某铅锌矿全尾砂胶结充填体强度试验研究

石满生 ，徐文峰 ，王文涛

（1. 江西天億矿业有限公司，江西 贵溪 335400；2. 江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

1 引言

因充填采矿法比空场法、崩落法具有安全性可靠、矿石回采率高、对环境友好等特点，目前已广泛应用于地下矿山的开采［1］。随着矿产资源日渐减少，矿山生产环境逐渐恶化，在绿色开采及可循环发展的政策引导下，采用充填法不仅能有效处理矿山尾砂，更能有效控制采空区，防止采场因地应力引起的岩爆、顶板冒落等安全事故［2-4］。国内外研究学者对充填材料进行了大量研究和分析，罗根平等对废石尾砂胶结充填试验研究，阐述了废石尾砂胶结充填工艺的工业性和原理［5］；徐文峰等以良山铁矿全尾砂为试验材料，掺入膨润土改善充填体强度［6］；刘炜鹏等研究模拟井下酸性环境下充填体的强度变化［7］；徐飞、魏晓明等结合尾砂强度试验，得出充填体强度与充填材料的物化性质有关［8-9］；韩斌、孙光华等结合正交试验配制不同配比的充填试块，并推导出充填体强度与料浆质量分数、水泥掺量、人工尾砂比的回归方程［10-11］；LIU等研究认为充填体强度取决于其孔隙结构特征和微观结构变化［12］；SUN 等研究影响充填因素和特征，从而确定最佳充填配比［13］；谷岩分析充填体力学作用机理，计算充填体暴露高度与强度的关系，从而得出充填体配比最优设计依据［14］。

全尾砂胶结充填体的强度与充填料浆的灰砂比、质量浓度、养护时间有很大关系［15］，本文以某铅锌矿全尾砂为充填材料进行正交试验，分析其物理化学性质，研究胶结充填体与灰砂比、质量浓度及养护时间之间的关系，并对三因素进行敏感性分析。

2 充填体强度试验

2.1 试验材料

全尾砂的物化性质决定充填料浆的流动输送性能和物理力学性能。试验所用的尾砂为某铅锌矿全尾砂，ICP-MS 测定化学成分如表1 所示，主要元素是O、Fe、Si、Mn、Mg、Al 等，S 含量较低，XRD 矿物分析（见图1）主要是SiO2和Fe、Mn、Mg、Al 等的化合物；全尾砂物理特性参数如表2 所示；全尾砂级配通过激光粒度分析仪测得，全尾砂粒级分布表如表3 所示，粒径级配曲线如图2 所示，其中d10=2.77μm，d50=44.26μm，d90=134.19μm，计算后得到不均匀系数24.89 ＞5，说明其级配均匀，密实程度好。

本次试验所用胶结材料为普通硅酸盐建筑水泥，型号为PC32.5。

表1 全尾砂化学成分分析表 %

表2 全尾砂物理性质

表3 全尾砂粒级分布表

图1 全尾砂XRD 图谱

图2 全尾砂粒径级配曲线

2.2 试验方案

本次胶结充填料浆最优配比试验，选定灰砂比（A）、质量浓度（B）、养护时间（C）为三个影响因素，各因素均选定四个水平（详见表4）进行三因素四水平正交组合试验，即进行L16(34)共16组试验。

表4 正交试验因素水平表

采用边长7.07cm×7.07cm×7.07cm 三联试模，在试模内进行充填料浆的浇筑，再进行试件脱模，并送恒湿、恒温箱继续养护。利用RMT-150C 压力试验机测试其单轴抗压强度，每组配比取10 个试块进行试验，试验结果取平均值计算。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

不同质量浓度、灰砂比及养护时间的充填体试块抗压强度测试结果如表5 所示。

表5 充填体试块抗压强度

3.2 各因素敏感性分析

根据正交试验充填体抗压强度数据结果表5 的数据，计算得到各因素的抗压强度极差分析结果如表6 所示，并绘制极差抗压强度趋势图如图3 所示。

表6 充填体强度极差分析结果

图3 抗压强度-敏感因素极差分析

从图3 可知，影响胶结充填体单轴抗压强度的主要因素是灰砂比，其次是养护时间，最次为质量浓度。充填体强度随灰砂比增大（即水泥用量增大）迅速增大，但灰砂比较小时（1∶10、1∶20）影响较不明显；抗压强度随质量浓度、养护时间增大而增大，养护初期时抗压强度增长缓慢，到后期（28d）强度达到最大，这主要是充填体中的水泥完全发生水化反应，从而使得充填体强度显著提高；质量浓度从73%增至76%区间时充填体强度增长速率（1.034MPa）最快，浓度70%增至73%的增长速率为0.352MPa，浓度73%增至76%的增长速率为0.96MPa，说明当浓度增大到一定程度时，对抗压强度影响迟钝。

3.3 各因素多元线性回归

综上可知，影响全尾砂胶结充填体抗压强度的因素是灰砂比、质量浓度和养护时间，任何因素的变化均会导致充填体强度产生较大影响。实际生产中，充填料浆的配比参数往往是一个波动值，为预测配比参数随机波动条件下充填体质量，结合实验室内配比试验结果，通过回归分析，得出充填体强度与影响因素之间的定量关系表达式，以便及时调整配比参数。

假如因变量y 与p 个自变量：x1，x2，x3，…，xp的内在联系是线性的，它的第a 次试验数据是：（ya∶xa1，xa2，xa3，…，xan，a=1，2，…，n） 。因而可假设这组数据有如下结构式：

其中： β1，β2， β3，…， β4是待估计参数，x1，x2，x3，…，xp是P 可以精确测量或控制的一般变量，ε1，ε2， ε3，…， 是N 个相互独立服从于同一正态分布N（0，σ）的随机变量。

本试验设计考虑的因素主要为灰砂比、质量浓度和养护时间，为方便矿山生产实际需要，将灰砂比转化为水泥用量，因此将三因素分别设为自变量x1，x2，x3（表示各变量的因子水平取值），则全尾砂充填体抗压强度多元线性回归方程为：

其相关数学统计参数如表7 所示。查表得F0.05=（3，12）=3.49， 显 见F=13.2644＞F0.05（3，12）=3.49，所以抗压强度线性回归显著。

表7 抗压强度方差分析表

3.4 优选配比

为寻求充填料浆的最优配比，对室内充填试验的四个力学指标（抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力）和一个流变指标（坍落度）提出以下优化要求：Y抗压强度≥2.30MPa、Y抗拉强度≥0.23MPa、Y弹性模量≥210MPa、Y内聚力≥0.30MPa、Y坍落度≥23cm，联立求解5 个回归方程的不等式（编制成MATLAB 程序），并由表4、表5 采用优选法寻优，确定最优配比为A1B3C4，即灰砂比1:4、料浆质量浓度76%、养护时间28d。

4 结论

（1）以灰砂比、质量浓度、养护时间为因素，采用L16(34)正交设计，开展了16 组充填料浆配合比试验，获得了不同配比的充填体力学参数及其与三因素的多元（线性）回归方程，经F 检验拟合方程回归显著。

（2）灰砂比、质量浓度及养护时间对胶结充填体的抗压强度均有不同程度的影响，其中影响最大的是灰砂比，其次是养护时间，最次是质量浓度。

（3）采用联立求解力学参数回归方程不等式和优选法寻优，获得该矿最优充填料浆配比为灰砂比1∶4、质量浓度76%、养护时间28d。