饒運章，舒太鏡，鄭長龍，彭立正，張海濤，王正英

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.山東能源臨沂礦業(yè)集團會寶嶺鐵礦,山東 臨沂 277712)

會寶嶺鐵礦是一個設(shè)計年采選礦石量300萬t的新型地下開采礦山，該礦發(fā)育兩條平行展布、相向而傾的隱伏狀主礦帶，礦體呈層狀、似層狀，與地層產(chǎn)狀基本一致，礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦，根據(jù)礦體產(chǎn)狀、礦巖穩(wěn)固性及礦石品位特點，設(shè)計采用分段空場嗣后充填采礦方法，采場分礦房、礦柱，待礦房礦石全部出完后，集中一次全尾砂膠結(jié)充填。

通過全尾砂膠結(jié)充填配比試驗研究，可獲得較為詳細的全尾砂充填特性資料，既可為本礦山實施充填提供理論支持，解決礦山面臨的尾砂排放時占用土地及污染環(huán)境等方面的問題，亦可為其他礦山提供借鑒參考[1-3]。

1 試驗設(shè)計與實施

1.1 全尾砂回歸正交組合試驗設(shè)計

回歸正交試驗設(shè)計是一種將回歸分析與正交設(shè)計組合起來的試驗方法，可以在因素的試驗范圍內(nèi)選擇適當?shù)脑囼烖c，用比較少的試驗建立回歸方程，并能獲得試驗的優(yōu)化解[4]。

設(shè)因素Xj的取值范圍為Xj[Xj1，Xj2]，Xj1為因素Xj的水平下限，Xj2為因素Xj的水平上限，對因素水平進行編碼，見式(1)。

(1)

式中：Xj0為因素零水平，Xj0=(Xj2+Xj1)/2；Δj為因素變化間距，Δj=(Xj2-Xj1)/2。

本試驗選定的試驗因素為水泥用量(X1)與料漿濃度(X2)兩個，因子的取值范圍X1[9.5%，20%]，X2[65%, 80%]，其中水泥用量是指占水泥全尾砂總量百分比。由此建立因子水平與編碼的一一對應(yīng)關(guān)系，見表1，據(jù)各因子水平的回歸正交設(shè)計，需進行二因素四水平L16(42) 即16組膠結(jié)配比試驗。

表1 因子水平與因子編碼對應(yīng)關(guān)系

1.2 全尾砂回歸正交組合試驗實施

本試驗采用直徑50mm×高100mm圓柱形試模，在試模內(nèi)進行充填漿料的澆注，養(yǎng)護72h后進行試件脫模，每做完一組編上組號與日期，并送恒溫、恒濕養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護。每組澆注圓柱形試件20個，3個用于單軸壓縮試驗，測試充填體28天單軸抗壓強度(R)、彈性模量(E)，9個用于剪切試驗(30°、45°、60°各3個分別求平均值)，測試養(yǎng)護28天充填體的粘聚力(C)及內(nèi)摩擦角(φ)；剩余試塊在養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護，測試充填體90天單軸抗壓強度(R)、彈性模量(E)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 全尾砂充填料漿的流動性能

坍落度表征了料漿在管道中流動性能的好壞，它是充填料漿可泵性的重要指標。充填料漿的濃度是制約充填效率的重要因素之一，它決定著料漿的管道輸送性能、充填能力和充填體的力學(xué)強度[5-8]。

為確定全尾砂充填料漿可流動濃度范圍、流動性態(tài)，根據(jù)水泥-全尾砂-料漿的基本物理性質(zhì)進行坍落度試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。當干水泥用量固定時，不同的重量濃度的料漿坍落度變化較大，當重量濃度固定時，不同的干水泥用量的料漿坍落度變化很微小，可知重量濃度對坍落度的影響遠大于干水泥用量的影響；全尾砂料漿的坍落度隨濃度的增大而減小，重量濃度在70%～80%影響較為顯著，即流動性隨料漿重量濃度的增大而減小，在重量濃度為75%～80%時，流動性隨料漿濃度的增大減小更快；全尾砂料漿重量濃度為65%時，料漿流動性較好，但析水量較大，對充填體初凝、強度都會帶來較大的不利影響；全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時，全尾砂料漿坍落度在135～200mm范圍，析水量較少，沉降、離析影響小，較適合高濃度井下充填。

圖1 全尾砂充填體重量濃度-坍落度關(guān)系曲線

圖2 全尾砂充填體重量濃度-內(nèi)聚力(C28)關(guān)系曲線

2.2 全尾砂膠結(jié)充填體強度性能

通過RMT-150壓力系統(tǒng)，對養(yǎng)護28天的充填體進行無側(cè)限單軸壓縮試驗及剪切試驗，對養(yǎng)護90天的充填體進行無側(cè)限單軸壓縮試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得全尾砂料漿重量濃度-抗壓強度(R)、彈性模量(E)、內(nèi)聚力(C28)在不同水泥用量下的關(guān)系曲線，圖2～4表明：當干水泥用量相同時，隨著料漿重量濃度的升高，充填體抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力分別增大，但干水泥用量越多時，其增大趨勢越明顯；當料漿重量濃度固定時，隨著水泥含量的升高，充填體抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力分別增大，但料漿重量濃度越低時，其變化趨勢越小，料漿重量濃度越高其變化趨勢越大。從養(yǎng)護天數(shù)來說，養(yǎng)護90天比養(yǎng)護28天的單軸抗壓強度大，說明充填體養(yǎng)護時間對全尾砂膏體充填體強度有較大影響，隨著養(yǎng)護時間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用得到增強；養(yǎng)護28天與養(yǎng)護90充填體的彈性模量變化不大，說明充填體養(yǎng)護時間的增加，水泥用量和料漿濃度的共同作用對彈性模量影響不大。通過對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后可知，干水泥用量為影響充填體力學(xué)性能的主要因素，料漿濃度為次要因素，但二者的作用相輔相成、缺一不可。

(a)養(yǎng)護28天充填體抗壓強度試驗結(jié)果 (b)養(yǎng)護90天充填體抗壓強度試驗結(jié)果

(a)養(yǎng)護28天充填體彈性模量試驗結(jié)果 (b)養(yǎng)護90天充填體彈性模量試驗結(jié)果

2.3 全尾砂膠結(jié)充填體回歸分析

在回歸正交試驗設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)全尾砂膠結(jié)充填體強度指標(抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力)為變量Y，水泥用量、料漿濃度分別為X1、X2，由于X1、X2兩個因素之間無相關(guān)性，因此無需考慮其交互作用，可建立試驗指標Y與試驗因素X1、X2的二元一次回歸方程，再應(yīng)用基于最小二乘法的多元線性回歸法對試驗數(shù)據(jù)進行分析[9]，來預(yù)測各因素在取值范圍內(nèi)全尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)參數(shù)的一些變化規(guī)律。充填體強度回歸方程[10]見式(2)。

加強頂層設(shè)計，一是做好“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”工作開展的整體性規(guī)劃，建立專門的黨組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)導(dǎo)體系，明確“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”的目標和要求，從整體上將“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”納入醫(yī)院黨的建設(shè)的整體規(guī)劃當中[3]；二是做好基礎(chǔ)性規(guī)劃。結(jié)合智慧醫(yī)院的建設(shè)，有序推進各醫(yī)院黨建信息化建設(shè)，建立權(quán)責分工、職責明確，條塊結(jié)合的“互聯(lián)網(wǎng)+黨建”平臺，做好崗位的設(shè)置、平臺的維護和運營、信息化的考核標準，實現(xiàn)對黨支部的精細化管理。

(2)

式中：Xn1表示X1的分量與各因素對應(yīng)分量乘積之和；εn為相互獨立的并且εn～N(0,σ2)(n=1，2，…，16)。

利用MATLAB軟件，對試驗中的水泥用量，料漿濃度以及養(yǎng)護28天的充填體抗壓強度、彈性模量及內(nèi)聚力等數(shù)據(jù)進行回歸分析。

1)養(yǎng)護28天與養(yǎng)護90天全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強度的回歸方程分別見式(3)、式(4)。

YR28=2.3567+30.2236(X1-0.1475)+17.4045(X2-0.7250)

(3)

YR90=2.5872+28.1514(X1-0.1475)+19.7410(X2-0.7250)

(4)

2)養(yǎng)護28天與養(yǎng)護90天全尾砂膠結(jié)充填體彈性模量的回歸方程分別見式(5)、式(6)。

YE28=0.5229+7.7143(X1-0.1475)+4.0200(X2-0.7250)

(5)

YE90=0.5228+6.6693(X1-0.1475)+4.3305(X2-0.7250)

(6)

3)養(yǎng)護28天內(nèi)聚力的回歸方程見式(7)。

Yc28=0.7238+7.1960(X1-0.1475)+5.2104(X2-0.7250)

(7)

查表得F0.005=8.19，對與給定水平α=0.005時，均有F>F0.005，故回歸方程(3)～(7)的回歸效果顯著。

分析比較養(yǎng)護28天、90天試驗的回歸方程及表2數(shù)據(jù)，式(3)與式(4)、式(5)與式(6)、式(7)分別為考察水泥用量、料漿濃度對抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力影響的回歸方程。由方程式的偏差平方和可知：水泥用量對充填體抗壓強度的影響大于料漿濃度，通過對試驗回歸方程的F檢驗說明回歸方程的精度是可以接受的；抗壓強度回歸方程和彈性模量回歸方程的預(yù)測值精度幾乎相近；養(yǎng)護28天F值比養(yǎng)護90天的F值大，因此養(yǎng)護28天的充填體預(yù)測精度相對更加準確；當給定抗壓強度或彈性模量、料漿濃度和水泥用量中的任意兩個值時，可應(yīng)用回歸方程來估計試驗單軸抗壓強度和彈性模量，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

表2 全尾砂充填體回歸方程方差分析表

3 最佳配合比優(yōu)化

在上述回歸分析和回歸方程基礎(chǔ)上，為尋找充填材料的最優(yōu)配合比，根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，對養(yǎng)護28天試塊的3個力學(xué)指標(抗壓強度yσ、彈性模量yE、內(nèi)聚力yC)提出以下要求：yσ≥1.5MPa、yE≥ 0.2GPa、yC≥ 0.5MPa，根據(jù)3個試驗力學(xué)指標的回歸方程，利用數(shù)值分析軟件求解該組聯(lián)立不等式。

尋找工作被編成MATLAB程序在計算機上進行，具體方法是：在Zj的取值區(qū)間[-1，1]，以一定步長Δj進行全面搜索，獲得水泥用量X1和料漿濃度X2在取值區(qū)間內(nèi)的較優(yōu)值域[0.095，0.1475]、[0.725，0.80]，并在此較優(yōu)值域內(nèi)以縮小的步長繼續(xù)搜索，最終獲得滿足上述強度要求而又經(jīng)濟合理、適合管道輸送的最優(yōu)配比為水泥用量10.5%、充填濃度75%，此時，抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力分別為1.507MPa、0.283GPa、0.553MPa。

4 結(jié)論

1)當全尾砂料漿重量濃度為70%～75%時，全尾砂料漿坍落度范圍為135～200 mm，析水量較少，比較適合高濃度充填。

2)獲得不同配比充填體28天與90天的單軸抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)，由其關(guān)系曲線可知膠結(jié)充填體強度性能與水泥用量和料漿濃度均成正比關(guān)系，水泥用量起主要作用，料漿濃度為次要作用。

3)得出了充填體抗壓強度、彈性模量及內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)的回歸方程式，對各回歸方程式進行顯著性檢驗，養(yǎng)護28天的F值比90天的F值大，因此養(yǎng)護28天的充填體預(yù)測精度相對更加準確。

4)應(yīng)用回歸方程預(yù)測估計養(yǎng)護28天充填體的單軸抗壓強度、彈性模量或內(nèi)聚力，尋找滿足該礦要求的充填材料最優(yōu)配合比，得出水泥用量10.5%，充填濃度75%。

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