孫光華 魏莎莎 蘇東良

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

基于正交試驗(yàn)的全尾砂膠結(jié)充填配比方案優(yōu)化

孫光華1,2魏莎莎1,2蘇東良1,2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

為獲得全尾砂膠結(jié)充填最優(yōu)配比，降低礦山充填成本，保證空區(qū)穩(wěn)定，以全尾砂膠結(jié)充填體試塊為研究對(duì)象，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，綜合考慮充填體強(qiáng)度的影響因素，采用正交試驗(yàn)開展研究，并運(yùn)用極差和方差分析法對(duì)充填體強(qiáng)度影響因素的敏感性和顯著性進(jìn)行分析。研究表明：試驗(yàn)最優(yōu)配比方案為濃度75%，灰砂比1∶6，養(yǎng)護(hù)齡期28 d；影響試塊的敏感性順序是養(yǎng)護(hù)齡期>灰砂比>濃度；養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響最顯著。因此，礦山在生產(chǎn)實(shí)際中要保證充填體的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

全尾砂膠結(jié)充填體 抗壓強(qiáng)度 正交試驗(yàn) 方案優(yōu)化

充填采礦法具有充填治理井下空區(qū)、減少地表大宗尾廢堆、減少礦區(qū)環(huán)境污染、降低礦石貧化損失指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們重視，已成為地下采礦技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1]。

隨著膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化充填膠結(jié)料漿配比，降低充填成本，提高充填效能，使充填體的抗壓強(qiáng)度滿足工程需要[2-4]成為國(guó)內(nèi)外充填領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。其中全尾砂膠結(jié)充填體在工程中有尾砂來(lái)源廣、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，且作為一種新型充填材料可以滿足充填工藝的強(qiáng)度要求，因此研究全尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度對(duì)充填采礦具有重要意義[5]。

本研究以全尾砂膠結(jié)充填體為研究對(duì)象，通過(guò)正交試驗(yàn)法，針對(duì)不同的濃度、灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期3種因素進(jìn)行充填體配比方案優(yōu)化研究，通過(guò)對(duì)充填體試塊進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出最優(yōu)配比方案,各因素對(duì)充填體試塊強(qiáng)度的敏感性順序以及各因素變化對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)。

1 正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

鐵礦全尾砂和普通325硅酸鹽水泥為該試驗(yàn)研究選用的材料。尾砂物理力學(xué)性能的測(cè)試是充填體力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)[6]。本試驗(yàn)的全尾砂物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 全尾砂物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)指標(biāo)、因素及取值

在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，綜合分析膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響因素，本試驗(yàn)將充填體試件的單軸抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，充填料漿的灰砂比、濃度和養(yǎng)護(hù)齡期作為影響全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的主要因素。

為了科學(xué)合理地安排多因素試驗(yàn)，使每個(gè)試驗(yàn)或數(shù)據(jù)含有最大的信息量，故采用正交試驗(yàn)法[7]。各因素與相對(duì)應(yīng)的水平取值見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3因素3水平的正交試驗(yàn)，用L9(34)正交表(因素：A灰砂比、B養(yǎng)護(hù)齡期、C濃度，水平：1、2、3)，列出每組試驗(yàn)的具體條件，將具體方案填入正交表中。全尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

表3 全尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 試件制備及單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)按照表3中的試驗(yàn)方案配置一系列全尾砂膠結(jié)充填試塊，每組試驗(yàn)制作出3個(gè)相同的試塊，每種濃度的試塊按灰砂比1∶6、1∶12、1∶20進(jìn)行制作，不同濃度、不同灰砂比試塊根據(jù)相關(guān)規(guī)定養(yǎng)護(hù)，分別進(jìn)行3、7、28 d齡期的養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)之前將試件上下2個(gè)端面磨平，以符合試驗(yàn)規(guī)范要求。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確可靠，對(duì)每組3個(gè)相同條件的試塊分別進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，結(jié)果取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于礦山充填及開采要求而言，充填體強(qiáng)度達(dá)到2.0～3.0 MPa即能滿足常規(guī)要求[8]。由表4分析結(jié)果可知灰砂比為1∶6、濃度為75%、養(yǎng)護(hù)齡期28 d試件與灰砂比為1∶12，濃度為70%、養(yǎng)護(hù)齡期7 d試塊結(jié)果均滿足強(qiáng)度要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

2.1 極差分析

結(jié)合正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)極差分析可以分析出各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的敏感性。對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表5。

表5 極差分析

由表5可以得出，各因素的極差從大到小依次是養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比和濃度。

從表5還可以分析出試件強(qiáng)度隨各因素變化的大體趨勢(shì)，即灰砂比減小時(shí)，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)降低；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，早期抗壓強(qiáng)度提高不明顯，后期抗壓強(qiáng)度大幅度增加；抗壓強(qiáng)度隨濃度的增加也平穩(wěn)增加。

2.2 方差分析

方差分析可以判斷出各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的顯著性[9]，方差分析表如表6。在方差分析中，顯著性水平取α=0.10，從F分布表中查出F0.10(2.2)=9.00。

經(jīng)方差分析表得出養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度具有最顯著影響，灰砂比影響次之，相比較而言，濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最不明顯。

表6 方差分析

3 結(jié) 論

(1)此次試驗(yàn)的最優(yōu)試驗(yàn)配比方案為A1B3C3，即灰砂比為1∶6，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，濃度為75%，充填體試件的抗壓強(qiáng)度為3.613 MPa。

(2)影響因素對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體的敏感性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期>灰砂比>濃度。根據(jù)敏感度因子排序，當(dāng)充填體濃度一定時(shí)，增加充填料漿的灰砂比，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期，充填體的強(qiáng)度也逐漸增長(zhǎng)。

(3)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著，因此，礦山在生產(chǎn)實(shí)際中要充分保證充填體的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以確保采礦過(guò)程中對(duì)充填體的強(qiáng)度要求。

[1] 夏長(zhǎng)念,孫學(xué)森.充填采礦法及充填技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)礦山工程,2014(1):61-64. Xia Changnian,Sun Xuesen.Application and developing trend of filled stopes method and filling technology[J].China Mine Engineering,2014(1):61-64.

[2] 付建新,杜翠鳳,宋衛(wèi)東.全尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度敏感性及破壞機(jī)制[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014(9)：1149-1157. Fu Jianxin,Du Cuifeng,Song Weidong.Strength sensitivity and failure mechanism of full tailings cemented backfills[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2014(9)：1149-1157.

[3] 劉志祥,周士霖.充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)模型[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(2):7-12. Liu Zhixiang,Zhou Shilin.Knowledge bank model of design of backfill strength[J].Journal of Hunan University of Science & Technology：Natural Science,2012(2):7-12.

[4] 崔學(xué)偉,嚴(yán)榮富,那米日.尾砂膠結(jié)充填配比優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(3):73-75. Cui Xuewei,Yan Rongfu,Na Miri.Optimization research on tailings backfill ratio[J].Modern Mining,2014(3):73-75.

[5] 劉志祥,李夕兵.尾砂膠結(jié)充填力學(xué)試驗(yàn)及損傷研究[J].金屬礦山,2004(11):22-24. Liu Zhixiang,Li Xibing.Mechanics test and damage study on cemented tailing filling[J].Metal Mine，2004(11):22-24.

[6] 鄧代強(qiáng),姚中亮,唐紹輝,等.粒度組成對(duì)膠結(jié)充填體力學(xué)性能的影響[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010(4)：1-2. Deng Daiqiang,Yao Zhongliang,Tang Shaohui,et al.Effect of granulometric composition on the mechanics properties of cemented backfill[J].Mining R & D,2010(4):1-2.

[7] 劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(9):52-55. Liu Ruijiang,Zhang Yewang,Wen Chongwei,et al.Study on the design and analysis methods of orthogonal experiment[J].Experimental Technology and Management,2010(9):52-55.

[8] 宋衛(wèi)東,李豪風(fēng),雷遠(yuǎn)坤.程潮鐵礦全尾砂膠結(jié)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2012,32(1):8-12. Song Weidong,Li Haofeng,Lei Yuankun.Experiment research on the performance of cemented whole-tailings filling material in Chengchao Iron Mine[J].Mining R & D,2012,32(1):8-12.

[9] 黃 震,朱術(shù)云,姜振泉，等.基于正交設(shè)計(jì)的覆巖移動(dòng)影響因素敏感性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013(1):106-112. Huang Zhen,Zhu Shuyun,Jiang Zhenquan,et al.Numerical simulation analysis of overlying rock movement factors based on orthogonal experiment design[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2013(1):106-112.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Optimal Matching Scheme for the Full Tailings-Cemented Filling Based on the Orthogonal Experiment

Sun Guanghua1,2Wei Shaha1,2Su Dongliang1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China;2.HeBeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009,China)

In order to acquire the optimal matching scheme of the full tailings-cemented filling body,decrease the filling cost and guarantee the gap stability,and taking the full tailings-cemented filling body as the research object and the uniaxial compressive strength as the research index,the influencing factors for the strengthening of the filling body are comprehensively analyzed.The sensitivity and the significance of filling body′s influencing factors were analyzed by the range analysis and variance analysis through applying orthogonal experiment.Researches showed that the optimal matching scheme of this experiment was the concentration of 75%,cement-sand ratio of 1∶6 and curing period for 28 days.The intensity sequence of the sensitivity affecting the samples from highest to lowest was the curing age,cement-sand ratio and concentration.The curing age has the most significance on the filling bodies′ compressive strength.Therefore,the mine needs to guarantee the curing age about the filling body in the practical production.

Full tailings-cemented filling body，Compressive strength，Orthogonal experiment，Scheme optimization

2015-02-01

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):E2014209093),唐山市科技局項(xiàng)目(編號(hào):12140208A-11,12140208A-12)。

孫光華(1977-)，男，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD853

A

1001-1250(2015)-04-111-03