、安全、高效采礦。

1 基于能量匹配關(guān)系尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度優(yōu)化

1.1 尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

利用周邊的鋼渣微粉、礦渣微粉以及工業(yè)副產(chǎn)品石膏等固體廢棄物,針對(duì)中細(xì)尾砂(-200 目細(xì)泥含量75%),開(kāi)展綠色鋼渣基膠凝材料的膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn),表1為膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析與處理后的結(jié)果。從表1 中可以看出,膠結(jié)體強(qiáng)度與膠凝材料性能、料漿濃度、膠砂比、養(yǎng)護(hù)齡期等因素密切相關(guān)[5]。

根據(jù)表1 中試驗(yàn)數(shù)據(jù),補(bǔ)充其1、3、14、60、90 d強(qiáng)度數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值擬合,表2 為不同濃度和膠砂比的充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合關(guān)系結(jié)果。圖1 為擬合關(guān)系曲線圖,可知充填體強(qiáng)度隨膠砂比、料漿濃度及養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大。

圖1 充填體抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between compressive strength of filling body and curing age

表1 鋼渣基膠凝材料全尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Strength test results of full tailings cement of steel slag-based cementitious materials

表2 充填體抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合關(guān)系Table 2 Fitting relationship between compressive strength of backfill and curing age

1.2 尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與礦巖能量匹配關(guān)系

首先把充填體看作連續(xù)介質(zhì),根據(jù)能量等價(jià)原理計(jì)算充填體單位體積的彈性變形能Up[6-8];其次進(jìn)行礦巖開(kāi)挖能量耗散分析,計(jì)算得到單位礦巖釋放的能量Ur;最后根據(jù)能量守恒原理,進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填體與圍巖能量匹配分析[9-10],得到匹配系數(shù)K,詳見(jiàn)公式(1)。當(dāng)K≥1 時(shí),膠結(jié)體與圍巖能量匹配,不會(huì)發(fā)生破壞失穩(wěn),反之則失穩(wěn)。

式中,σ為膠結(jié)充填體強(qiáng)度,MPa;γ為礦巖容重,kN/m3;E0為礦巖變形模量,MPa;μ為礦巖泊松比;H為礦巖深度,m。

1.3 中關(guān)鐵礦細(xì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度確定

根據(jù)式(1)可知,為保障安全開(kāi)采,必須滿足匹配系數(shù)K≥1,則可計(jì)算得到膠結(jié)充填體強(qiáng)度σ滿足:

中關(guān)鐵礦主要采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,根據(jù)礦體賦存條件及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)可知,其彈性模量E0=9.26 GPa,泊松比μ=0.28,容重γ=38.45 kN/m3,K=1。將上述參數(shù)代入式(2),則計(jì)算得到一步采充填體的合理強(qiáng)度σ1≥2.50 MPa;二步驟膠結(jié)充填體的合理強(qiáng)度σ2≥1.0 MPa。分別將合理強(qiáng)度值代入表2 擬合關(guān)系式,判斷該配比是否滿足強(qiáng)度要求,并獲得滿足強(qiáng)度要求的充填體固化時(shí)間,分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同配比充填體合理強(qiáng)度及固化時(shí)間分析Table 3 Analysis of reasonable strength and curing age of filling body with different proportions

根據(jù)表3 可以看出:對(duì)于一步采礦房,當(dāng)膠砂比1 ∶4 和料漿濃度58%～66%時(shí);當(dāng)膠砂比1 ∶5 和料漿濃度60%～66%時(shí);當(dāng)膠砂比1 ∶6 和料漿濃度64%～66%時(shí),均滿足一步采礦房的膠結(jié)充填體的強(qiáng)度要求。對(duì)于二步采充填,當(dāng)膠砂比在1 ∶8～1 ∶4 的范圍內(nèi),料漿濃度在58%～66%的范圍內(nèi)均滿足膠結(jié)充填體的強(qiáng)度要求[11]。結(jié)合中關(guān)鐵礦實(shí)際開(kāi)采、充填以及二步采礦柱回采時(shí)間綜合確定一步驟充填和二步驟充填固化時(shí)間均為28 d,確定一步采和二步采充填體的28 d 合理強(qiáng)度為σ1≥2.50 MPa 和σ2≥1.0 MPa。

2 基于多目標(biāo)多因素的充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

在確定全尾砂膠結(jié)充填體合理強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步基于多目標(biāo)多因素,將28 d 強(qiáng)度、料漿塌落度、充填成本、料漿泌水率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),利用模糊優(yōu)選決策理論[12-13]進(jìn)行中關(guān)鐵礦鋼渣基全固廢細(xì)尾砂料漿綜合評(píng)判優(yōu)化,更有效地選擇最佳料漿優(yōu)化方案。

2.1 鋼渣基膠凝材料全尾砂充填料漿配比優(yōu)化

根據(jù)鋼渣基固結(jié)粉膠凝材料尾砂膠結(jié)充填強(qiáng)度試驗(yàn)和料漿管輸特性試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)其部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總?cè)绫? 所示。根據(jù)文獻(xiàn)研究與試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合中關(guān)鐵礦實(shí)際,選取膠結(jié)充填體28 d 強(qiáng)度、充填成本、塌落度和泌水率為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及前述確定的合理強(qiáng)度,并結(jié)合礦山實(shí)際可判斷:一步驟充填R28d≥2.5 MPa,可知共有K1～K4、K8 等5 組配比方案的28 d 強(qiáng)度滿足要求。將5 組配比方案進(jìn)行多目標(biāo)多因素綜合評(píng)判及料漿優(yōu)化,其評(píng)判指標(biāo)包括:28 d 強(qiáng)度、充填成本、料漿塌落度和泌水率等4 項(xiàng),其具體權(quán)重及取值詳見(jiàn)表5,據(jù)此獲得鋼渣基膠凝材料—尾砂充填料漿配比方案目標(biāo)特征值,如表5 所示。根據(jù)表5 計(jì)算各方案的相對(duì)優(yōu)屬度分別為:0.575 0、0.457 5、0.471 7、0.653 8、0.924 3,可知方案5 為綜合評(píng)判最優(yōu)方案,即采用鋼渣基膠凝材料,膠砂比1 ∶5,質(zhì)量濃度64%的條件下綜合評(píng)判較優(yōu)。

表4 充填體強(qiáng)度及管輸特性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of backfill strength and pipeline characteristics

同理,對(duì)二步驟充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:方案8 相對(duì)優(yōu)屬度最大為0.661 2,即采用鋼渣基固結(jié)粉膠凝材料,膠砂比1 ∶5,質(zhì)量濃度64%的條件下綜合評(píng)判最優(yōu)。

2.2 鋼渣基膠凝材料全尾砂充填料漿配比驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)前述綜合評(píng)判確定的最佳充填料漿優(yōu)化配比方案,進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比如表6 所示。由表6 可知:其7 d、28 d 強(qiáng)度、料漿泌水率、料漿塌落度分別為1.50 MPa、2.76 MPa、2.55%、25.80 cm,與前期配比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者誤差分別為9.51%、2.99%、0.66%和5.49%,均滿足小于10%的工程實(shí)際要求,表明所得的優(yōu)化料漿配比具有較高的可靠性。

表6 充填料漿配比驗(yàn)證試驗(yàn)及對(duì)比結(jié)果Table 6 Filling slurry ratio verification test and comparison results

3 結(jié)論

(1)基于充填體與圍巖相互作用關(guān)系,采用能量耗散理論,結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況,確定中關(guān)鐵礦一步采和二步采充填體合理強(qiáng)度及合理開(kāi)挖時(shí)間,得出一步采和二步采充填合理強(qiáng)度分別為2.50 MPa 和1.0 MPa,固化時(shí)間均為28 d。

(2)在確定充填體合理強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期管輸特性試驗(yàn)結(jié)果,采用多目標(biāo)多因素模糊綜合評(píng)判理論,進(jìn)一步對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化,獲得一步采和二步采充填料漿優(yōu)化配比均為采用鋼渣基膠凝材料,膠砂比1 ∶5 和料漿濃度64%,并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,所得結(jié)果與配比試驗(yàn)結(jié)果誤差均小于10%,表明所得優(yōu)化配比具有較高可靠性,可為工業(yè)充填提供依據(jù)。