錢 濤 馮 建 張 驥 王邦策 李翠平 顏丙恒

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

隨著淺層礦產(chǎn)資源的消耗殆盡以及采礦工藝的不斷發(fā)展,深部地下礦產(chǎn)資源開采將是金屬礦山資源開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。而充填采礦法不僅能夠?qū)⒌乇韽U棄尾砂排入地下,而且能夠有效控制采場(chǎng)地壓,避免地表塌陷;該采礦方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外礦山廣泛應(yīng)用,也是未來礦產(chǎn)資源開采的方向。充填體強(qiáng)度是充填采礦法中的一個(gè)重要參數(shù),直接影響到采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,是判斷礦山能否安全生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)[3]。礦產(chǎn)資源的消耗量與需求量都不斷地增大,隨著高品位、易分選的富礦逐漸枯竭,越來越多的礦山開始選別邊界品位礦石。而選礦工藝的不斷優(yōu)化提升,選礦工藝中的磨礦細(xì)度越來越細(xì),導(dǎo)致尾砂的產(chǎn)量不僅越來越高,而且尾砂的平均粒徑也越來越小,至使尾砂充填體強(qiáng)度降低。因此,研究粗顆粒尾砂摻量對(duì)充填體強(qiáng)度特性的影響顯得尤為重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)充填體強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了多方面的研究。首先,針對(duì)充填材料的選擇進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,研制了許多低成本新型膠凝材料[4],表明不同膠凝材料對(duì)充填體早中期強(qiáng)度作用方式也各不相同[5];而對(duì)充填體強(qiáng)度而言,固結(jié)劑摻量的影響占重要原因之一,為探明充填體強(qiáng)度與灰砂比之間的關(guān)系及規(guī)律,學(xué)者們利用回歸分析方法,建立了基于灰砂比單一因素的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型[6-7];除此之外,發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)條件的影響也逐漸增加,如養(yǎng)護(hù)壓力的增加促使充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)稀為密[8],進(jìn)而增大了充填體的強(qiáng)度;養(yǎng)護(hù)溫度的升高導(dǎo)致充填體黏聚力的變化從而影響充填體強(qiáng)度[9];在不同的開采條件,充填采場(chǎng)的濕度水平也是不同的,研究者指出濕度將極大影響水化反應(yīng),使得其影響充填體的強(qiáng)度[10]。由以上研究總結(jié)發(fā)現(xiàn),目前對(duì)于影響充填體強(qiáng)度的因素研究多在灰砂比、質(zhì)量濃度、養(yǎng)護(hù)條件與充填骨料類型等單一因素對(duì)強(qiáng)度的影響,而忽略了各因素在不同條件下的交互作用對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。

尾砂粒級(jí)組成對(duì)充填體力學(xué)性能也起到重要影響。尹升華[11]研究了尾砂粒徑與占比對(duì)充填體力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明尾砂粒徑對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響顯著,粒徑大小是影響充填體強(qiáng)度的主要影響因素之一。楊嘯等[12]根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行了不同充填骨料混合設(shè)計(jì)方案的預(yù)測(cè),得出平均粒徑小的混合骨料早期強(qiáng)度更高,而平均粒徑大的有利于后期強(qiáng)度的提升。王方正等[13]研究了尾砂粒級(jí)對(duì)充填體凝結(jié)性能的影響,發(fā)現(xiàn)物料級(jí)配通過影響水泥水化進(jìn)程及粗顆粒與水化產(chǎn)物的空間結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響充填體抗壓強(qiáng)度。以上研究表明,尾砂級(jí)配越好,則尾砂之間的填隙效應(yīng)越顯著,充填體則能達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)[14]。以上研究多基于尾砂的粒級(jí)較好情況,但現(xiàn)如今礦山充填所用尾砂越來越細(xì),對(duì)于細(xì)尾砂級(jí)配的研究相對(duì)較少,因此基于細(xì)尾砂顆粒級(jí)配的充填體強(qiáng)度研究具有重要意義。

基于前人的研究,本研究設(shè)計(jì)了不同粗顆粒添加的細(xì)粒級(jí)級(jí)配條件下充填體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的全面試驗(yàn),分析了尾砂級(jí)配、固結(jié)劑摻量、質(zhì)量濃度單一因素及交互作用在不同養(yǎng)護(hù)齡期下對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 充填材料物化特性及級(jí)配分析

1.1 充填材料物化特性

(1)尾砂原料。實(shí)驗(yàn)所用尾砂為安徽某鐵礦尾砂,借助X 射線熒光光譜儀對(duì)尾砂原料進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表1。尾砂原料的主要成分為SiO2、Fe2O3、MgO 和Al2O3,SO3含量很少,控制在合理范圍內(nèi),符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。尾礦的堿性率為0.47,活性率為0.29,質(zhì)量指數(shù)為0.88,屬于酸性低活性低質(zhì)量充填材料,性質(zhì)較為穩(wěn)定。借助XRD 物相測(cè)試分析儀對(duì)尾砂物相組成進(jìn)行分析,得到尾砂XRD 頻譜分析圖,見圖1。主要礦物成分為白云石、金云母、赤鐵礦和石英。

表1 尾砂與固結(jié)劑的化學(xué)組成成分Table 1 Chemical composition of tailings and consolidation agent%

圖1 尾砂XRD 頻譜分析Fig.1 XRD spectrum analysis of tailings

(2)固結(jié)劑。實(shí)驗(yàn)所用固結(jié)劑為礦山充填生產(chǎn)專用,借助X 射線熒光光譜儀對(duì)固結(jié)劑進(jìn)行化學(xué)成分分析。固結(jié)劑主要成分為CaO、SiO2和Al2O3,固化劑的堿性率為0.95,活性率為0.54,質(zhì)量指數(shù)為1.94,屬于酸性高活性高質(zhì)量充填材料;測(cè)定其物化性質(zhì)見表1,固化劑中主要的結(jié)晶相化學(xué)成分是無水石膏、硅酸三鈣以及熟石灰。

1.2 充填骨料級(jí)配分析

實(shí)驗(yàn)所用細(xì)尾砂為安徽某鐵礦球磨尾砂、溢流尾砂與粗砂混合而成。粗砂為粗骨料其最大粒徑為2 mm,主要由螺旋分級(jí)機(jī)分級(jí)后通過2045 篩下而成;球磨尾砂與溢流尾砂為細(xì)骨料,球磨尾砂最大粒徑為0.15 mm,溢流尾砂最大粒徑為0.5 mm,球磨尾砂由精礦經(jīng)球磨系統(tǒng)破碎而成,溢流尾砂為螺旋分級(jí)機(jī)溢流而成。這3 種充填骨料的粒度參數(shù)見表2。

表2 充填骨料粒度參數(shù)Table 2 Grain size parameters of filling aggregate

對(duì)于混合骨料膠結(jié)充填而言,尾砂顆粒級(jí)配對(duì)其力學(xué)性能具有顯著的影響,為獲得最佳的力學(xué)強(qiáng)度效果,需對(duì)以上尾砂進(jìn)行級(jí)配分析,球磨尾砂d60=19.30 μm,曲率系數(shù)為0.96,不均勻系數(shù)為6.80,屬于不良級(jí)配,為不均勻細(xì)骨料,且超細(xì)尾砂含量過高將導(dǎo)致充填體強(qiáng)度低;溢流尾砂d60=162.83 μm,曲率系數(shù)為0.47,不均勻系數(shù)為34.64,屬于不良級(jí)配;粗砂d60=360.79 μm,曲率系數(shù)為1.56,不均勻系數(shù)為50.67,屬于顆粒級(jí)配較好[11]。采用Talbol 級(jí)配理論對(duì)球磨尾砂、溢流尾砂和粗砂的級(jí)配分布頻數(shù)進(jìn)行曲線擬合,如圖2 所示,當(dāng)級(jí)配指數(shù)為0.5 左右時(shí),認(rèn)為尾砂級(jí)配較為理想[15-16]。尾砂粒徑小于或等于d的含量與總量的關(guān)系如下:

圖2 充填尾砂粒度特征曲線Fig.2 Grain size characteristic curves of backfill tailings

式中,Q為粒徑d的尾砂通過百分率,%;D為最大粒徑,mm;n為Talbol 級(jí)配指數(shù)。

由圖2可知,球磨尾砂級(jí)配指數(shù)n為 0.35,溢流尾砂級(jí)配指數(shù)n為 0.41,均低于0.50,并且小于 20 μm 尾砂占比超 60%,表明兩者中細(xì)粒級(jí)尾砂占比過高,這是造成充填料漿流動(dòng)性差及充填體強(qiáng)度低的主要原因[17],說明需要添加粗骨料進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化;粗砂級(jí)配指數(shù)n為0.58,略高于0.50,說明整體粗粒級(jí)尾砂占比偏大,需添加細(xì)尾砂改善尾砂級(jí)配。因此,需對(duì)以上3 種尾砂進(jìn)行混合后作為充填骨料,依據(jù)礦山生產(chǎn)要求,最終確定8 ∶1、9 ∶1、10 ∶1 以及12 ∶1 四種尾砂級(jí)配方案。

2 充填料漿配合比強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)要求,并綜合考慮礦山充填應(yīng)用現(xiàn)狀,選擇4 組灰砂比分別為1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8 和1 ∶14;料漿質(zhì)量濃度選取5 組,分別為50%、52%、54%、56%和58%;并結(jié)合前面對(duì)尾砂級(jí)配的分析,選擇細(xì)砂∶粗砂4 組不同比例;共80 組試驗(yàn),對(duì)每組進(jìn)行充填體養(yǎng)護(hù)齡期為3、7 和28 d 的強(qiáng)度全面試驗(yàn),每組單個(gè)齡期測(cè)試3 個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度取其平均值。分析研究不同尾砂級(jí)配、料漿質(zhì)量濃度和固結(jié)劑添加量對(duì)充填體強(qiáng)度變化規(guī)律和性能。按照試驗(yàn)方案,將固結(jié)劑與尾砂進(jìn)行混合,加入水后充分?jǐn)嚢?制備出充填料漿。將制備好的料漿倒入涂抹好潤(rùn)滑油的長(zhǎng)寬高均為7.07 cm 的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模具,為模擬井下真實(shí)養(yǎng)護(hù)溫度與濕度,經(jīng)搗實(shí)、抹平后,放置于溫度為25 ℃,濕度為99% 的SHBY-60B 型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi),24 h 后經(jīng)脫模、編號(hào)、貼簽,待測(cè)試試塊置于養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直到達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期。在達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)齡期后,參照《GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》在DYE-300 型全自動(dòng)抗壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律

為獲得安徽某鐵礦混合尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度變化的數(shù)學(xué)模型,針對(duì)以上不同質(zhì)量濃度、不同尾砂級(jí)配、不同固結(jié)劑摻量下的充填體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行非線性曲線擬合,以灰砂比為橫坐標(biāo),充填體單軸抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo),并且以養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的作為礦山生產(chǎn)參考值,得出混合尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量濃度、尾砂級(jí)配和固結(jié)劑摻量的擬合關(guān)系如表3 所示,擬合關(guān)系曲線如圖3 所示。

表3 充填體抗壓強(qiáng)度與固結(jié)劑摻量的關(guān)系式Table 3 Relationship between compressive strength of backfill and content of consolidation agent

圖3 抗壓強(qiáng)度與固結(jié)劑添加量的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and amount of consolidation agent

從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)中可以看出,在固結(jié)劑添加量在25%以內(nèi),不同的料漿質(zhì)量濃度、不同尾砂級(jí)配下的充填體抗壓強(qiáng)度基本都遵循指數(shù)函數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律;由試驗(yàn)結(jié)果可知,提升充填料漿質(zhì)量濃度在不同尾砂級(jí)配下抗壓強(qiáng)度都有顯著提升,但在較低固結(jié)劑摻量下,如固結(jié)劑摻量為7%左右時(shí),料漿質(zhì)量濃度的提升對(duì)強(qiáng)度的影響較小;而當(dāng)固結(jié)劑摻量為25%時(shí),隨著質(zhì)量濃度的提升,抗壓強(qiáng)度逐步提升且變化較為顯著,即隨著固結(jié)劑摻量的增加,料漿質(zhì)量濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響越大。而從圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)中可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的尾砂顆粒級(jí)配對(duì)充填體強(qiáng)度影響不顯著,在同一固結(jié)劑摻量下,充填體抗壓強(qiáng)度差異很小,但隨著粗砂摻量的增加,充填體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)也隨之增多[18],整體強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大然后減小的趨勢(shì),但差異很小,可能是粗砂整體含量較低且細(xì)尾砂的含量仍然較大的原因,導(dǎo)致充填體強(qiáng)度難以有較大提升。充填體抗壓強(qiáng)度與固結(jié)劑摻量、料漿質(zhì)量濃度和尾砂級(jí)配均有關(guān)系,其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)模型總體可表現(xiàn)為

式中,a、b、c分別為與質(zhì)量濃度、固結(jié)劑摻量及尾砂級(jí)配相關(guān)的擬合系數(shù);x為養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3 響應(yīng)面法優(yōu)化料漿配比試驗(yàn)

3.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)面分析法(response surface methodology,RSM)是一種能提升試驗(yàn)效率和精度、優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的方法,響應(yīng)面分析法共有3 種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,本文采用Design-Expert 軟件的Box-Behnken(BBD)進(jìn)行響應(yīng)面法計(jì)算[19-20]。

由前文可知,充填料漿配合比各要素均會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響,因此本文設(shè)置固結(jié)劑摻量、料漿質(zhì)量濃度和尾砂級(jí)配3 個(gè)影響因素,每個(gè)因素設(shè)置3 水平,其中固結(jié)劑摻量分別為7%、16%和25%,料漿質(zhì)量濃度分別為50%、54%和58%,尾砂級(jí)配分別為8 ∶1、10 ∶1 和12 ∶1。分析3 因素及其各因素交互作用對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下充填體強(qiáng)度的影響,RSM-BBD 實(shí)驗(yàn)因素與水平見表4。

表4 RSM-BBD 實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 4 RSM-BBD experimental factors and levels

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與強(qiáng)度模型

根據(jù)響應(yīng)面分析法(RSM),構(gòu)建3、7 和28 d 充填體強(qiáng)度為相應(yīng)值的回歸模型,探究固結(jié)劑摻量、料漿質(zhì)量濃度和尾砂級(jí)配單一或交互作用下對(duì)充填體強(qiáng)度的影響情況,從而獲得適合安徽某鐵礦不同充填條件下的最佳配比。采用Design-Expert 軟件中Cube模塊生成的17 組強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn),試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5。分別用x1、x2、x3表示固結(jié)劑摻量、料漿質(zhì)量濃度和尾砂級(jí)配作為3 種影響抗壓強(qiáng)度的因素,分別用y1、y2、y3表示3、7 和28 d 充填體抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng)值,用y'1、y'2、y'3表示響應(yīng)面計(jì)算結(jié)果,得到的響應(yīng)面函數(shù)如下。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Design and results of response surface analisis

3 d 抗壓強(qiáng)度:

7 d 抗壓強(qiáng)度:

28 d 抗壓強(qiáng)度:

根據(jù)回歸結(jié)果,齡期為7 d 及28 d 的參數(shù)方程回歸系數(shù)R2均接近于1,表明關(guān)系方程擬合度高;而齡期為3 d 的關(guān)系方程擬合度較低。

3.3 基于響應(yīng)面法的充填體強(qiáng)度分析

3.3.1 3 d 強(qiáng)度分析

表6 為3 d 養(yǎng)護(hù)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度的推薦模型及方差分析,從推薦模型回歸系數(shù)R2=0.822 6 可知,模型的擬合程度較差,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間相關(guān)性較低。但從顯著性檢驗(yàn)可以看出,單因素對(duì)3 d 單軸抗壓強(qiáng)度顯著性大小的排序?yàn)?固結(jié)劑摻量(x1)＞質(zhì)量濃度(x2)＞尾砂級(jí)配(x3);其中,3 d 強(qiáng)度模型的固結(jié)劑摻量F值最大,表明固結(jié)劑摻量對(duì)充填體早期強(qiáng)度的影響最顯著,在水化反應(yīng)早期,充填體內(nèi)部將生成鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)(AFt),同時(shí)生成少量硅酸鈣凝膠,這些水化產(chǎn)物慢慢將充填體內(nèi)的孔隙充填,使充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密程度提升,強(qiáng)度隨之增大[21],其余2 項(xiàng)指標(biāo)顯著性較差;交叉項(xiàng)中固結(jié)劑摻量和尾砂級(jí)配的交互作用對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響較大,在養(yǎng)護(hù)早期階段,水化反應(yīng)不完全,并且為模擬安徽某鐵礦高濕度的養(yǎng)護(hù)環(huán)境,充填體內(nèi)仍保存大量水無法脫出,導(dǎo)致質(zhì)量濃度對(duì)早期強(qiáng)度影響較小。

表6 3 d 抗壓強(qiáng)度回歸模型及方差分析Table 6 Analysis of variance with the regression model of 3 d uniaxial compressive strength

3.3.2 7 d 強(qiáng)度分析

表7 為7 d 養(yǎng)護(hù)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度的推薦模型及方差分析,從推薦模型回歸系數(shù)R2=0.968 6 可知,模型的擬合程度較高。根據(jù)方差分析,單一因素對(duì)強(qiáng)度影響的顯著性大小的順序?yàn)?固結(jié)劑摻量(x1)＞質(zhì)量濃度(x2)＞尾砂級(jí)配(x3);交互項(xiàng)的影響順序由大至小依次為x1x3,x1x2和x2x3。其中,固結(jié)劑摻量的P值小于0.000 1,表明該項(xiàng)指標(biāo)極為顯著;交互項(xiàng)中x1x3交互作用下的P值也小于0.000 1,說明x1和x3交互作用對(duì)7 d 強(qiáng)度的影響也極為顯著。

表7 7 d 抗壓強(qiáng)度回歸模型及方差分析Table 7 Analysis of variance with the regression model of 7 d uniaxial compressive strength

圖4(a)～圖4(c)所示為7 d 時(shí)充填體強(qiáng)度的響應(yīng)曲面圖,響應(yīng)面圖的陡峭程度直觀反映了各因素交互作用的顯著性與大小。從圖4 可知:

圖4 7 d 強(qiáng)度影響因素響應(yīng)面分析Fig.4 Response surface analysis of 7 d intensity influencing factors

(1)圖4(a)所示為尾砂級(jí)配為8 ∶1 時(shí),x1x2的交互作用對(duì)充填體7 d 強(qiáng)度的影響。從圖4(a)可以看出:x1x2交互作用對(duì)7 d 強(qiáng)度影響顯著,在等值線圖中得以證實(shí);對(duì)強(qiáng)度影響越大其等值線也就越密。充填體強(qiáng)度隨著x1x2值的提升也隨著增大,當(dāng)x1=18%,x2=55%左右時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值1.37 MPa。并且隨著x1的逐漸增大,x2對(duì)強(qiáng)度的影響逐漸減小;當(dāng)x1不變時(shí),隨著x2的增大,充填體強(qiáng)度先增大然后減小,這是因?yàn)槌龉探Y(jié)劑水化反應(yīng)所需的水將抑制強(qiáng)度的提升,而x2超過適當(dāng)范圍時(shí),充填體內(nèi)水不足導(dǎo)致水化反應(yīng)不完全,從而強(qiáng)度較低。

(2)圖4(b)所示為質(zhì)量濃度為54%時(shí),x1x3的交互作用對(duì)充填體7 d 強(qiáng)度的影響。從圖4(b)可見:當(dāng)尾砂級(jí)配x3較高時(shí),固結(jié)劑摻量x1對(duì)充填體強(qiáng)度具有較高的抑制作用;當(dāng)x3低于9.0 時(shí),固結(jié)劑摻量對(duì)強(qiáng)度的影響效果更為明顯,隨著x1的緩慢增大,充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸增大,同時(shí)強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大,可能是由于粗骨料的增多,骨架之間的孔隙無法充實(shí),導(dǎo)致強(qiáng)度極低,隨著x1增大,一部分固結(jié)劑充當(dāng)細(xì)骨料并與水化產(chǎn)物充填到孔隙中,充填體強(qiáng)度也就隨之增大;當(dāng)x1=20%,x3=8 左右時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值1.745 MPa。

(3)圖4(c)所示為固結(jié)劑摻量為13.5%時(shí),x2x3的交互作用對(duì)充填體7 d 強(qiáng)度的影響。從圖4(c)可見:在尾砂級(jí)配和質(zhì)量濃度交互作用下,x2對(duì)強(qiáng)度影響更顯著,僅觀察單一因素時(shí),抗壓強(qiáng)度隨x2的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),表明在當(dāng)前尾砂級(jí)配范圍內(nèi),x2=54%～55%時(shí)可得到最大強(qiáng)度,而濃度過高時(shí)水化反應(yīng)不足將導(dǎo)致強(qiáng)度反而難以提高;從等高線圖可知,x2低于53%后充填體強(qiáng)度降低速率增大,即當(dāng)前條件下低濃度無法得到適用強(qiáng)度;從等高線圖可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)在x3為9 ～10 左右時(shí),x2在53%～57%左右均可達(dá)到最大強(qiáng)度范圍,這是由于細(xì)尾砂占比較高,處于最大密實(shí)度時(shí)的骨架結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響為主。

3.3.3 28 d 強(qiáng)度分析

表8 為28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度的推薦模型及方差分析,從推薦模型回歸系數(shù)R2=0.967 7 可知,模型的擬合程度較高。從顯著性檢驗(yàn)可以看出,單因素顯著性大小的排序?yàn)?固結(jié)劑摻量(x1)＞尾砂級(jí)配(x3)＞質(zhì)量濃度(x2),相較于7 d 強(qiáng)度,x3的影響超過x2,因?yàn)樵趶?qiáng)度形成的后期,x3對(duì)支撐網(wǎng)絡(luò)體系的形成起到關(guān)鍵作用;交互項(xiàng)的影響順序由大至小依次為x1x3,x2x3和x1x2。圖5(a)～ 圖5 (c)所示為28 d 時(shí)充填體強(qiáng)度的響應(yīng)曲面圖,響應(yīng)面圖的陡峭程度直觀反映了各因素交互作用的顯著性與大小。從圖5 可知:

表8 28 d 抗壓強(qiáng)度回歸模型及方差分析Table 8 Analysis of variance with the regression model of 28 d uniaxial compressive strength

圖5 28 d 強(qiáng)度影響因素響應(yīng)面分析Fig.5 Response surface analysis of 28 d intensity influencing factors

(1)圖5(a)所示為尾砂級(jí)配為8 ∶1 時(shí),x1x2的交互作用對(duì)充填體28 d 強(qiáng)度的影響。從圖5(a)可以看出,僅觀察單因素時(shí),抗壓強(qiáng)度隨著x1增大而增大,隨著的x2增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)x1=20%,x2=53%左右時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值2.40 MPa。相較于7 d 最大強(qiáng)度,28 d 最大強(qiáng)度提升75%,交互作用顯著;并且28 d 養(yǎng)護(hù)齡期下,其最佳質(zhì)量濃度范圍更低,有利于料漿的輸送。

(2)圖5(b)所示為質(zhì)量濃度為54%時(shí),x1x3的交互作用對(duì)充填體28 d 強(qiáng)度的影響。觀察響應(yīng)面可知,28 d 養(yǎng)護(hù)齡期與7 d 養(yǎng)護(hù)齡期相比,總體影響規(guī)律趨于一致,同樣是當(dāng)x1=20%,x3=8 左右時(shí),其強(qiáng)度達(dá)到最大值為2.67 MPa,提升了53%;對(duì)比交互項(xiàng)F值可知,x1x3交互作用下對(duì)28 d 強(qiáng)度影響是最顯著的,28 d 的最大與最小強(qiáng)度差約為7 d 時(shí)最大與最小強(qiáng)度差的1.6 倍,變化幅度較大。這是由于水化反應(yīng)持續(xù)發(fā)生,養(yǎng)護(hù)齡期長(zhǎng)的充填體內(nèi)水化反應(yīng)充分,產(chǎn)物連貫成鏈,對(duì)強(qiáng)度影響顯著。

(3)圖5(c)所示為固結(jié)劑摻量為13.5%時(shí),x2x3的交互作用對(duì)充填體28 d 強(qiáng)度的影響。從圖4(c)等高線圖可看出:充填體強(qiáng)度隨x2與x3的增大,分別出現(xiàn)了先增后減與不斷增大的趨勢(shì),當(dāng)x3=10%,x2=54%左右時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值2.10 MPa;與7 d強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn),x3對(duì)后期強(qiáng)度的影響更顯著;等高線圖呈現(xiàn)橢圓,說明x2與x3交互作用強(qiáng),對(duì)后期強(qiáng)度影響劇烈。

3.4 充填料漿最優(yōu)配比

根據(jù)安徽某鐵礦不同生產(chǎn)條件下對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下充填體強(qiáng)度需求,充填體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如下:7 d 時(shí),≥1.0 MPa;28 d 時(shí),≥1.5 MPa。為制備出滿足設(shè)計(jì)要求且成本最低的充填料漿,料漿質(zhì)量濃度越低越有利于輸送,固結(jié)劑摻量越低可減少大量充填成本,在此條件下,得到最優(yōu)料漿配比條件為:當(dāng)x1=7%、x2=53%、x3=12%左右時(shí),7 d 強(qiáng)度可達(dá)到1.09 MPa,28 d 強(qiáng)度可達(dá)到1.725 MPa。

4 結(jié) 論

(1)采用Talbol 理論對(duì)球磨尾砂、溢流尾砂與粗砂進(jìn)行級(jí)配分析,發(fā)現(xiàn)球磨尾砂、溢流尾砂級(jí)配指數(shù)n分別為0.35 和0.41,均低于0.50,表明細(xì)尾砂占比高,需添加粗砂進(jìn)行優(yōu)化;粗砂級(jí)配指數(shù)n為0.58,略高于0.50,說明整體粗粒級(jí)尾砂占比偏大,需添加細(xì)尾砂改善級(jí)配。因此,根據(jù)粗砂添加量不同設(shè)計(jì)出8 ∶1、9 ∶1、10 ∶1、12 ∶1 四種級(jí)配范圍。

(2)探究不同因素對(duì)28 d 強(qiáng)度影響規(guī)律可知,固結(jié)劑摻量、質(zhì)量濃度與尾砂級(jí)配均為影響充填體抗壓強(qiáng)度的主要因素,并且不同質(zhì)量濃度與尾砂級(jí)配下的充填體抗壓強(qiáng)度遵循指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律;隨著粗砂摻量的增加,整體強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大然后減小的趨勢(shì),但差異很小,可能是粗砂整體含量較低且細(xì)尾砂的含量仍然較大的原因,導(dǎo)致充填體強(qiáng)度難以有較大提升。

(3)基于響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)構(gòu),建立了固結(jié)劑摻量、質(zhì)量濃度與尾砂級(jí)配于不同養(yǎng)護(hù)齡期之間的回歸關(guān)系,構(gòu)建了充填體強(qiáng)度模型;利用模型的響應(yīng)面與等高線圖對(duì)3 個(gè)自變量及交互作用下的影響進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明:單因素在不同齡期下對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著,顯著性大小的順序?yàn)?固結(jié)劑摻量(x1)＞質(zhì)量濃度(x2)＞尾砂級(jí)配(x3);固結(jié)劑摻量與尾砂級(jí)配交互作用下對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著。

(4)根據(jù)響應(yīng)面法獲得滿足固結(jié)劑摻量與料漿質(zhì)量濃度盡可能低的條件下,使得充填體成本最小化與料漿輸送最優(yōu)條件,得到最優(yōu)料漿配比條件為:x1=7%、x2=53%、x3=12%。