高志剛 馮友德 張博文 張 晴 韓新磊 楊 亮

（1.黑龍江龍興國際資源開發(fā)集團(tuán)有限公司；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院）

礦山在爆破開采時，需對爆破孔進(jìn)行封堵，以提高爆破質(zhì)量。目前，爆破封孔方式主要有黃泥封孔［1-2］、水泥漿液封孔、化學(xué)漿液封孔［3］等，黃泥封孔存在著效率低下、并且容易搗實(shí)不嚴(yán)、強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)［4］；水泥漿液封孔雖然方便灌注，但由于水泥本身性質(zhì)，存在凝結(jié)時間過長等問題；化學(xué)漿液雖然封孔方便，封孔效果好，但是由于價格昂貴，得不到普遍應(yīng)用。爆破封孔材料的性能好壞，決定著爆破質(zhì)量，直接影響礦山爆破效果［5-6］。國內(nèi)外學(xué)者對爆破封孔材料已有大量研究，王杰等［7］通過水泥復(fù)配實(shí)驗(yàn)，調(diào)配偏鋁酸納、氯化鈣、減水劑摻量，大大縮短了水泥凝結(jié)時間，同時取得了良好的封孔效果。梁冰等［8］探究了水灰比、養(yǎng)護(hù)時間等因素對水泥基封孔材料影響，并研究材料的力學(xué)性能。汪傳松［9］采用KT 凝膠配合砂石等研制一種剛性封孔材料，且制備的封孔材料抗水性和保水性好。

石墨尾礦是經(jīng)脫水后形成的一種固體廢棄物，由于石墨尾礦顆粒粒徑較小，常在工程中被用作細(xì)骨料。劉洪波等［10］探究了石墨尾礦摻量對砂漿的力學(xué)性能與抗?jié)B性能的影響，探究出砂漿性能隨著石墨尾礦的摻入呈現(xiàn)先增加后下降趨勢。趙浩男等［11］分析雞西蘿北地區(qū)石墨尾礦細(xì)度、含水率以及細(xì)粒含量對黏聚力的影響，結(jié)果表明黏聚力隨細(xì)粒含量的增加先降低后升高。程飛飛等［12］以石墨尾礦為主要原料，復(fù)配入一定量的高嶺土、長石，制備了滿足要求的陶瓷磚，陶瓷磚綜合性能較高，吸水率為0.26 %、抗折強(qiáng)度為73.55 MPa。孫小巍等［13］將石墨尾礦作為填料制備泡沫混凝土，揭示了石墨尾礦摻入比例和細(xì)度，泡沫混凝土水料比和容重以及聚丙烯纖維摻量對泡沫混凝土物理性能、力學(xué)性能和熱工性能的影響規(guī)律。

雖然對于封孔材料的研究和石墨尾礦資源化利用的研究已有眾多，但未見利用石墨尾礦制備爆破封孔材料，由于礦渣具有良好的活性，在工程中是水泥良好的活性摻合料，且大量研究表明，堿激發(fā)礦渣前期強(qiáng)度增長迅速。本文考慮堿激發(fā)礦渣具有早強(qiáng)速凝的優(yōu)點(diǎn)，將其與石墨尾礦進(jìn)行復(fù)配，以期制備性能優(yōu)良的爆破封孔材料，在成本上與環(huán)境保護(hù)層面建立起優(yōu)勢。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

石墨尾礦選自黑龍江蘿北，烘干處理作為原材料，石墨尾礦主要化學(xué)成分見表1，粒度見表2，礦渣選用S95 級?；郀t礦渣，密度2.68 g/cm3。激發(fā)劑選用水玻璃，模數(shù)3.3 mol，SiO2含量為27.3%，N2O 含量為8.54%，為無色透明的硅酸鈉溶液，氫氧化鈉純度≥96%。水為普通自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

響應(yīng)曲面分析法可以通過設(shè)計有限次數(shù)試驗(yàn)，建立因素之間交互作用項(xiàng)的數(shù)學(xué)模型，精確研究各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。本研究運(yùn)用Box-Bohnken（BBD）響應(yīng)曲面設(shè)計方法［14］，通過石墨尾礦與礦渣復(fù)配，采用堿激發(fā)的方法制備爆破封孔材料，由于水玻璃溶液初始模數(shù)為3.3 mol，不利于材料前期凝結(jié)，故通過加入NaOH 溶液調(diào)節(jié)模數(shù)至1.6 mol，爆破封孔材料試驗(yàn)以石墨尾礦摻量、用堿量、質(zhì)量濃度3 個因素為變量，設(shè)計3 個級別水平（-1、0、1），以單軸抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時間、成本為響應(yīng)值，由于封孔材料具有早強(qiáng)的要求，考慮工程實(shí)際需求，本文單軸抗壓強(qiáng)度采用2 h測量值，因素1石墨尾礦摻量編號為X1，設(shè)計試驗(yàn)3 水平為30%、50%、70%，因素2 用堿量編號為X2，設(shè)計試驗(yàn)3 水平為3%、4%、5%，因素3 質(zhì)量濃度編號為X3，設(shè)計試驗(yàn)3水平為72%、75%、78%。響應(yīng)值1為單軸抗壓強(qiáng)度，單位為MPa，編號為Y1；響應(yīng)值2 為流動度，單位為mm，編號為Y2；響應(yīng)值3為成本，單位為元/t，編號為Y3。響應(yīng)曲面法設(shè)計配合比方案見表3。

1.3 試驗(yàn)過程

首先根據(jù)響應(yīng)曲面法設(shè)計配比稱取材料，將一部分水與氫氧化鈉制成溶液，緩慢地加入水玻璃中，調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)為1.6 mol，并用攪拌棒輕輕攪拌以防止溶液濺出，待氫氧化鈉與水玻璃的混合溶液清澈后靜置15 min，使NaOH 顆粒充分溶解；將礦渣與石墨尾礦均勻地倒入攪拌桶，均勻攪拌5 min，然后加入預(yù)制好的混合溶液，開始均勻攪拌，最后加入剩余的水，用來沖洗燒杯上殘留的堿溶液，待攪拌結(jié)束后測定充填材料流動度；將拌好的漿體灌注進(jìn)φ50 mm×100 mm 圓柱形模具，待爆破封孔材料凝結(jié)硬化后脫模，采用試驗(yàn)室萬能壓力機(jī)測定石墨尾礦爆破封孔材料的抗壓強(qiáng)度，最后根據(jù)配合比計算各封孔材料的成本。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

石墨尾礦摻量、用堿量、質(zhì)量濃度的改變不同程度影響單軸抗壓強(qiáng)度、成本以及流動度的變化，17 組響應(yīng)曲面法試驗(yàn)方案及結(jié)果見表4。

2.1 響應(yīng)曲面函數(shù)的擬合

基于表4的試驗(yàn)結(jié)果，利用帶交互項(xiàng)的二階多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型對各響應(yīng)值進(jìn)行多元回歸分析，得到了各因素與各響應(yīng)值的數(shù)學(xué)模型式。

單軸抗壓強(qiáng)度擬合函數(shù)：

流動度擬合函數(shù)：

成本擬合函數(shù)：

2.2 響應(yīng)面模型的驗(yàn)證

表5 為單軸抗壓強(qiáng)度、流動度、成本響應(yīng)面模型方差分析與回歸模型相關(guān)性檢驗(yàn)。由表5可知，單軸抗壓強(qiáng)度、成本的響應(yīng)面回歸模型P值均小于0.001，回歸模型達(dá)極顯著水平，流動度回歸模型P小于0.05，失擬項(xiàng)P值均大于0.05，回歸模型擬合較好，差異不顯著。

注：X1為石墨尾礦摻量因素編號；X1X2為石墨尾礦摻量與質(zhì)量濃度交互因素編號；X12代表石墨尾礦摻量平方項(xiàng)因素編號，其余以此類推。

2.3 各因素交互項(xiàng)對目標(biāo)值影響

石墨尾礦爆破封孔材料性能不僅受單因素影響，還存在各因素交互項(xiàng)作用對其產(chǎn)生影響，因素之間交互作用導(dǎo)致各目標(biāo)函數(shù)呈非線性變化。

各因素對抗壓強(qiáng)度交互效應(yīng)如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果總體上呈現(xiàn)出隨著石墨尾礦摻量、用堿量以及質(zhì)量濃度的改變均對爆破封孔材料前期強(qiáng)度有較大影響，且用堿量與質(zhì)量濃度對前期強(qiáng)度的影響程度大于石墨尾礦摻量。隨著石墨尾礦摻量減少，用堿量越大，質(zhì)量濃度越大材料，早期強(qiáng)度越高，其原因?yàn)楫?dāng)石墨尾礦摻量越小時，大固體顆粒含量越少，參與化學(xué)反應(yīng)的材料成分越多，大量礦渣水化產(chǎn)物相互協(xié)同密實(shí)孔隙，由于礦渣具有良好的活性，在堿激發(fā)的作用下使爆破封孔材料早期形成強(qiáng)度。隨著用堿量增加，混合材料堿性越強(qiáng)，礦渣與部分細(xì)石墨尾礦在堿激發(fā)劑的催化作用下發(fā)生了火山灰反應(yīng)，生成大量的水化產(chǎn)物，所以相比于水泥基封孔材料采用礦渣做膠凝材料具有更高的強(qiáng)度與較短的凝結(jié)時間。質(zhì)量濃度的大小有一個合理的范圍，當(dāng)質(zhì)量濃度較大時，爆破封孔材料所用拌合水較少，封孔材料中礦渣和石墨尾礦顆粒間距離更小，各顆粒間空隙小，促進(jìn)水化反應(yīng)更充分地進(jìn)行；當(dāng)質(zhì)量濃度較小時，漿體整體采用拌合水較多，礦渣與石墨尾礦整體的濃度下降，各顆粒間較分散，使材料整體聚合不起來，導(dǎo)致爆破封孔材料前期強(qiáng)度大幅縮減，凝結(jié)時間相對延長。觀察圖1 可知，曲線存在明顯的彎曲，說明交互效應(yīng)顯著，石墨尾礦摻量、質(zhì)量濃度、用堿量與強(qiáng)度呈線性增長關(guān)系，在石墨尾礦摻量水平低，用堿量水平高以及質(zhì)量濃度較大時封孔材料前期強(qiáng)度較高。

圖2 為各因素對爆破封孔材料流動度的效應(yīng)曲面圖。從圖中可以得到石墨尾礦摻量以及質(zhì)量濃度的改變流動度影響顯著，用堿量對流動度存在影響較小。隨著石墨尾礦摻量增加，質(zhì)量濃度減小，用堿量減小，材料流動性越好；石墨尾礦摻量少，質(zhì)量濃度大，就會導(dǎo)致所制備爆破封孔材料的流動性不足，不能滿足爆破封孔中管道泵送要求；隨著石墨尾礦摻量減小，礦渣含量增多，且礦渣吸水性強(qiáng)于石墨尾礦，隨著礦渣吸水越多，材料整體表現(xiàn)較濃稠，質(zhì)量濃度是影響流動度主要因素。隨著質(zhì)量濃度減小，石墨尾礦爆破封孔材料的流動度增加。用堿量對于材料的流動度影響規(guī)律是隨著用堿量的增加，材料的黏度增大，流動度下降，分析其原因是水玻璃具有較大黏性，使?jié){液更加濃稠。當(dāng)流動度處于較低水平時，流動度隨著各因素的改變，變化幅度敏感，當(dāng)流動度處于較高水平時，變化速率減小，主要是因?yàn)殡S著質(zhì)量濃度下降，尾礦摻量的增加，爆破封孔材料需水性減少，當(dāng)材料需水飽和后，繼續(xù)改變各因素會導(dǎo)致材料嚴(yán)重離析。由圖2（b）可得，對流動度影響最大的因素是質(zhì)量濃度與石墨尾礦摻量，且二者交互作用明顯。

各因素對成本影響如圖3所示，相比于水泥基封孔材料，利用石墨尾礦制備封孔材料具有更好價格優(yōu)勢。在封孔材料成本上，占絕對性的因素是用堿量，各因素間交互作用不明顯。隨著用堿量的增大，材料成本增長幅度大，在后續(xù)的分析中對成本進(jìn)行優(yōu)化，確定合理用堿量。成本回歸模型較流動度回歸模型更加直觀，用堿量與石墨尾礦摻量是影響成本的主要因素，且二者基本呈線性增長，但是質(zhì)量濃度對成本影響較低。

3 爆破封孔材料配合比優(yōu)化

基于前文響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合滿意度函數(shù)法［15］進(jìn)行爆破封孔材料配比優(yōu)化，設(shè)計單軸抗壓強(qiáng)度目標(biāo)最大化，采取滿意度函數(shù)望大型優(yōu)化方式、成本目標(biāo)最小化，采取滿意度函數(shù)望小型優(yōu)化方式、流動度性能最優(yōu)化，采取滿意度函數(shù)望目型優(yōu)化方式，通過滿意度函數(shù)法計算優(yōu)化分析，得到多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，即石墨尾礦爆破封孔材料的最優(yōu)配合比為石墨尾礦摻量為60.18%，用堿量為4.12%，質(zhì)量濃度為77.75%，最優(yōu)配合比下的2 h 單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測值為2.17 MPa，流動度預(yù)測值為208.45 mm，計算成本預(yù)測值為203.69 元/t［15］。在響應(yīng)曲面法最優(yōu)配合比情況下，實(shí)測爆封孔材料測得2 h 單軸抗壓強(qiáng)度2.231 MPa，流動度為210 mm 成本205.67 元。最優(yōu)配比下石墨尾礦爆破封孔材料測試初凝時間為46 min，終凝時間為57 min。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果證明了石墨尾礦制備爆破封孔材料的可行性，不僅合理利用了固廢資源，而且石墨尾礦爆破封孔材料的應(yīng)用更提高了礦山爆破效率。

（1）利用石墨尾礦制備爆破封孔材料，石墨尾礦摻量、用堿量、質(zhì)量濃度均對材料前期強(qiáng)度有較大影響，石墨尾礦摻量、質(zhì)量濃度主要影響材料流動性能，用堿量與石墨尾礦摻量是影響材料成本的主要因素。

（2）通過響應(yīng)曲面法與滿意度函數(shù)法結(jié)合的方式，確定石墨尾礦爆破封孔材料最優(yōu)配比，即石墨尾礦摻量為60.18%，用堿量為4.12%，質(zhì)量濃度為77.75%，最優(yōu)配合比下，石墨尾礦爆破封孔材料2 h單軸抗壓強(qiáng)度為2.17 MPa，流動度為208.45 mm，成本為203.69元。

（3）石墨尾礦爆破封孔材料最優(yōu)配比下終凝時間為57 min，提高了爆破效率與現(xiàn)場工作進(jìn)度。