楊曉炳，閆澤鵬，尹升華，李偉光，高 謙

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083

2) 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628

3) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增加，人類社會(huì)與自然之間出現(xiàn)了不可調(diào)和的矛盾[1-2].膏體充填因其有效的地面支撐作用和廢物處理能力而受到廣泛的關(guān)注[3].膏體通常由骨料（尾礦、廢石等）、水泥和水組成，并且在一定的時(shí)間內(nèi)膏體將形成強(qiáng)度從而對(duì)采礦作業(yè)起到保護(hù)作用[4-5].

水泥是生產(chǎn)膏體的關(guān)鍵材料，與水混合后在空氣（或水）中迅速硬化，并能將回填材料牢固地結(jié)合在一起[6].但是，在礦山充填過(guò)程中大規(guī)模的使用水泥存在以下缺點(diǎn)：1）生產(chǎn)成本高，據(jù)估計(jì)[7-8]，水泥成本約占整個(gè)充填工藝總成本的75%；2）能源消耗量大，在生產(chǎn)水泥過(guò)程中需要消耗大量的原材料和煤，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)水泥生產(chǎn)每年消耗煤炭近1 億噸，同時(shí)消耗石灰石近4 億噸[9]；3）環(huán)境污染嚴(yán)重，水泥生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量二氧化碳，據(jù)估計(jì)，每生產(chǎn)一噸水泥熟料，將排放約一噸二氧化碳[10].上述問(wèn)題促使各大礦山去開(kāi)發(fā)新型低成本的膠凝材料來(lái)替代水泥.

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)新型膠凝材料開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究.如，Gijbels 等[11]發(fā)現(xiàn)采用NaOH 作為礦渣和磷石膏混合料的激發(fā)劑時(shí)，可有效提高試樣強(qiáng)度，其中28 d 的抗壓強(qiáng)度提高了55.3%～89.0%.Jiang 等[12]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于水泥而言，以堿激發(fā)礦渣為膠凝材料的充填料漿具有更好的流動(dòng)性能和強(qiáng)度.前述研究多以高爐礦渣為原料并輔以其他工業(yè)廢料（如磷石膏、粉煤灰等）作為礦物拌合料（或者活化材料）進(jìn)行膠凝材料的開(kāi)發(fā)，不僅可以有效的減少工業(yè)廢物的堆積，還可以降低生產(chǎn)成本，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外礦山得到廣泛的應(yīng)用[13].

鋼渣是鋼鐵冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的一種廢棄物，由于其硬度大，活性低，而且還含有不穩(wěn)定的礦物成分，使得鋼渣目前資源化利用率很低[14-15].目前，鋼渣的資源化利用仍然是粉磨后的鋼渣微粉作為水泥的摻合料和回轉(zhuǎn)窯爐料.但充填采礦對(duì)膠結(jié)體強(qiáng)度要求較低，對(duì)膠凝材料的性能要求遠(yuǎn)低于建筑膠凝材料.因此，充分利用鋼渣微粉開(kāi)發(fā)充填礦山的新型膠凝材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)鋼渣廢棄物的規(guī)?；?，還可以節(jié)省水泥及礦渣微粉.鋼渣微粉的價(jià)格僅為礦渣微粉的三分之一，且對(duì)全尾砂的膠結(jié)強(qiáng)度高于水泥[16]，從而可以顯著降低充填采礦成本，提高充填采礦的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)已成為一種重要的研究手段[17]，可以節(jié)省大量時(shí)間及成本，如楊嘯等[18]基于正交實(shí)驗(yàn)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)對(duì)混合骨料料漿的配比進(jìn)行了優(yōu)化.馬修元等[19]采用粒子群（PSO）優(yōu)化的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)管道阻力進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究.因此，本文以某露天轉(zhuǎn)地下礦山為工程研究背景，充分利用礦山周圍的工業(yè)廢棄物，開(kāi)發(fā)滿足嗣后充填法所需要的充填膠凝材料，從而替代水泥應(yīng)用于地下礦山充填法開(kāi)采.在開(kāi)展部分室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建用以預(yù)測(cè)鋼渣基膠凝材料配方的遺傳算法優(yōu)化的支持向量機(jī)（GA-SVM）模型，確定最佳的激發(fā)劑配方；并采用X 射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM）研究了鋼渣基膠凝材料的水化機(jī)制及微觀結(jié)構(gòu)；最后，利用開(kāi)發(fā)的鋼渣基膠凝材料進(jìn)行了充填料漿的配比實(shí)驗(yàn)，并基于灰靶決策模型對(duì)料漿的配比進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了最佳的料漿配比參數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 尾砂

本實(shí)驗(yàn)所用尾砂取自某礦山選廠，經(jīng)過(guò)晾曬烘干得到干燥全尾砂.測(cè)得該尾砂的密度為2.59 g·cm-3，堆積密度1.6 g·cm-3，含水率為2.5%.該全尾砂的化學(xué)成分如表1 所示.根據(jù)化學(xué)成分對(duì)全尾砂的活性指標(biāo)（Al2O3/SiO2）進(jìn)行計(jì)算得到其活性率為0.022，表明其活性極低屬于惰性材料，滿足充填骨料要求.全尾砂粒徑分布曲線如圖1 所示.根據(jù)插值計(jì)算，得到粒徑級(jí)配的特征值如下：d10=6.26 μm，d60=44.94 μm，d50=34.9 μm，并計(jì)算得出不均勻系數(shù)（Cu）和曲率系數(shù)（Cc）分別為7.18 和1.18，表明全尾砂的級(jí)配良好.

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main chemical components of the backfill material %

圖1 尾砂粒度分布統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of the tailings particle size distribution

1.2 活性材料

本實(shí)驗(yàn)所選用的活性材料為鋼渣微粉和礦渣微粉的混合物.鋼渣微粉和礦渣微粉采用冶煉排放的鋼渣和礦渣粉磨后制成，測(cè)得細(xì)度（45 μm 方孔篩篩余量）分別為3.37%和4.51%.依據(jù)GB/T176—2017 中所規(guī)定的方法對(duì)鋼渣微粉和礦渣微粉的化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表2 所示.由表2 可知，本研究采用的兩種活性材料的化學(xué)成分相近，主要有SiO2、CaO、MgO、Al2O3等，其余各成分的含量略有差異.計(jì)算得出鋼渣和礦渣的堿度系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)和活性指標(biāo)分別為1.8、3.96、0.77 和1.08、1.797、0.345.表明二者均屬于堿性渣且屬于高質(zhì)量渣，質(zhì)量和活性均滿足膠凝材料的開(kāi)發(fā)需求.

表2 活性材料的化學(xué)成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Main chemical components of the active material %

1.3 激發(fā)劑材料

(1) 熟料.冀東水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的水泥熟料被用作堿性激發(fā)劑進(jìn)行復(fù)合激發(fā)試驗(yàn).水泥熟料在水化初期形成堿性環(huán)境誘導(dǎo)和加速活性材料的水化反應(yīng)以達(dá)到提高鋼渣微粉活性的目的.水泥熟料的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.由此可見(jiàn)，水泥熟料的主要成分是CaO 和SiO2，兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近90%.

表3 水泥熟料的化學(xué)成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Main chemical components of the cement clinker %

(2) 工業(yè)芒硝.工業(yè)芒硝的主要成分為Na2SO4·10H2O，作為鹽激發(fā)劑，結(jié)合熟料等堿激發(fā)劑可以較好的激發(fā)火山灰質(zhì)材料的活性.

(3) 脫硫石膏.脫硫石膏為熱電廠濕法脫硫排放的二水脫硫石膏，在經(jīng)過(guò)烘干粉磨后備用.

2 方法描述

2.1 SVM 預(yù)測(cè)模型

支持向量機(jī)（Support vector machine，SVM）具有優(yōu)秀的泛化能力，能夠解決樣本容量小、非線性、維度較大的問(wèn)題，在機(jī)器學(xué)習(xí)分類及回歸分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20].SVM 通過(guò)非線性映射的方式將低維度空間內(nèi)的樣本轉(zhuǎn)化至高維度空間，從而使樣本線性可分.假設(shè)給定一個(gè)m個(gè)訓(xùn)練樣本的集合S，S={(xi,yi),i=1,2,···,m}其分類超平面的表達(dá)式如式（1），目標(biāo)函數(shù)如式（2）和（3）所示.

其中：w為超平面的法向量；x為輸入向量；b為超平面的平移距離.ξi、ξi*為松弛因子，用來(lái)提高模型的泛化能力；g為懲罰系數(shù)，用來(lái)權(quán)衡分類損失和最大間隔之間的關(guān)系；m為樣本個(gè)數(shù)；φ(xi)為映射函數(shù)；ε為不敏感損失函數(shù)；xi和yi分別為集合S中第i個(gè)樣本的輸入、輸出值.

此時(shí)，僅需一個(gè)核函數(shù)進(jìn)行非線性回歸，就可對(duì)給定的訓(xùn)練集進(jìn)行求解，從而對(duì)未知參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè).SVM 所使用的預(yù)測(cè)或近似函數(shù)為：

式中：αi為拉格朗日乘數(shù)，具有非零權(quán)重αi的訓(xùn)練樣本被稱為支持向量；K(xi,xj)為核函數(shù).核函數(shù)的種類較多，主要有Sigmoid、多項(xiàng)式以及徑向基等函數(shù)類型.本文采用徑向基轉(zhuǎn)換為線性問(wèn)題，公式如下：

式中，c為核函數(shù)參數(shù).預(yù)測(cè)后的效果主要的影響因素是SVM 的核函數(shù)參數(shù)c與懲罰系數(shù)g.不合理的參數(shù)值會(huì)導(dǎo)致模型呈現(xiàn)“欠學(xué)習(xí)”狀態(tài)或者“過(guò)學(xué)習(xí)”狀態(tài)，因此有必要對(duì)SVM 模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選.本文選用GA 算法對(duì)SVM 模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

2.2 GA 算法優(yōu)化SVM 超參數(shù)

遺傳算法的思想取自于生物進(jìn)化學(xué)和優(yōu)勝劣汰的生物演化規(guī)律，檢索方法的迭代過(guò)程是存活和測(cè)試[21].遺傳算法適用于一組對(duì)象中的每個(gè)個(gè)體，然后使用隨機(jī)檢索的方式有效的引導(dǎo)參數(shù)空間每個(gè)個(gè)體進(jìn)行編碼.遺傳算法的遺傳方式主要是由選擇、交叉和變異組成；該算法的關(guān)鍵技術(shù)是由參數(shù)的編碼、種群的初始化、適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算、遺傳操作布局、控制參數(shù)布置五個(gè)要素構(gòu)成.遺傳算法的具體計(jì)算過(guò)程如圖2 所示.

圖2 遺傳算法優(yōu)化示意圖.(a) 遺傳算法;(b) 試驗(yàn)流程Fig.2 Schematic of genetic algorithm optimization: (a) genetic algorithm;(b) test process

2.3 灰靶決策模型

灰靶決策是解決多指標(biāo)決策問(wèn)題的一種方法，為減少?zèng)Q策中出現(xiàn)的失誤，保證決策過(guò)程的客觀公正，越來(lái)越多的問(wèn)題都采用群決策方式解決[22].

設(shè)礦山充填材料多指標(biāo)決策問(wèn)題中，決策方案集為A={A1,A2,···,An}，其中Ai表示為第i個(gè)決策方案；指標(biāo)集為k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的集合，記為C={C1,C2,···,Ck}，其中Cj表示為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；指標(biāo)的權(quán)重為W={W1,W2,···,Wk}.則方案集A對(duì)指標(biāo)集C的效果樣本矩陣為：

在決策時(shí)，由于各個(gè)屬性的衡量標(biāo)準(zhǔn)及度量單位不同，不能對(duì)它們直接進(jìn)行比較，需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化處理.一般情形下屬性指標(biāo)分為“效益型”和“成本型”2 種類型[22].將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，計(jì)算得出的決策矩陣記為：

其中，當(dāng)C為效益型指標(biāo)時(shí)，則有：

式中：xij為矩陣中第i行第j列的值；zj為矩陣中第j列的平均值.

當(dāng)C為成本型指標(biāo)時(shí)，則有：

指標(biāo)偏離靶心度：

式中，W為指標(biāo)C的權(quán)重，要求滿足W＞0，=1.根據(jù)靶心度的大小可判斷方案的優(yōu)劣：靶心距越小則方案越優(yōu)，反之則方案越差.

3 鋼渣基膠凝材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)表明[23-24]，采用鹽和堿復(fù)合激發(fā)時(shí)活性材料的膠凝效果更好.根據(jù)前期探索性試驗(yàn)結(jié)果，確定了脫硫石膏、工業(yè)芒硝、水泥熟料和鋼渣微粉4 個(gè)試驗(yàn)因素及相應(yīng)的水平范圍，其中水泥熟料摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為2%～16%，脫硫石膏摻量為2%～16%，工業(yè)芒硝摻量為0%～1.0%，鋼渣微粉摻量為10%～30%.

為了研究不同激發(fā)劑配方下膠凝材料的性能，設(shè)計(jì)了27 組實(shí)驗(yàn).灰砂比1∶6，采用固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%制備砂漿，并進(jìn)行兩種齡期（7 d 和28 d）的充填體抗壓強(qiáng)度測(cè)試.試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，按照GB/T39489—2020 的要求進(jìn)行制備和養(yǎng)護(hù).實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果在表4 中給出，極差分析結(jié)果如圖3 所示.圖3 表明，不同激發(fā)劑組合對(duì)充填體的強(qiáng)度影響具有較大差異.其中，多熟料少鹽、多熟料多鹽的激發(fā)劑組合明顯優(yōu)于多鹽少熟料的組合.從相同激發(fā)劑類型來(lái)分析，熟料的加入則對(duì)不同齡期充填體的強(qiáng)度均起到強(qiáng)化作用，7 d 齡期強(qiáng)度在熟料摻量11%～13%范圍內(nèi)較優(yōu)，而28 d 齡期強(qiáng)度則隨著熟料的摻量增呈線性增加趨勢(shì).脫硫石膏摻量較小時(shí)，試樣在不同齡期的強(qiáng)度均先增加后減?。坏S著石膏摻量的增加，7 d、28 d 齡期充填體強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì).芒硝摻量的增加有利于早期強(qiáng)度的發(fā)展，但過(guò)量的芒硝（＞0.5%）會(huì)損害后期強(qiáng)度.而充填體各齡期強(qiáng)度均隨著鋼渣摻量的增加而呈減小趨勢(shì)，且28 d 強(qiáng)度下降速率大于7 d 齡期強(qiáng)度.

圖3 單因素影響下鋼渣基膠凝材料強(qiáng)度試驗(yàn)的極差分析結(jié)果.(a) 熟料及脫硫石膏摻量（7 d）;(b) 熟料及脫硫石膏摻量（28 d）;(c) 芒硝摻量;(d) 鋼渣摻量Fig.3 Range analysis results of the strength test of steel-slag-based cementitious materials under the single factor: (a) clinker and desulfurization gypsum content (7 d);(b) clinker and desulfurization gypsum content (7 d);(c) mirabilite content;(d) steel slag content

表4 激發(fā)劑配方試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of the activator formulations

4 基于GA-SVM 的鋼渣基膠凝材料配比優(yōu)化

4.1 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確定鋼渣基膠凝材料的最優(yōu)配比，根據(jù)不同激發(fā)劑配方的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立GA-SVM 預(yù)測(cè)模型，對(duì)不同配比的膠凝材料強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè).選擇熟料摻量、石膏摻量、芒硝摻量和鋼渣微粉摻量作為GA-SVM 模型的輸入因子；輸出因子為7 d 和28 d 的充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值.隨機(jī)選擇6 組（編號(hào)為：5、10、11、15、18 和22）數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，其余為訓(xùn)練樣本.GA-SVM 模型訓(xùn)練結(jié)束后的適應(yīng)度曲線如圖4 所示，可以看出，此時(shí)核參數(shù)c和懲罰系數(shù)g取值分別為33.251和1.732.圖5 和表5 中給出了GA-SVM 模型的訓(xùn)練集和測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差.圖5 顯示7 d和28 d 強(qiáng)度訓(xùn)練樣本的平均相對(duì)誤差值分別為6.05%和4.66%，同時(shí)由表5 可以看出，該模型預(yù)測(cè)7 d 強(qiáng)度的相對(duì)誤差在3.6%～12.62%之間，預(yù)測(cè)28 d 強(qiáng)度的相對(duì)誤差在6.9%～10.19%之間，說(shuō)明該模型的預(yù)測(cè)精度較高，適用于不同激發(fā)劑配方條件下充填體強(qiáng)度的預(yù)測(cè).

表5 測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差Table 5 Relative error of the test set prediction results

圖4 GA-SVM 模型適應(yīng)度曲線Fig.4 GA-SVM model fitness curve

圖5 GA-SVM 模型訓(xùn)練集測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the test results of the GA-SVM model training set

4.2 不同激發(fā)劑配方條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)于全尾砂嗣后膠結(jié)充填，一般要求充填體28 d 強(qiáng)度不小于2.5 MPa.因此，本節(jié)內(nèi)容基于訓(xùn)練的GA-SVM 模型對(duì)充填體的28 d 強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得到28 d 最優(yōu)強(qiáng)度配比方案后再確定保證7 d 強(qiáng)度的配比范圍，最后使得7 d、28 d 強(qiáng)度都達(dá)到最優(yōu).

4.2.1 28 d 強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由于影響因素較多，采用固定變量的方式對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖6 為不同激發(fā)配方條件下充填體28 d 強(qiáng)度變化規(guī)律.由圖6（a）可以看出，28 d強(qiáng)度隨脫硫摻量呈先增大后減小的趨勢(shì)，且最優(yōu)脫硫石膏摻量均保持在2%～5%左右，而28 d 強(qiáng)度隨鋼渣添加量的增加呈減小趨勢(shì)且減小幅度逐漸變大.在達(dá)到28 d 充填體強(qiáng)度要求的前提下盡可能多的利用鋼渣的原則，確定鋼渣添加量最多為30%.由圖6（b）表明，隨著熟料添加量的增大，充填體強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，在添加量為10%到12%區(qū)間段上升趨勢(shì)達(dá)到最大，熟料添加量在13%左右28 d 充填試塊強(qiáng)度最高.芒硝作為早強(qiáng)劑其添加量的多少直接影響到后期強(qiáng)度的大小，在熟料添加量大于12%時(shí)，隨著芒硝添加量的增加，28 d充填體強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，因?yàn)槊⑾鯇?duì)7 d 早期強(qiáng)度有著重要的影響，所以滿足28 d 強(qiáng)度的情況下定芒硝添加量為1%左右.

圖6 28 d 強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果.(a)固定熟料摻量12%、芒硝摻量0.5%;(b)固定鋼渣摻量30%、脫硫石膏摻量4%Fig.6 Results of 28 d strength prediction: (a) fixed clinker content of 12% and mirabilite content of 0.5%;(b) fixed steel slag content of 30% and desulfurized gypsum content of 4%

經(jīng)過(guò)28 d 強(qiáng)度的分析，可基本確定鋼渣添加量為30%，浮動(dòng)范圍25%～35%；石膏添加量為4%，浮動(dòng)范圍3%～5%；熟料添加量為13%，浮動(dòng)范圍12%～15%；芒硝添加量為1%，浮動(dòng)范圍0.6%～1%.

4.2.2 7 d 強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果分析

圖7 為不同配方條件下充填體7 d 強(qiáng)度變化規(guī)律.圖7（a）表明在鋼渣添加量小于30%且熟料添加量為10%時(shí)，充填試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大并隨著熟料摻量的增加而逐漸減小.在熟料添加量為8%～13%區(qū)間時(shí)，不同鋼渣摻量的充填體7 d抗壓強(qiáng)度可維持在1.0 MPa 左右，因嗣后充填法對(duì)7 d 強(qiáng)度無(wú)明確要求，綜合極差分析結(jié)果，考慮成本及充填安全折中選擇熟料的添加量為12%.圖7（b）表明當(dāng)芒硝添加量不大于1%時(shí)，隨著脫硫石膏添加量的增加7 d 充填體抗壓強(qiáng)度先減小后增大.而當(dāng)芒硝添加量大于1%時(shí)7 d 充填體抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且在石膏添加量為3%到5%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，在6%左右抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.綜合28 d 抗壓強(qiáng)度來(lái)看，當(dāng)芒硝添加量大于1%對(duì)后期強(qiáng)度有著不利影響，充填體強(qiáng)度需要有一定的安全富裕系數(shù)，所以定芒硝最大添加量為1%.脫硫石膏28 d 充填體中添加量區(qū)間為2%～5%.同時(shí)，由于嗣后充填采礦法對(duì)28 d 強(qiáng)度要求較高，綜合考慮后取得強(qiáng)度最優(yōu)配比下的石膏添加量為4%.

圖7 7 d 強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果.(a) 固定脫硫石膏摻量4%、芒硝摻量1.0%;(b) 固定鋼渣摻量30%、熟料摻量12%Fig.7 Results of 7 d strength prediction: (a) fixed desulfurized gypsum content of 4% and mirabilite content of 1.0%;(b) fixed steel slag content of 30%and clinker content of 12%

綜上所得，鋼渣基膠凝材料的最佳配方為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：熟料12%，脫硫石膏4%，芒硝1%，鋼渣30%.以當(dāng)?shù)貎r(jià)格熟料每噸220 元、脫硫石膏每噸90 元、礦渣微粉每噸110 元、芒硝每噸650 元和鋼渣每噸70 元計(jì)算材料成本，得到前述最優(yōu)配比的鋼渣基膠凝材料成本為每噸115.8 元，僅為水泥成本（當(dāng)?shù)厮喑杀久繃?10 元）的55.1%，每噸膠凝材料節(jié)省成本94.2 元.

4.3 水化機(jī)理

由前述分析可知，鋼渣摻量對(duì)充填膠凝材料強(qiáng)度有顯著影響，為了探究膠凝材料水化機(jī)理，以最優(yōu)激發(fā)劑配比（熟料12%，脫硫石膏4%，芒硝1%），不同鋼渣摻量：0%、10%、20%、30%制作凈漿試塊，養(yǎng)護(hù)至不同齡期制備觀測(cè)試樣，采用XRD和SEM 對(duì)不同鋼渣摻量?jī)魸{試塊的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析.圖8 和圖9 分別給出了鋼渣基膠凝材料水化產(chǎn)物的XRD 圖譜和SEM 微觀圖像.綜合分析可知，復(fù)合膠凝材料在水化7 d 后有明顯衍射峰的水化產(chǎn)物是鈣礬石、水化鋁酸三鈣、Ca(OH)2、CaCO3，在25°～35°范圍內(nèi)的凸包一般認(rèn)為是無(wú)定型非晶體結(jié)構(gòu)的C-S-H 凝膠組成.網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H 凝膠的空隙中被針棒狀的鈣礬石、Ca(OH)2、水化鋁酸三鈣填充.隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，形成了較為致密的結(jié)構(gòu)，獲得較高的強(qiáng)度[25]；可以看出，隨著齡期的不斷增長(zhǎng)，Ca(OH)2、AFt 衍射峰強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，這是由于熟料及鋼渣水化均生成Ca(OH)2，Ca(OH)2形成的堿性環(huán)境促進(jìn)礦渣水解生成CS-H 凝膠，并進(jìn)一步與SO42-反應(yīng)生產(chǎn)鈣礬石.體系中的石膏及芒硝均充分反應(yīng)，因而未觀測(cè)到石膏的衍射峰.隨著鋼渣摻量的提高，C-S-H、鈣礬石逐漸減少，而（六角）板狀的氫氧鈣石及其他水化產(chǎn)物含量逐漸增加，使得試塊內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙，形成了較為疏松的結(jié)構(gòu)[26].

圖8 水化產(chǎn)物X 射線衍射分析.(a)不同養(yǎng)護(hù)齡期的水化產(chǎn)物;(b)不同鋼渣摻量的28 d 水化產(chǎn)物Fig.8 X-ray diffraction analysis of hydration products: (a) hydration products with different curing ages;(b) 28 d hydration products with different steel slag contents

圖9 不同鋼渣摻量試塊的28 d 水化產(chǎn)物微觀形貌Fig.9 Microstructure of 28 d hydration products of test blocks with different steel slag contents

5 鋼渣基膠凝材料充填料漿配比優(yōu)化決策

根據(jù)礦山實(shí)際充填需求對(duì)充填料漿進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)，采用鋼渣基膠凝材料（鋼渣30%、熟料12%，脫硫石膏4%，芒硝1%，礦渣53%），灰砂比（質(zhì)量比）為1∶4～1∶8，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%～72%.

5.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述條件進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定各組的7 d 和28 d 強(qiáng)度、坍落度和泌水性，結(jié)果在表6中給出.

表6 充填料漿配比試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of the filling slurry

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰砂比對(duì)充填料漿的工作特性和強(qiáng)度具有顯著的影響.圖10給出了固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)料漿性能的影響趨勢(shì).可以看出，7 d 和28 d 強(qiáng)度均隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，工作特性則表現(xiàn)為相反的趨勢(shì).在灰砂比為1∶4 時(shí)，料漿固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)由68%提升至72%后，充填體7 d 和28 d 強(qiáng)度的增長(zhǎng)率為56.9%和32.7%，泌水率和塌落度則分別降低了9.9%和32.9%.強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要是由于充填體內(nèi)孔隙空間的減少.相應(yīng)的，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大會(huì)減少料漿內(nèi)部含水量，從而導(dǎo)致料漿工作特性的降低.同樣，7 d 和28 d 強(qiáng)度隨著灰砂比的增加而增大，工作特性則呈減小的趨勢(shì).這是由于灰砂比增加則會(huì)帶來(lái)更多的水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物的填充并膠結(jié)骨料形成更致密的結(jié)構(gòu)和更高的強(qiáng)度.但是，水灰比的增大使得料漿中細(xì)顆粒增多，漿體粘度增大從而導(dǎo)致料漿工作特性的降低.

圖10 固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)料漿性能的影響.(a) 7 d 強(qiáng)度;(b) 28 d 強(qiáng)度;(c) 塌落度;(d) 泌水率Fig.10 Effect of solid concentration on paste properties: (a) 7 d curing age;(b) 28 d curing age;(c) slump;(d) bleeding rate

5.2 料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足某礦山充填需求的同時(shí)盡量降低充填料漿生產(chǎn)成本，是實(shí)現(xiàn)礦山最大充填效益的重要途徑[25].基于灰靶決策法對(duì)充填料漿進(jìn)行多目標(biāo)決策優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的配比方案，為礦山的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

為了充分滿足嗣后充填需求，以膠結(jié)充填體7 d和28 d 強(qiáng)度分別大于1.0 MPa、2.5 MPa，料漿塌落度、泌水率分別大于20 cm、小于10%作為約束條件[7-8,25].根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，充填強(qiáng)度可被認(rèn)作效益型指標(biāo)，而坍落度、泌水率和充填成本則看作成本型指標(biāo).根據(jù)表6 中結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅有5 組方案（A1、A2、A3、A5 和A6）滿足前述約束條件，因此將其作為備選方案，并將其他因素作為評(píng)判指標(biāo)，形成灰靶決策矩陣X5×5，并將成本性指標(biāo)和效益型指標(biāo)分別按式（8）和式（9）計(jì)算后得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Y5×5.

在灰靶決策模型評(píng)價(jià)的過(guò)程中，采用AHP 法確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重W={0.2,0.2,0.15,0.2,0.25}，并由決策矩陣Y5×5得到最優(yōu)的效果向量y={1.0000,1.0000,0.8841,1.0000,1.0000}.最后按公式（10）計(jì)算各料漿配比條件下的靶心距，如表7 所示，進(jìn)而得到各個(gè)配比的優(yōu)劣程度為：A3＞A6＞A2＞A5＞A1.即采用新型的鋼渣基膠凝材料時(shí)，最佳的料漿配比為：膠砂比1∶4、料漿固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%.

表7 充填料漿配比方案灰靶決策結(jié)果Table 7 Grey target decision-making results of filling slurry ratio plan

對(duì)前述決策所得最優(yōu)配比進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到充填體7 d、28 d 強(qiáng)度分別為1.74 MPa、3.61 MPa.料漿塌落度24.2 cm，泌水率為5.91%.膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流動(dòng)性與穩(wěn)定性滿足嗣后充填采礦法的安全要求，且采用鋼渣基膠凝材料的單位充填成本為每立方米113 元，較水泥充填成本（每立方米185 元）降低了38.92%.

6 結(jié)論

（1）采用GA 算法優(yōu)化后的SVM 構(gòu)建了用于鋼渣基膠凝材料配方預(yù)測(cè)的模型，得到模型的參數(shù)c和懲罰系數(shù)g的值分別為33.251 和1.732.該模型預(yù)測(cè)7 d 強(qiáng)度的相對(duì)誤差在3.6%～12.62%之間，預(yù)測(cè)28 d 強(qiáng)度的相對(duì)誤差在6.9%～10.19%之間，表明該模型的預(yù)測(cè)精度較高.

（2）以某礦山嗣后充填采礦法指標(biāo)為依據(jù)，通過(guò)GA-SVM 模型預(yù)測(cè)分析，得到了鋼渣基膠凝材料的最佳配比為：熟料12%，脫硫石膏4%，芒硝1%，鋼渣30%.

（3）采用XRD 和SEM 對(duì)不同鋼渣摻量試塊的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析，可以看出隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)C-S-H 凝膠的空隙中被針棒狀的鈣礬石、Ca(OH)2、水化鋁酸三鈣填充，并且形成了較為致密的結(jié)構(gòu)；但是鋼渣摻量提高，會(huì)引起Ca(OH)2含量增加，導(dǎo)致水化產(chǎn)物搭接的結(jié)構(gòu)受損而不穩(wěn)定，損害膠結(jié)體的強(qiáng)度.

（4）采用灰靶決策模型優(yōu)化充填料漿配比，得出優(yōu)化配比為：灰砂比1∶4，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得料漿指標(biāo)均滿足嗣后充填要求.并且此配比條件下的充填成本為每立方米113 元，相比水泥降低了38.92%.