不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化

甘肃金川铜镍矿似膏体充填料浆水化凝结时间迟缓、粗骨料离析程度大,严重影响充填浆体的质量。本文以金川二矿区全尾砂、废石和棒磨砂为实验材料,采用全面实验设计法,研究不同质量分数、粗骨料及尾骨比（全尾砂与粗骨料质量比）对膏体充填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律。实验结果表明:全尾砂–粗骨料膏体中,粗骨料的比表面积和化学成分（活性MgO和CaO）是影响凝结时间的主要因素;凝结时间随尾骨比增加而缩短,屈服应力随尾骨比增加而增加,塑性黏度（全尾砂–废石、全尾砂–棒磨砂膏体）随尾骨比增加而增加;全尾砂–废石膏体抗压强度优于全尾砂–废石–棒磨砂膏体抗压强度;最短凝结时间及最佳抗压强度（全尾砂–废石膏体、尾骨比5∶5）比矿用凝结时间和抗压强度分别缩短2.1 h和增加33%以上。最后对凝结性能进行单目标及多目标回归优化,多目标回归优化表明:全尾砂–废石–棒磨砂膏体最佳凝结时间为270～300 min、尾骨比10∶6∶6～10∶7∶7、屈服应力为167.0～169.0 Pa;全尾砂–棒磨砂膏体最佳凝结时间为300～330 min、尾骨比10∶14～10∶16、屈服应力为164.0～167.0 Pa,满足矿山生产要求。      

全固废膏体关键性能指标的多目标优化

在全尾砂膏体充填的基础上提出了全固废膏体充填，将全尾砂、废石、水淬渣等固废制备成膏体料浆充填至井下采空区，实现采空区垮塌、尾矿库溃坝和废石场滑坡的协同治理，达到“全废治三害”的效果。为此，研究了固体质量分数、废石掺量和胶固粉耗量对全固废膏体的塌落度、屈服应力、单轴抗压强度和泌水率的影响。根据国家标准规定的技术指标范围，对全固废膏体的关键性能指标进行了多目标优化。研究发现，全固废膏体的关键性能指标和全尾砂膏体相似，具有良好的流动性、输送性能与力学性能，并具有一定的泌水性。固体质量分数、废石掺量和胶固粉耗量对全固废膏体的关键性能指标具有显著的影响，其中固体质量分数对塌落度和屈服应力影响最大，胶固粉耗量对单轴抗压强度和泌水率的影响最大。通过研究，最终多目标优化所得最优参数是固体质量分数为79.31%、废石掺量为18.86%（质量分数）、胶固粉耗量（胶固粉质量与全尾砂和废石质量之和的比值）为3∶20，对应的塌落度为25.45 cm、屈服应力为100.49 Pa、单轴抗压强度为3.55 MPa、泌水率为1.50%。多目标优化结果可为实际应用提供参考，而总评归一值模型也可应用于其他矿山膏体的多目标优化。      

采矿废石—尾砂混合骨料在下向分层进路胶结充填采矿中应用的试验研究

为了降低金川矿山充填采矿成本,针对下向分层进路胶结充填采矿法,开展了废石—尾砂混合骨料现场工业充填试验。对废石和尾砂进行了粒度分析与级配研究,选取合适的废石—尾砂配比混合骨料开展现场工业充填试验研究。结果表明：-16 mm废石粗骨料和选矿尾砂细骨料的配比在5∶5~7∶3范围内,此时混合骨料的堆积密实度达到或接近于最大;对于废石与尾砂配比为6∶4和5∶5的混合骨料,当水泥添加量为260 kg/m³时,2种配比的混合骨料的胶结充填体强度均满足金川矿山充填法采矿的胶结体强度要求;采用一段搅拌时废石—尾砂混合骨料充填料浆搅拌不均匀,水泥和尾砂存在结团现象,导致胶结充填体均质性较差,整体稳定性较低,因此,废石—尾砂混合骨料的充填料浆需要采取二段活化搅拌来提高胶结充填体整体质量;对混合骨料充填料浆配比的精确控制,是影响胶结充填体强度和整体稳定性的重要因素。     

某矿膏体充填物料综合性能实验研究

针对某矿膏体充填物料,通过全面实验法研究了膏体充填材料的综合性能,并推荐了最优配比。结果表明,浓度与塌落度、分层度、泌水率呈负相关,与强度正相关;水泥添加量与塌落度、28d强度正相关,与分层度、泌水率负相关。根据塌落度25~27cm、分层度0.3~0.6cm、泌水率5%~15%时,推荐全尾砂与水淬渣重量比例为75∶25,28d单轴强度2MPa时灰砂比为1∶8,膏体浓度为76%~78%;当28d单轴强度0.5MPa时,灰砂比为1∶16,膏体浓度为76%~78%。     

基于NSGA-Ⅱ算法的废石及尾砂混合充填料配比优化

为了提高高峰矿尾砂充填体强度和解决井下废石利用问题,开展高峰矿废石及尾砂混合充填材料的最优配比研究,设计了四因素四水平的正交试验,采用极差分析获得了影响充填体强度、料浆泌水率和料浆坍落度的主次因素,得到初步满足矿山要求的配比：料浆浓度为83%,灰砂比为0.25,废尾比为1.5,泵送剂添加量为0.5%。根据正交试验数据建立了28 d充填体强度、料浆泌水率和坍落度的二次多项式回归模型,基于NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化,获得最优充填料浆配比。研究结果表明：灰砂比对充填体强度影响最大,料浆浓度和废尾比次之,泵送剂影响最小;灰砂比对料浆泌水率有明显的控制作用,废尾比和料浆浓度次之,泵送剂作用最小;料浆浓度对坍落度影响最大,泵送剂和灰砂比影响次之,废尾比影响最小;多目标优化后的配比：料浆浓度为82.989%,灰砂比为0.240,废尾比为1.419,泵送剂添加量为0.537%,优化后的配比方案所需充填材料成本相比正交试验确定的方案成本下降了2.9%。     

金川龙首矿粗骨料充填料浆离析机理的研究

在矿山充填的过程中,需要利用管道的水力进行输送,如果想要保证料浆不会在复杂的工况下发生离析,就需要从多个环节入手,保证充填体的强度。基于此,本文简要阐述了金川龙首矿的地质特点以及采矿的工艺,分析了龙首矿粗骨料充填料浆发生离析现象的原因,并分别从胶凝剂的控制、砂料的控制以及料浆的浓度控制等方面,提出金川龙首矿粗骨料充填料浆离析的控制方法。     

超细全尾砂充填配比优化正交试验研究

为了研究灰砂质量比、固相质量分数和温度对充填料浆各性能指标的影响规律,确定不同温度范围适合采矿工艺要求的充填材料控制参数。结合北方某矿山工程实践,以司家营磁铁矿全尾砂为充填骨料,新型胶凝材料为胶结料,运用正交试验设计法进行充填配比优化试验,得到以上3个因素对充填体28 d抗压强度、泌水率、塌落度和初凝时间等4个评价指标的敏感程度,以及各指标随各因素的变化趋势,确定最优的配比参数。试验结果表明：通过增大灰砂质量比可以提高充填体强度并缩短初凝时间,而充填体的泌水率和塌落度对固相质量分数最敏感;料浆充填性能随温度升高而提高,当温度为10 ℃ 和20 ℃时,最优配比为灰砂质量比1∶6,固相质量分数70%;当温度为30 ℃时,最优配比为灰砂质量比1∶8,固相质量分数72%。在不同温度范围采用不同配比参数可以降低充填成本。     

优化电解锰渣充填体性能研究

以硅铝基胶凝材料对广西某电解锰公司的电解锰渣设计了浆体质量浓度、废石掺量、废石粒径分布以及养护龄期4个因素3个水平的正交试验。试验结果表明:当浆体质量浓度为70%、废石掺量为10%,废石粒径5~10 mm,养护龄期28天是固结体试件强度最好,可达2.00 Mpa,符合固结充填强度要求。但最优强度组合,电解锰渣浆体呈半固态性状,没有流动性能,不符合充填要求,为此控制浆体质量浓度为变量,其它因素为最优组合条件下的参数为定量,设计了单因素试验,结果表明:当浆体质量浓度为67%,其塌落度为193 mm,流动度219 mm,扩展度380 mm,能实现浆体充填,其28天抗压强度为1.7 MPa,符合矿山充填要求。     

废石全尾砂高浓度充填料浆的均质化模型

针对废石全尾砂高浓度充填料浆管输易堵管及充填体分层的问题，开展减水剂、搅拌参数等对料浆均质性影响的试验及料浆均质化定量表征的研究。首先基于泌水?坍落度试验确定了聚羧酸系(PC)减水剂及其掺量区间，获得了PC作用下的料浆流变参数及充填体强度的变化规律。其次，通过图像处理技术分析搅拌料浆表面特征，明确了PC作用下搅拌时长及废尾比(废石与尾矿质量比)对料浆均质化的影响规律。最后，构建了废石全尾砂高浓度充填料浆的均质化模型。结果表明，PC作用能够降低料浆的屈服应力与塑性黏度系数，改善料浆流动性。合理掺量可以提升充填体的早期强度，但对28 d强度有削弱。料浆表面图像信息熵越高、黑色像素点占比越小，料浆均质化程度越高，且均质化程度随搅拌时长、废尾比的增大呈先增大后减小趋势。当PC的质量分数为0.26%~0.5%时，料浆均质化程度高，PC质量分数为0.5%时料浆屈服应力和塑性黏度达到最小值，分别为202.25 Pa和0.79 Pa·s。      

胶结充填材料优选及配比优化试验研究

针对某矿山采用全尾砂和胶凝材料作为充填材料进行自流胶结充填存在的充填料浆浓度低、井下采场泌水量大及充填体强度达不到要求等问题,开展了充填材料优选和配比优化试验研究。通过进行充填尾砂的物化性质分析和充填材料优化对比试验,优选出适合该矿山的胶结充填材料。在优选试验的基础上,采用正交试验方法进行配比优化试验,以标准水泥为胶结材料,全尾砂和矿渣微粉为骨料,研究矿渣微粉掺量、灰砂比和料浆浓度对充填体和料浆性能指标的影响规律,通过极差分析和方差分析确定因素的主次顺序和影响程度,并最终确定胶结充填材料最佳配比为料浆浓度68%,矿渣微粉掺量18%,灰砂比1∶14。     

建筑垃圾制备膏体充填材料骨料级配优化

建筑垃圾用作井下充填材料,不仅可以消除其大量堆放造成的环境危害,而且可以解决矿山采空区充填材料不足的问题,有效维护采场安全。采用土工试验的方法,测试了建筑垃圾的基本物理性质。针对建筑垃圾一次破碎中间粒径缺失问题,提出了新的破碎工艺,即将一次破碎后粗骨料的1/3二次破碎至15 mm以下后回混,能够得到级配良好的骨料。根据膏体材料强度及流动性能要求,选用建筑垃圾制备骨料,普通水泥作为胶凝材料,粉煤灰作为添加料,制备合格的膏体材料,开展单轴抗压试验和坍落度试验。结果表明：使用建筑垃圾制备骨料时,控制粉煤灰掺量为15%、水泥掺量为10%、含水率在27%~28%之间,膏体材料的坍落度为21.5~24.0 cm,得到的充填体3 d单轴抗压强度为1.23 MPa、28 d单轴抗压强度为3.55 MPa,能够满足膏体材料对强度和流动性能的要求。     

含膨润土充填料浆泌水特性分析

为研究含膨润土全尾砂充填料浆的泌水特性与规律，以掺膨润土的良山铁矿全尾砂作为试验材料，进行以灰砂比、料浆浓度和膨润土掺量的三因素四水平正交试验，通过室内试验来观察料浆在不同膨润土掺量下的泌水现象，进而分析在全尾砂胶结充填中添加膨润土对料浆泌水性的影响。结果表明：在一定的变化范围内，总泌水率与各因素呈反比关系，其中料浆浓度对总泌水率的影响最大，其次是膨润土掺量，灰砂比最小；料浆的动态泌水过程大致划分为前期快速泌水和后期稳定泌水2个阶段，且每个阶段持续时间因不同配比条件的影响而不同；根据动态泌水过程，膨润土掺量对整个动态泌水率影响最明显，而料浆浓度和灰砂比的影响较小。     

武山铜矿全尾砂膏体流变特性试验研究

为研究武山铜矿全尾砂膏体的流变特性,通过开展不同配比充填料浆的坍落度、稠度和分层度试验,采用 Brookfield R/S 流变仪测试充填料浆的流变参数,并根据膏体流变参数与管道输送阻力的数学模型确定管道输送参数。结果表明 ：充填料浆的坍落度随灰砂比和重量浓度的增加而减小,当浓度超过 74% 时充填料浆的坍落度急骤下降,重量浓度为 76% 充填料浆的坍落度在 20.4~25.62cm 范围内,已达到膏体状态 ;充填料浆的稠度和分层度均随重量浓度的增加而减小,灰砂比的影响不明显,重量浓度 72%~74% 范围内充填料浆稠度均大于 10cm,浓度 70%~76% 范围内充填料浆的分层度均小于 2cm ;充填料浆的屈服应力随灰砂比和重量浓度的增加而增大,当浓度超过 74% 时,料浆的屈服应力急剧增加 ;充填料浆的临界流速随浓度和灰砂比的增加而减小,沿程阻力损失随充填流量和灰砂比的增加而增大 ;推荐充填料浆重量浓度为 72%~74%,充填流量控制在150 m3/h 左右,最大沿程阻力损失为 3.53kPa/m。     

电厂灰渣制备井下膏体充填材料试验研究

为了探究不同灰渣对充填体强度的影响,将流化床底渣、流化床飞灰和粉煤灰按不同比例混合,作为充填骨料,普通硅酸盐水泥作为胶结材料,加水制备膏体材料,进行流动度测试和抗压强度试验。结果表明：（1）流化床灰渣中含有部分胶凝成分,粉煤灰具有减水作用和一定的火山灰活性,二者均为良好的井下充填材料。（2）当膏体材料含水率超过其饱和含水率时,膏体流动性会大幅提高,充填材料发生离析、脱水,导致充填体强度降低。（3）当流化床底渣、飞灰和粉煤灰配比为6∶2∶1,水泥含量为10%,料浆浓度为73%时,坍落度为20 cm,充填体28 d强度可达3.3 MPa。此配比在满足料浆流动度和充填体强度要求的同时,使充填成本大幅降低。（4）将上述配比作为对照组,进行级配优化试验,将原状底渣进行破碎后作为细骨料,以不同比例取代原状底渣。当底渣破碎至粒径小于等于5 mm,取代率为10%~15%时,充填体7 d强度达到2.4 MPa,28 d强度可达3.5 MPa,充填体强度明显提高。该研究结果为电厂灰渣在黄金矿山充填工程中的应用提供了参考和借鉴。     

超高流动性改性镁渣基充填材料的性能

针对超远距离输送过程中,特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大,管道磨损严重等问题,采用改性镁渣（MMS）和粉煤灰（FA）在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料（UH-MFPB）,探究其早期强度、流动性以及流变特性,并建立流动性和流变参数的相关关系。研究结果表明:（1）UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势。当FA质量分数为20%时,样品的抗压强度最大,养护28 d可达到6.759 MPa,后期强度持续增加;（2）新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6～29.2 cm,扩展度为61～93.1 cm,具有很好的流动性;（3）新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel?Bulkley模型,流变参数（屈服应力、塑性黏度和触变性）随FA含量的增大而减小,且FA质量分数达到20%时,料浆出现剪切增稠的现象;（4）新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系,呈现出负相关性。