全尾砂胶结充填参数优化研究

鄂玉强

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

随着国家对于地下矿山安全生产要求的日益严格，以及金属矿石选矿后产出的尾砂处理，使得越来越多的矿山选用充填法开采。

目前，针对金属矿山全尾砂胶结充填参数已进行了大量的研究，谢毅龄等[1]针对胶凝材料的用量进行了优化研究，降低了全尾砂胶结的充填成本；王辉林等[2]通过改进充填物料配比，有效地降低了现场充填成本；张国胜等[3]针对绿色矿山建设中存在的矿体回采损失、贫化率高的问题，采用响应面法指导生产实践中的充填配比，为充填配比优化提供了一种新的思路；陈金刚等[4]探究了超细全尾砂胶结充填体试件在室内标准养护条件和井下硐室低温条件下的强度发展规律，并分析了两种养护条件下强度差异产生的原因，有效指导了高寒高海拔环境下甲玛铜矿的充填作业；杨青林等[5]研究了充填体强度、充填料浆流动性与灰砂比、充填浓度之间的关系；王永岩等[6]探明了不同养护龄期下的胶结充填体的抗拉性能均较弱，破坏形式均为拉伸破坏，混凝土的2个经典强度预测模型对全尾砂胶结充填体较为合适，尤其是ACI 209模型可以简明准确地预测不同龄期下胶结充填体的强度；王浩等[7]对不同配比全尾砂胶结充填体的动态损伤特性进行了研究；王文涛等[8]针对某萤石矿开展了全尾砂胶结充填料浆最优配比试验研究；张静等[9]对全尾砂和废石联合胶结充填体的最佳配比及应用开展相关研究。

综上，目前针对全尾砂充填参数配比多数是以物理试验进行研究，在新的研究方法方向上所做研究较少。本研究为获取合理可行的全尾砂胶结充填参数，通过RSM设计试验方案，利用某钨矿山全尾砂进行物理试验，确定最优设计点，对全尾砂胶结充填参数进行优化设计。

1 试验方案确定

1.1 试验方案

RSM是一种统计学试验方法[10]，可以对某个随机过程进行优化，利用Design-Expert软件针对优化对象进行试验设计，建立优化对象与相关影响因素之间的相关关系，具有节省试验次数、通过试验结果拟合和优化可得出符合实际的模型、建立的复杂多维空间曲面能直观地展现随机过程的规律等优点。研究通过改变采场结构参数组合，建立了多种采场模型。灰砂比、养护时间、充填浓度等对充填体强度有着较大的影响，因此，为了探明较为合理的全尾砂胶结充填参数，设计了RSM试验方案，各因素及水平见表1。

1.2 全尾砂性质

对某钨矿山取样的全尾砂进行了密度测试及 渗透性测试等，测试结果见表2。

表1 试验方案

表2 全尾砂物理性质

对全尾砂进行了粒级分析测试，测试结果如图1所示。

图1 全尾砂粒径分布

1.3 试验过程

按照设计配比要求称量尾砂和水泥，配制充填料浆。将称量好的充填物料倒入混合容器，强力搅拌形成均匀充填料浆，将料浆注入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm标准三联试模，待试块能初步自立后脱模，将脱模后的试块在养护箱内进行养护（温度20℃、湿度80%）。试块养护达到规定龄期（7 d、14 d、28 d）后，利用微机控制电液伺服岩石三轴试验机测定其单轴抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

根据表1设计的方案，以各影响因素取值为自变量，以充填体强度作为评价指标，试验结果见 表3。

表3 各方案试验结果及预测值

从图2可以看出，各配比方案的试验结果与预测值的变化趋势一致，且同方案间的差值较小，表明了基于RSM的预测值较为可靠，该方法能够在全尾砂胶结充填参数优化中应用。

图2 充填体强度预测值与物理试验结果的对比

2.2 试验结果分析

根据试验结果可分析充填体强度与灰砂比、养 护时间和充填浓度间的相互影响关系，通过RSM绘制影响因素与评价指标的相关关系曲面图，见图3～图5。

图3 充填体强度与灰砂比及养护时间响应关系

通过分析可知，灰砂比与充填体强度的关系为 正相关，即灰砂比越大，其充填体强度也越大；养护时间与充填体强度的关系为正相关，即养护时间越久，其充填体强度也越大；充填浓度与充填体强度的关系为正相关，即充填浓度越大，其充填体强度越大。

图4 充填体强度与灰砂比及充填浓度响应关系

图5 充填体强度与养护时间及充填浓度响应关系

2.3 建立数学模型

对物理试验数据进行处理，通过RSM建立充填体强度与灰砂比、养护时间和充填浓度间的数学模型，见式（1）。

式中，D为充填体强度RSM预测值，MPa。

表4为顶板沉降位移二次多项式模型的方差分析，根据方差分析可知，所建立的模型显著，即所建立的关于充填体强度与灰砂比、养护时间和充填浓度的关系较为准确。同时可以看出，灰砂比对充填体强度的影响最为显著，其次是养护时间，充填浓度的影响程度最小。

表4 顶板沉降位移二次多项式模型的方差分析

3 全尾砂胶结充填参数优化

由上述分析可知，对全尾砂胶结充填体强度影响程度的因素排序为：灰砂比＞养护时间＞充填浓度。基于此，通过RSM建立全尾砂胶结充填浓度参数优化模型，通过控制顶板的位移量，调整各影响因素的取值范围与权重比例，最终得出较为合适的全尾砂胶结充填参数。

在考虑金属地下矿山充填体强度与充填材料成本等因素下，可建立如下优化模型：

根据优化模型应用Design-Expert软件计算得出，灰砂比为1:5.81，养护时间为14.45 d，充填浓度为70%是本实例的最优全尾砂胶结充填参数，在实际应用中应取整数，故最优参数为灰砂比为1:6，养护时间为14 d，充填浓度为70%。

4 结论

（1）针对某钨矿山全尾砂胶结充填参数进行RSM试验设计，利用物理试验测试不同配比的胶结充填体的强度，并与RSM得出的预测强度值进行对比，其各方案差值较小，表明RSM应用于全尾砂胶结充填参数优化具有可行性。

（2）试验结果表明灰砂比与充填体强度的关系为正相关；养护时间与充填体强度为正相关；充填浓度与充填体强度关系为正相关。

（3）通过研究发现，灰砂比对充填体强度的影响最为显著，其次是养护时间，充填浓度的影响程度最小，为后续建模赋予各因素权重提供了依据。

（4）基于充填体强度与灰砂比、养护时间和充填浓度三个影响因素建立二次多项式回归模型，并依据该模型对充填体强度进行优化选择，通过控制各指标的影响程度以及相关关系，得出灰砂比为1:6，养护时间为14 d，充填浓度为70%是实例矿山的最优充填参数。实例研究表明将RSM应用于地下矿山全尾砂胶结充填参数优化是一种可靠的手段，可以优选出最佳的参数组合。