掺铜渣尾砂的混合骨料料浆管输特性试验研究

掺铜渣尾砂的混合骨料料浆管输特性试验研究

0充填料浆流变特性分析随着经济的快速发展，矿产资源的需求也在增加。当表面平坦的矿产资源无法满足社会发展的需求时，资源开采一直趋势向井开采。针对金川矿山采用混合粗骨料充填料浆存在分层离析的问题，研究采用掺加铜渣尾砂细骨料来优化混合粗骨料的粒径级配，以期实现高浓度和高流态料浆输送，解决充填料浆离析的问题。为此，开展不同浓度的胶结充填体强度和管输特性试验，建立胶结充填体强度模型和流变特性模型。在此基础上，以充填料成本作为优化目标，以胶结充填体强度和流动性作为约束条件，建立掺加铜渣尾砂混合骨料充填料浆的优化模型，以此来优化骨料配比，获得满足金川矿山充填体强度和管输特性要求的优化设计参数。1试验材料的物理特性分析1.1砂粒度与粒度级配试验采用废石、铜渣尾砂混合骨料，其中废石由矿区井下废石混合料经鄂式破碎机破碎，达到矿山充填骨料粒度设计要求，此次试验选用最大粒径为12mm的废石；铜渣尾砂是冶炼铜时产生的废渣，其主要成分是FeO和SiO采用标准筛和激光粒度分析仪对骨料粒度级配进行分析，结果如图1所示，并采用插值法求得两种骨料的特征粒径，如表2所示。由图1和表2可以看出，废石的自然级配良好，级配指数为0.533,0.3mm以上粒径占83.09%，粗颗粒含量较多，在试验中可作为粗骨料，若单独使用会造成充填料浆离析，必须掺加一定的细骨料；而铜渣尾砂不均匀系数为11.67,0.3mm以下粒径占95%以上，相对细颗粒较多，充填中可作为细骨料。1.2材料的填充胶凝材料选用由北京科技大学开发新型胶凝材料———“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2.95t/m2级配条件对粒径生长曲线及粒径特征曲线的绘制根据前期堆积密实度试验，确定铜渣尾砂掺量范围为10%～30%，因此试验以10%、15%、20%、25%、30%的掺量来研究混合骨料粒径级配，并以掺量10%为例绘制粒径特征曲线（见图2），各配比特征粒径见表3。3废石-铜渣尾砂混合骨料强度试验3.1试验计划和结果根据前期探索性试验，确定铜渣尾砂掺量范围为10%～30%，并以此进行混合骨料充填强度试验，具体试验方案及试验结果如表4所示。3.2试验结果的分析3.2.1铜渣尾砂的用量对强度的影响根据试验结果分析铜渣尾砂掺量对充填体强度的影响，以胶凝材料用量290kg/m3.2.2胶凝材料用量与各龄期平均强度的关系根据试验结果分析胶凝材料用量和料浆质量浓度对充填体强度的影响，以各水平下各龄期平均强度为例，绘制胶凝材料用量和浓度与强度的关系图，如图4所示。由图4可知，随着胶凝材料用量和料浆浓度的增加各龄期强度均逐渐增大。图4(a）中，随着胶凝材料用量由270kg/m4废石-铜渣尾砂混合骨料浆料的性能试验4.1试验计划和结果采用3因素3水平的正交试验，铜渣尾砂为10%、20%、30%3个水平，胶凝材料添加量定为270,290,310kg/m4.2铜渣尾砂掺量对分层度的影响根据表5试验结果，取每个因素水平（换算为编码值-1,0,1，下同）对应的各管输特性参数的平均值，绘制混合粗骨料各个因素不同水平下各参数变化图，如图5所示。由图5(a）可知，胶凝材料添加量与塌落度变化关系不是很明显，而料浆质量浓度、铜渣尾砂添加量与塌落度呈线性变化，随着料浆浓度的增大，混合粗骨料塌落度逐渐降低，说明料浆浓度的过高与铜渣尾砂添加量的提高对于浆体的流动性不利；由图5(b）可知，铜渣尾砂掺量与胶凝材料添加量与扩散度变化关系出现折点，而料浆质量浓度与扩散度呈线性变化，随着料浆浓度的增大，混合粗骨扩散度逐渐降低，说明料浆浓度的过高不利于浆体的扩散；由图5(c）可知，铜渣尾砂掺量、胶凝材料添加量、料浆质量浓度与流动度变化关系不是线性关系，而且铜渣尾砂、胶凝材料添加量、料浆质量浓度在中间水平时浆体的流动度达到最大值，说明在一定范围内铜渣尾砂掺量、胶凝材料添加量、料浆质量浓度的提高能够提高浆体的流动度，过高导致浆体的流动性下降；由图5(d）可知，胶凝材料添加量、料浆质量浓度在中间水平时浆体的分层度达到最大值，并且铜渣尾砂掺量分层度的图像关系存在明显的转折点，说明一定程度的铜渣尾砂掺量有助于降低浆体的分层度，从而防止浆体离析；由图5(e）可知，随着铜渣尾砂掺量与料浆浓度的提高，浆体的泌水率逐渐降低，说明提高铜渣尾砂掺量与料浆浓度有助于防止料浆离析，并且胶凝材料处于中间水平时浆体的泌水率最大。5回归分析与填充比优化5.1充填体强度回归模型以表4中强度试验结果为样本，采用DPS软件中的二次多项式对充填体强度进行逐步回归分析，分别获得3,7,28d养护时间下的强度回归函数，结果分别如式（1）～式（3）所示：式中，x5.2充填体强度逐步回归以表5强度试验结果为样本，采用DPS软件中的二次多项式对充填体强度进行逐步回归分析，分别获得泌水率、扩散度以及28d养护时间下的沉缩率回归函数，结果分别如式（4)～(6）所示：式中，M为泌水率，%；K为扩散度，cm;G5.3充填体强度及泌水率约束因素为了求得满足矿山的最优充填方案，优化模型构建如下：将单位体积的充填成本定为目标成本，具体价格如表6所示，即将充填成本作为模型最终输出值；充填成本由充填料成本组成，即充填单位体积消耗的固结粉、废石和铜渣尾砂的成本和构成总成本；约束条件包括料浆配比方案、充填体强度要求、28d沉缩率以及料浆泌水率。此外，由于扩散度及泌水率回归结果较差，只能大致反映料浆的流动性，所以在此不作为约束条件。具体构造优化函数为：式中，Z为充填成本，元/m利用MATLAB-fmincon非线性优化模型，对试验数据按上述建模并分析，得到满足充填强度要求的最低成本方案，结果如表7所示。在满足矿山充填体强度要求的情况下，最低成本充填方案：胶凝材料用量为270kg/m6废石-铜渣尾砂混合充填料浆管输特性试验结果(1）对试验物料进行物化分析，废石和铜渣尾砂主要成分均为SiO(2）对骨料进行粒径分析，可知：废石级配指数为0.533，粒径0.3mm以上占83.09%，加权平均粒径d(3）废石-铜渣尾砂混合骨料充填体强度试验结果表明：铜渣尾砂掺量对各个龄期强度影响存在一定差异，3,7d强度均随着铜渣尾砂掺量增加先增大后减小再增大，在30%时达到最高；28d强度随着铜渣尾砂掺量的增加，先增大后减小，在25%时达到最大；随着胶凝材料用量和料浆浓度的增加各龄期强度均逐渐增大，随着胶凝材料用量由270kg/m(4）根据废石-铜渣尾砂混合骨料充填料浆管输特性试验结果可知：铜渣尾砂添加量、胶凝材料添加量和料浆质量浓度对充填料浆管输特性影响各不相同，但是在一定范围均对料浆管输特性有益，而超过这个范围则或多或少对料浆管输特性有不利影响，说明