全尾砂戈壁集料膏体凝结性与流动性研究*

李公成 王洪江 吴爱祥 彭乃兵 杨 鹏 杨锡祥 周发陆

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;2.北京科技大学土木与环境工程学院;3.招金矿业股份有限公司)

全尾砂膏体充填在料将性能、制备工艺、充填质量、资源回收、节能环保等方面具有较为突出的优势，近年来运用该技术的矿山逐年增加［1-2］。膏体充填分为2类:全尾砂膏体充填和粗骨料膏体充填。粗骨料膏体充填是在全尾砂中添加粗颗粒物料，如风砂、棒磨砂、水淬碴、碎石等，其目的是为了提高充填体强度，改善膏体流动性［3］。由于膏体性能是由复杂的物理化学性质造成的，再加上各个矿山的主要物料来源与配比参数不同，尤其是粗骨料粒级相差较大，膏体的性能差别较大。胶结充填体由于具有真实的内聚力，其强度特性主要是指抗压强度特别是单轴抗压强度特性。塌落度是表征膏体充填料可泵性的指标［4］。

本研究以某矿全尾砂戈壁集料膏体的浓度、灰砂比、尾砂与戈壁集料比和泵送剂添加量为自变量，以膏体的抗压强度和塌落度为因变量，进行处置体的单轴压缩及塌落度试验，以寻求膏体浓度、灰砂比、尾砂与戈壁集料比及泵送剂添加量的添加范围，探索其变化规律。

1 试验

1.1 试验仪器与物料

试验所用测试塌落度的设备为100 mm×200 mm×300 mm塌落筒及刻度尺;测量抗压强度的设备为压力试验机。试验膏体由全尾砂、水泥、戈壁集料和泵送剂4种物料组成，按照正交设计试验方案中的配比进行配制，戈壁集料是选取粒径不大于15 mm级配河砂。利用密度瓶法测得尾砂密度;利用定容称重法测定松散容重和密实容重［5］。固体物料物理性质见表1，水泥型号为32.5R型普通硅酸盐水泥，泵送剂选用为JK－5泵送剂。

表1 固体物料物理参数测定值

全尾砂和戈壁集料粒级组成分别采用激光粒度仪和人工筛分获得，如图1及图2所示。全尾砂的平均粒径为58μm，－5μm、－10μm、－20μm的极细颗粒含量分别为12.3%、20.5%、29.8%，－200目(－74μm)为64.32%，－325目(－45μm)为43.1%，－20μm的含量为29.8%。按照公认膏体充填料中－20μm颗粒含量15%～20%，－20 μm颗粒含量偏高，通过计算，其中全尾砂的不均匀系数为18.36，曲率系数为1.62，在添加适量的戈壁集料后能够制备出理想的膏体。

图1 全尾砂粒级组成曲线

图2 戈壁集料粒级组成曲线

1.2 试验方案

为了全面分析影响因素，减少试验工作量，采用正交设计法设计试验方案［6］。根据试验因素和水平的个数，选择正交表L9(34)进行正交试验，因素水平如表2所示。

表2 因素水平

1.3 试验方法

抗压强度试验是按设计配制的料浆浇灌入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三联砂浆试模内，分别放在标准恒温养护箱(养护条件为:温度20℃，湿度＞90%)中养护28 d后，用压力试验机进行单轴抗压试验，测定28 d龄期的单轴抗压强度。塌落度试验是利用100 mm×200 mm×300 mm的塌落桶进行测量，将搅拌好的膏体充填料将装入桶内，让料浆在自重作用下自由下落，再量取所塌落的高度［7］。所得试验结果运用极差分析方法和回归分析方法进行分析。

2 试验结果

根据试验方案测定抗压强度及塌落度参数，试验结果见表3。

表3 试验结果

3 分析

3.1 极差分析

极差分析方法是正交试验结果分析最常用的方法，具有计算简便，直观易懂等特点，通过极差分析可确定各因素的主次顺序，并可确定各试验因素的优水平和试验范围内的最优组合。极差分析结果如表4所示。

表4 塌落度与28 d强度极差分析

由表4可知，对膏体塌落度极差分析所得极差值均在1个数量级，其主次顺序为:尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量＞灰砂比(B＞A＞D＞C)，各因素对膏体塌落度的影响基本相当，略有差别。由极差分析所得膏体塌落度的优水平可知，在试验范围内，当膏体浓度取76%，尾砂与戈壁集料比取2，灰砂比取0.17，泵送剂添加量取2.5%时，膏体的塌落度达到最大值。

对膏体28 d强度极差分析所得极差差别较大，其中灰砂比的极差较膏体浓度、尾砂与戈壁集料比和泵送剂添加量大1个数量级，其主次顺序为:灰砂比＞尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量(C＞B＞A＞D)，即灰砂比对膏体28 d强度影响最大，尾砂与戈壁集料比、膏体浓度和泵送剂对膏体28 d强度影响基本相当，略有差别。由极差分析所得膏体28 d强度的优水平可知，在试验范围内，当膏体浓度取78%，灰砂比取0.17，尾砂与戈壁集料比取2，泵送剂添加量取1.75%时，膏体的28 d强度可达最大值。

3.2 回归分析

回归分析是在试验数据的基础上，利用最小二乘法原理建立因变量与自变量之间的函数关系［8］。采用DPS数据处理软件对塌落度和28 d强度与各因素之间的关系进行二次多项式逐步回归分析。在DPS建立的回归方程中，相关系数R越接近1，说明回归方程越显著，同时方差分析F值的显著水平p应小于等于0.05。

采用DPS数据处理软件进行回归分析，建立塌落度与膏体浓度、尾砂与戈壁集料比、灰砂比、泵送剂添加量之间的二次多项回归关系，回归方程如式(1)所示，方程的相关系数R=0.999 99，调整后的相关系数Ra=0.999 921，显著水平p=0.009 1＜0.05，说明回归方程极显著，对试验拟合效果较好。

式中，y1为塌落度，其他符号意义同前。由式(1)可以看出，B(尾砂与戈壁集料比系数)最大，因此尾砂与戈壁集料比对塌落度影响最大;其次为A(膏体浓度);再次为D(泵送剂添加量);最后为C(灰砂比)。其主次顺序为:尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量＞灰砂比。

采用DPS数据处理软件进行回归分析，建立28 d强度与膏体浓度、尾砂与戈壁集料比、灰砂比、泵送剂添加量之间的二次多项回归关系，回归方程如式(2)所示，方程的相关系数R=0.999 999，调整后的相关系数Ra=0.999 992，显著水平p=0.002 9＜0.05，说明回归方程极显著，对试验拟合效果较好。

式中，y2为抗压强度，其他符号意义同前。由式(2)可以看出，C(灰砂比的系数)最大，且带有二次项，所以灰砂比对抗压强大影响最大，虽然A(膏体浓度)带有二次项，但是膏体浓度的系数过小，并且相对尾砂与戈壁集料比差1个数量级，因此尾砂与戈壁集料比比膏体浓度影响更大，最后为泵送剂添加量。其主次顺序为:灰砂比＞尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量。

3.3 配比优化

根据生产实践经验，只有当膏体塌落度在20～25 cm时，流动性才达到较合适的范围，从而有利于后期的管道输送;根据采矿方法对强度的要求，假顶和假底的强度只有分别达到1～2 MPa和4～5 MPa时，才能进行安全生产工作;通过前面非线性回归模型的预测，在达到强度要求及流动性要求的情况下，推荐接顶充填膏体的配合比为:膏体浓度77%～78%，尾砂与戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送剂添加量为1.5%～2.0%;接底充填膏体配合比为:膏体浓度77%～78%，尾砂与戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送剂添加量为1.5%～2.0%。

4 结论

(1)正交试验结果表明:在所选择的因素当中，各因素对塌落度影响有轻微差异，对塌落度的影响大小顺序为尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量＞灰砂比;各因素对抗压强度的影响相差较大，其中灰砂比是影响最大的，其影响的大小顺序为灰砂比＞尾砂与戈壁集料比＞膏体浓度＞泵送剂添加量。

(2)通过DPS软件非线性回归得出4因素对塌落度和抗压强度影响的回归模型，分析表明，塌落度和抗压强度与各影响因素之间存在显著的二次非线性相关性。

(3)经过非线性回归模型的预测，推荐假顶充填膏体的配合比为:膏体浓度77%～78%，尾砂与戈壁集料比3～4，灰砂比0.09～0.11，泵送剂添加量为1.5%～2.0%;假底充填膏体配合比为:膏体浓度77%～78%，尾砂与戈壁集料比2.5～3.5，灰砂比0.16～0.17，泵送剂添加量为1.5%～2.0。

［1］ 刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

［2］ Nguyen QD，Boger D V.Applocation of rheology to solving tailings disposal problems［J］.International Journal of Mineral Processing，1988，54:217-233.

［3］ 王洪江，吴爱祥，肖卫国，等.粗粒级膏体充填的技术进展及存在的问题［J］.金属矿山，2009(11):1-5.

［4］ 蔡嗣经，王洪江.现代充填理论与技术［M］.北京:冶金工业出版社，2012.

［5］ 汪攀峰，丁启朔，丁为民，等.一种土壤孔隙率(比)的测定方法［J］.实验技术与管理，2009，26(7):50-51.

［6］ 方开泰，马长兴，等.正交与均匀试验设计［M］.北京:科学出版社，2001.

［7］ 蔡嗣经.矿山充填力学基础［M］.北京:冶金工业出版社，2009.

［8］ 翟永刚，吴爱祥，王洪江，等.全尾砂膏体料浆的流变特性研究［J］.金属矿山，2010(12):30-57.