掺粉煤灰的混合充填骨料配比优化实验

卓庆奉，巴蕾，王奇峰

（1.鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.国家能源集团神东煤炭集团信息管理中心，陕西 榆林 719000）

近年来，随着国家对安全和环保要求的提高，充填采矿法在世界范围内得到越来越广泛的应用[1-3]。一方面是由于地下开采深度加大后维护矿山和采场稳定的需要，另一方面是提高自然资源回收率和环境保护的需要[4-5]。充填采矿技术在采矿活动中的应用不仅可以最大化地回收矿石资源，降低矿石贫化，而且还能够有效地控制采场地压，减少地表下沉，具有回采作业安全、资源回采率高、保护矿山环境以及废弃物资源化[6-7]。实现安全采矿，降低采矿成本和提高采矿经济效益，是充填法采矿一直追求的目标。在充填采矿法中，高浓度管输胶结充填采矿法是目前常用的方法，其不仅具有安全高效等特点，而且能够对采矿和选矿活动中产生的废石和尾砂等固体废弃物进行综合利用，有效减少环境污染[8]，但是在充填过程中容易产生充填料浆的分层离析，不但影响充填体强度，严重地可能造成堵管和爆管影响充填效率，甚至危及采矿安全[9]。造成料浆离析的因素很多，其中骨料的配比及级配是其中重要因素之一[10-11]。国内外专家学者对此进行了大量研究，其中，董培鑫[10,12-13]等研究了充填骨料粒径级配对料浆流变特性的影响；杨小聪[14]等研究了充填体不均匀性对充填的影响；Wang X等[15-16]研究结果表明，骨料级配是影响充填料浆分层离析的重要因素。针对甘肃某矿山采用废石和棒磨砂混合粗骨料存在充填料浆分层离析的问题，本文在前期大量实验研究的基础上，选择添加粉煤灰作为细骨料，以期优化混合骨料的级配，在保证充填体强度的前提下，改善料浆离析程度，实现高浓度高流态高效充填采矿。

1 实验材料物化特性分析

1.1 充填骨料

1.1.1 充填骨料物化特性分析

实验采用混合骨料进行，废石、棒磨砂作为粗骨料，其中废石由矿山井下开拓或采矿活动产生的废石混合料，破碎机破碎后达到矿山充填骨料粒度设计要求，棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石经“两段-闭路”的破碎工艺和棒磨工艺后加工而成，用以充填；粉煤灰作为细骨料，其是从燃煤热电厂排放的粉状物，在高浓度或膏体充填料浆中，添加适量的粉煤灰可显著提高料浆浓度，降低管道输送阻力，改善膏体的泵送性能，对充填骨料进行物理特性以及化学成分测定，结果见表1、2。

表1 充填骨料物理参数Table 1 Physical parameters of filling aggregate

表2 充填骨料化学成分组成Table 2 Chemical composition of filling aggregate

1.1.2 充填骨料粒径分析

采用筛分法对骨料进行粒度分析，结果见图1。

图1 充填骨料粒径分布特征Fig.1 Characteristics of particle size distribution of filling aggregate

采用插值法求骨料的特征粒径，见表3。

表3 充填骨料特征粒径Table 3 Characteristic particle size of filling aggregate

看出废石和棒磨砂的自然级配良好，级配指数分别为0.563和0.549，0.3 mm以上粒径占83.09%和84.21%，粗颗粒含量较多，在实验中作为粗骨料，根据前期废石-棒磨砂堆积密实度实验，确定废石-棒磨砂较优配比为3:7，但是若单独使用混合粗骨料仍会造成充填料浆离析，必须掺加一定的细骨料，而粉煤灰不均匀系数为17.6，0.3 mm以下粒径占95%以上，细颗粒较多，充填中作为细骨料。

1.2 充填胶凝材料

胶凝材料选用由甘肃省永昌县熙金公司生产的新型胶凝材料—“固结粉”，其主要成分为矿渣微粉、脱硫石膏以及熟料，其密度为2.95 t/m3。

不同粉煤掺量的混合骨料粒径分析

粉煤灰掺量对混合骨料粒径级配有很大影响，根据前期混合骨料堆积密实度实验确定在废石-棒磨砂配比为3:7时，粉煤灰掺量在15% ~ 35%范围内较优，故以此范围进行混合骨料粒径分析，结果见图2，相应的特征粒径见表4。

表4 不同粉煤灰掺量的混合骨料粒径分布特征值Table 4 Particle size distribution characteristic value of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

图2 不同粉煤灰掺量的混合骨料粒径分布特征曲线Fig.2 Characteristic curves of particle size distribution of mixed aggregate with diあerent fly ash contents

3 混合骨料充填体强度实验

3.1 实验方案及结果

在混合粗骨料中掺加粉煤灰不仅弥补细颗粒的不足，优化骨料级配，而且有利于形成高浓度料浆，提高其管输性能和充填体强度。为此开展不同比例粉煤灰掺量的混合骨料胶结充填体强度实验，实验方案为：（1）充填骨料采用3:7的废石-棒磨砂粗骨料与不同含量粉煤灰混合骨料，具体掺量为15%、20%、25%、30%、35%；（2）料浆质量浓度为77%、79%、81%；（3）胶凝材料采用“固结粉”新型充填胶凝材料，添加量为270 kg/m3、290 kg/m3、310 kg/m3。具体实验方案及结果见表5，其中前9组为正交实验，后8组为补充实验。

表5 不同粉煤灰掺量的混合骨料充填体强度实验结果Table5 Strength test results of mixed aggregate fillers with diあerent fly ash contents

3.2 实验结果分析

各因素对充填体强度的影响见图3。

图3 各因素对充填体强度的影响Fig.3 The influence of various factors on the strength of filling body

其中图3（a）为胶凝材料添加量290 kg/m3，料浆浓度为79%时粉煤灰掺量对充填体强度的影响，可以看出3 d、7 d和28 d强度均随粉煤灰掺量增加而增大，粉煤灰掺量从15%增加至35%时，各龄期强度分别增大了38.6%、41.4%和29.3%；图3（b）为以粉煤灰掺量20%、料浆浓度为79%时胶凝材料用量对充填体强度的影响，可以看出各龄期强度随着胶凝材料用量增加而逐渐增大，胶凝材料用量从270 kg/m3增加到310 kg/m3时，3 d、7 d和28 d强度分别增大了32.3%、16.5%和48.0%；图3（c）为以粉煤灰掺量20%、胶凝材料添加量290 kg/m3时料浆浓度对充填体各龄期强度的影响，可以看出充填体强度随着料浆浓度的增大而增大，浓度从77%增大到81%，3 d、7 d和28 d强度分别提高了50.1%、44.8%和32.2%

3.3 回归分析

为了揭示粉煤灰掺量、胶凝材料用量和料浆浓度与充填体各龄期强度之间的定量关系，以粉煤灰掺加量（%）、胶凝材料用量（kg/m3）和料浆浓度(%)为自变量，并分别以x1、x2和x3来表示，以3 d、7 d、28 d的抗压强度(MPa)作为因变量，分别以用R3d、R7d和R28d表示，通过DPS数据处理软件建立R3d、R7d和R28d与x1、x2和x3的回归公式，如式(1) ~ (3)：

4 掺粉煤灰的混合骨料充填料浆工作特性实验

4.1 实验方案及实验结果分析

矿山充填不仅要满足充填体强度要求，而且要满足充填料浆的管输要求，因此需要对掺粉煤灰的混合骨料充填料浆管输工作特性进行研究。因此，分别测定在不同粉煤灰掺量（15%、20%、25%、30%和35%）、不同胶凝材料添加量（270、290、310和310 kg/m3）、不同浓度（77%、79%和81%）条件下料浆的塌落度、分层度和泌水率等参数。粉煤灰掺量对充填料浆工作特性的影响见图4。

图4 粉煤灰掺量对充填料浆工作特性的影响Fig.4 Eあect of fly ash content on working characteristics of filling slurry

图4（a）为粉煤灰掺量对料浆塌落度的影响，可以看出粉煤灰添加量与塌落度的关系并不显著。当塌落度大于25 cm时，用塌落度表征料浆可输送性能意义不大，只能定性得到都具有良好的可输送性。塌落度随粉煤灰掺加量的增加先增大后减少，粉煤灰的较佳掺加量为25%，其他具体的定量的规律需从其他参数得到；从图4（b）可以看出，分层度随粉煤灰添加量的增加呈波动状态，并无明显规律，但是分层度在粉煤灰掺量35%时最小；图4（c）为粉煤灰掺量对料浆泌水率的影响，可以看出，整体上，泌水率随粉煤灰掺加量的增加逐渐降低，直到粉煤灰添加量超过30%时，泌水率基本平缓不变，这是因为浆体已经达到高浓度浆体“不分层不离析”的极限状态，因此添加粉煤灰可以使浆体的保水性增强，提高浆体的稳定性。

4.2 回归分析

根据料浆工作特性实验结果，对塌落度、分层度和泌水率进行回归分析，从而建立充填料浆工作特性参数与各充填物料之间的函数关系，结果如式(4) ~ (6)所示。

式中：T、F和M分别为胶结充填体塌落度、分层度和泌水率，MPa；x1为粉煤灰掺加量，%；x2胶凝材料添加量，kg/m3；x3料浆质量浓度，%。

5 混合骨料充填配比优化

在满足矿山充填体强度要求的前提下，尽可能降低充填成本以期获得最大的经济效益，因此，以单位体积的充填成本最低为优化目标，以强度要求为约束条件建立优化模型进行求解，即充填单位体积所消耗的固结粉、废石、棒磨砂和铜渣尾砂的成本（各物料单位成本见表6）和构成总成本，以矿山对于充填体各龄期强度的要求（即R3d≥1.5 MPa，R7d≥2.5 MPa，R28d≥5 MPa，M≤10）为约束条件，具体构造如下优化模型：

表6 充填材料单位成本Table 6 Unit cost of filling materials

式中：Z为单位体积充填料浆成本，元；x1为粉煤灰掺加量，%；x2胶凝材料添加量，kg/m3；x3料浆质量浓度，%；x4为单位体积充填料浆中棒磨砂用量，kg；x5为单位体积充填料浆中废石用量，kg；x6为单位体积充填料浆中粉煤灰用量，kg；x7为单位体积充填料浆中水的用量，kg。

利用MATLAB线性优化模型对实验数据按上述建模并分析，在满足充填强度要求的前提下，成本最低的方案为：粉煤灰添加量354.9 kg/m3、胶凝材料添加量286 kg/m3、废石添加量305.25 kg/m3、棒磨砂用量712.3 kg/m3、水用量380 kg/m3，即：粉煤灰掺量26%、胶凝材料添加量为286 kg/m3，料浆浓度为81.36%时充填材料成本最低，并以此进行验证实验，得到3 d强度为1.56 MPa，7 d强度为2.86 MPa，28 d强度为6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分层度3.1 cm，泌水率为5.7%，充填成本为124元/m3较原来的145元/m3降低了14%。

6 结 论

（1）由实验材料物化分析及粒径级配分析结果得出，废石和棒磨砂是较好的充填骨料，但因其粗颗粒含量较多，单独使用会造成充填料浆沉降离析，需要加入细颗粒以改善骨料级配。

（2）充填骨料粒径分析结果表明，单独使用粗粒骨料废石和棒磨砂时，混合骨料不均匀系数较小，而掺加粉煤灰可使混合骨料不均匀系数逐渐增大，表明粉煤灰的添加可改善骨料级配。

（3）混合骨料充填料浆工作特性实验结果表明，3 d、7 d和28 d充填体强度均随粉煤灰掺量增加而增大；各龄期充填体强度随着胶凝材料用量增加而逐渐增大；充填体强度随着料浆浓度的增大而增大。

（4）混合骨料充填配比优化研究结果表明，粉煤灰掺量26%、胶凝材料添加量为286 kg/m3，料浆浓度为81.36%时充填材料成本最低，得到3、7和28 d的充填体强度分别为1.56、 2.86和和6.9 MPa，塌落度25.6 cm，分层度3.1 cm，泌水率为5.7%，充填成本为124元/m3较原来的145元/m3降低了14%。