韋寒波 高 謙
(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.北京市建筑節(jié)能與建筑材料管理辦公室,北京 100045)
隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)日趨嚴(yán)格以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防控迫切要求,充填采礦法應(yīng)用越來越廣泛。充填采礦可以減少礦石損失貧化、提高廢石利用率、避免采空區(qū)塌陷、防治地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。充填材料的選擇和配比對(duì)充填體強(qiáng)度、管道輸送和充填成本起決定性作用。廢棄物在充填采礦中大量資源化利用,不僅可以保護(hù)環(huán)境,而且還能夠降低充填采礦成本,同時(shí)獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
近年來針對(duì)充填材料的選擇、料漿特性優(yōu)化、低成本物料開發(fā)等問題,諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,高謙、趙國(guó)彥、張修香等[4-6]應(yīng)用響應(yīng)曲面法研究充填料漿特性變化規(guī)律,并進(jìn)行配比優(yōu)化;溫震江等[7]對(duì)廢石—棒磨砂混合骨料級(jí)配對(duì)充填料漿離析的影響進(jìn)行了研究,確定混合骨料平均粒徑和粒徑分散系數(shù)并成功驗(yàn)證;李立濤等[8-9]基于正交試驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)充填膠凝材料配比進(jìn)行優(yōu)化;付自國(guó)等[10]基于數(shù)據(jù)擬合規(guī)律,提出強(qiáng)度齡期數(shù)學(xué)模型用以指導(dǎo)配比設(shè)計(jì);楊志強(qiáng)、張秀勇等[11-14]對(duì)多固廢混合充填料漿的流變特性、管輸阻力因素和減阻技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究;巴蕾、李茂輝、楊嘯等[15-17]開展了礦山固體廢棄物混合骨料充填料漿膠結(jié)體強(qiáng)度與配比優(yōu)化試驗(yàn)研究。
針對(duì)廢石—棒磨砂混合粗骨料和低成本固結(jié)粉綠色充填膠凝材料,本項(xiàng)目基于正交試驗(yàn)方案,開展不同配比的混合充填料漿管道輸送特性以及流變特性研究,分析變化規(guī)律和關(guān)鍵影響因素。同時(shí),尋找廢石—棒磨砂混合粗骨料充填料漿配比最優(yōu)組合,使其在滿足管道穩(wěn)定自流輸送的前提下,達(dá)到磨損最少和經(jīng)濟(jì)效益最大的目的,為同類礦山開展充填料漿配比設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。
充填料漿的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和可塑性是評(píng)價(jià)其工作特性的重要因素。料漿的流動(dòng)性表征料漿在管道中輸送的難易程度,通常采用料漿的塌落度、擴(kuò)散度和稠度來度量;料漿的穩(wěn)定性表征料漿的分層、離析和飽水程度,通常采用料漿的分層度、泌水率等參數(shù)來表征;料漿的可塑性反映料漿粘度以及抗剪切能力。同時(shí),高濃度充填料漿是一種復(fù)雜的懸浮體,常采用H-B體或賓漢體來表征,通過開展流變參數(shù)測(cè)試,獲取屈服應(yīng)力和粘度系數(shù),用以進(jìn)行料漿管輸特性分析與評(píng)價(jià)。
(1)充填骨料。采用金川礦山掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的-12 mm廢石與金川公司砂石廠-5 mm棒磨砂二元混合骨料,廢石與棒磨砂配比(廢砂比)分別為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。
(2)料漿濃度。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)充填料漿參數(shù),料漿質(zhì)量濃度分別為78%、80%、82%、84%。
(3)膠凝材料。采用現(xiàn)場(chǎng)充填實(shí)際所用膠凝材料,即金泥礦用水泥與煕金公司生產(chǎn)的工業(yè)固結(jié)粉(水泥與固結(jié)粉配比為3∶7),膠凝材料與棒磨砂配比(膠砂比)分別為1∶4、1∶5、1∶6。
(4)按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)規(guī)程操作要求和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,制備廢石—棒磨砂混合充填料漿,分別測(cè)定在不同配比條件下充填料漿工作特性參數(shù)(塌落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度、泌水率)和流變參數(shù)(屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)),試驗(yàn)分組情況及相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。
按照礦區(qū)充填系統(tǒng)自流輸送工藝設(shè)計(jì),充填料漿工作特性參數(shù)的基本要求:塌落度≥20 cm、稠度≥9 cm、分層度≤2.0 cm。表1參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示,料漿工作特性能滿足充填基本要求。廢砂比為2∶8和料漿濃度為78%的3組料漿,以及廢砂比為1∶9和料漿濃度為78%、80%的6組料漿,在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層離析,導(dǎo)致該9組試驗(yàn)沒有獲得可靠的流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果。
根據(jù)正交試驗(yàn)方案,設(shè)計(jì)了3個(gè)因素,每個(gè)因素選取3~4個(gè)水平,通過單因素分析難以觀察到總體變化規(guī)律。為此,需要開展混合充填料漿工作特性多因素回歸分析。自變量料漿廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度分別采用X1、X2、X3表示,對(duì)表1充填料漿測(cè)試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸分析,由此獲得各參數(shù)回歸方程:
式中,T1為料漿塌落度,cm;T2為料漿擴(kuò)散度,cm;T3為料漿稠度,cm;T4為料漿分層度,cm;T5為料漿的泌水率,%。
根據(jù)回歸分析結(jié)果可知,料漿坍落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律基本相同,料漿質(zhì)量濃度是影響工作特性的最顯著因素,各參數(shù)變化規(guī)律如下:
(1)塌落度隨料漿質(zhì)量濃度的增大而減??;隨膠砂比的增大而減小,但影響不明顯;隨廢砂比的增大而迅速減小,究其原因,是因?yàn)閺U石粗骨料含泥量多,隨著廢砂比增大,細(xì)泥含量增多,導(dǎo)致充填料漿變稠,從而提高了料漿的濃度,料漿塌落度隨之降低。
(2)擴(kuò)散度隨廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度增減變化規(guī)律與塌落度基本一致。
(3)稠度隨料漿質(zhì)量濃度增大而減小;隨廢砂比增大而減小。表明隨著料漿質(zhì)量濃度和廢砂比增大,料漿越來越粘稠,料漿流動(dòng)性逐漸降低。
(4)分層度隨廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律不一致,與廢砂比正相關(guān),與膠砂比及料漿質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān),其中料漿質(zhì)量濃度對(duì)分層度影響最顯著。
(5)泌水率隨料漿質(zhì)量濃度的增大逐漸減小,說明料漿的保水性和穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。
本次料漿流變參數(shù)試驗(yàn)采用高精度的R/S+SST型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀,選擇30/15槳式轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速設(shè)置初始值20 r/min,終值120 r/min,檢測(cè)次數(shù)100次。將流變?cè)囼?yàn)獲取的數(shù)據(jù)使用回歸軟件進(jìn)行分析,由此獲得剪切率與剪切應(yīng)力的流變曲線(其中料漿質(zhì)量濃度82%和膠砂比1∶5的4組不同廢砂比料漿流變曲線及擬合結(jié)果如圖1所示)。根據(jù)試驗(yàn)所得的曲線與典型流體流動(dòng)特性曲線對(duì)照,可以明顯得出料漿流變曲線屬于具有屈服應(yīng)力的偽塑性體特征,初步確定本次試驗(yàn)廢石—棒磨砂混合料漿的流變關(guān)系為具有屈服應(yīng)力的偽塑性體,可采用H-B模型進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析。
根據(jù)表1料漿流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果,針對(duì)料漿的屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)進(jìn)行影響因素的多元素回歸及相關(guān)性檢驗(yàn)?;貧w相關(guān)性檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,料漿屈服應(yīng)力的回歸方程與測(cè)試結(jié)果擬合較好,但料漿粘度系數(shù)擬合較差。料漿屈服應(yīng)力τ0、粘度系數(shù)K的回歸方程:
回歸分析結(jié)果表明,料漿屈服應(yīng)力主要影響因素是料漿質(zhì)量濃度,屈服應(yīng)力隨料漿質(zhì)量濃度提高而增大;其次是廢砂比,膠砂比對(duì)料漿屈服應(yīng)力影響不顯著。粘度系數(shù)的主要影響因素是膠砂比,粘度系數(shù)隨膠砂比增大而減??;其次是料漿質(zhì)量濃度,廢砂比對(duì)料漿粘度系數(shù)的影響較小。
開展廢石—棒磨砂混合料漿工作特性和流變特性研究,就是為了尋找混合充填料漿配比最優(yōu)組合,使其在滿足管道穩(wěn)定自流輸送的前提下,達(dá)到磨損最少和經(jīng)濟(jì)效益最大的目的。充填料漿特性主要受料漿的濃度、膠砂比、廢砂比3個(gè)因素影響,各因素之間既相關(guān)作用又互為制約,導(dǎo)致各影響因素對(duì)料漿流變特性產(chǎn)生較為復(fù)雜的作用。
本次研究應(yīng)用Design Expert中響應(yīng)曲面法進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)混合充填料漿工作特性參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)的響應(yīng)為塌落度和泌水率,通過調(diào)整3個(gè)影響因素使其響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)(最大或最?。?。自變量為廢砂比、膠砂比和料漿質(zhì)量濃度,依次建立混合充填料漿的響應(yīng)面優(yōu)化模型,由此獲得3個(gè)影響因素對(duì)因變量(塌落度和泌水率)的等高線和響應(yīng)曲面見圖2~圖5。
由料漿工作特性參數(shù)影響因素分析可知,影響料漿塌落度和泌水率顯著因素順序?yàn)椋毫蠞{質(zhì)量濃度>廢砂比>膠砂比。以最顯著影響因素的料漿質(zhì)量濃度和廢砂比作為自變量函數(shù),對(duì)因變量塌落度、泌水率作出等高線和響應(yīng)曲面,由此獲得的最優(yōu)膠砂比為0.21(約1∶5)。再利用Design Expert軟件Optimization工具箱對(duì)廢石—棒磨砂混合料漿的廢砂比、膠砂比、料漿濃度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),由此獲得料漿配比優(yōu)化組合見表2。優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮到棒磨砂8%的含水率影響,整個(gè)料漿濃度實(shí)際折減為79%。
(1)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,開展了48組不同配比的廢石—棒磨砂混合骨料充填料漿工作特性及流變參數(shù)測(cè)試。通過分析工作特性參數(shù)變化規(guī)律可知,料漿坍落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律相同,料漿質(zhì)量濃度是影響工作特性的最顯著因素。
(2)廢石粗骨料含泥量多,隨著廢砂比增大,細(xì)泥含量增多,導(dǎo)致料漿變稠,從而提高了料漿的濃度,料漿塌落度隨之降低。料漿質(zhì)量濃度和廢砂比增大,料漿越來越粘稠,料漿流動(dòng)性逐漸降低。泌水率隨料漿質(zhì)量濃度增大逐漸減小,說明料漿的保水性和穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。
(3)廢石—棒磨砂混合充填料漿的流變關(guān)系為具有屈服應(yīng)力的偽塑性體,可采用H-B模型進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析。屈服應(yīng)力主要影響因素是料漿濃度,屈服應(yīng)力隨料漿質(zhì)量濃度提高而增大;其次是廢砂比,膠砂比對(duì)料漿屈服應(yīng)力影響不顯著。粘度系數(shù)主要影響因素是膠砂比,粘度系數(shù)隨膠砂比增大而減小;其次是料漿質(zhì)量濃度,廢砂比對(duì)料漿粘度系數(shù)的影響較小。
(4)采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行廢石—棒磨砂混合充填料漿配比優(yōu)化設(shè)計(jì),由此獲得滿足金川礦山高濃度料漿自流輸送的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)為:廢砂比為0.62(接近4∶6)、膠砂比為1∶5、料漿質(zhì)量濃度為81.85%?;旌铣涮盍蠞{塌落度為27.24 cm、泌水率為9.25%。