基于能量匹配的充填体强度设计及料浆配比优化_杨志强.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-08-22基金项目 河北省重点研发计划项目(编号:20374103D)。作者简介 杨志强(1972),男,高级工程师。通信作者 王立杰(1972),女,高级工程师。基于能量匹配的充填体强度设计及料浆配比优化杨志强1 王立杰1 王社光1 高 谦2 王福全1 王庆刚1(1.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司,河北 邢台 054100;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)摘 要 由于各矿山地质条件不同、开采方法及结构参数不同,且影响充填体强度因素多而复杂,给安全经济合理的充填体强度确定带来困难。本研究根据前期胶砂强度试验、管输特性试验的结果,基于充填体与围岩相互作用关系,采用能量耗散理论,分别确定一步采和二步采充填体合理强度;在此基础上,结合料浆管输特性,采用多目标模糊综合评判理论对充填料浆配比进行优化,在满足充填体强度和料浆流动性基础上进一步降低充填成本。研究表明:一步采和二步采充填合理强度分别为 2.50 MPa 和 1.0 MPa,固化时间均为 28 d;充填料浆优化配比均为胶砂比15 和料浆浓度 64%。试验验证表明所得优化配比具有较高可靠性,可为工业充填提供依据。关键词 全尾砂 胶结充填体 能量匹配 模糊综合评判 配比优化 中图分类号TD853.34 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-038-05DOI 10.19614/ki.jsks.202302006Strength Design on Filling Body and Optimization of Slurry Ratio Based on Energy MatchingYANG Zhiqiang1 WANG Lijie1 WANG Sheguang1 GAO Qian2 WANG Fuquan1 WANG Qinggang1(1.Shahe Zhongguan Iron Mine Co.,Ltd.,Hebei Iron and Steel Group,Xingtai 054100,China;2.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract Due to the different geological conditions of each mine,the mining methods and structural parameters are dif-ferent,and there are many and complex factors affecting the strength of the filling body.It brings difficulties to the determina-tion of the strength of the filling body that is safe,economical and reasonable.Based on the previous mortar strength test,the re-sults of the pipeline characteristics test,based on the interaction between the backfill and the surrounding rock,using the ener-gy dissipation theory,determine the reasonable strength of the backfill in one-step mining and two-step mining respectively;on the basis of,combined with the characteristics of slurry pipeline transportation,the multi-objective fuzzy comprehensive evalua-tion theory is used to optimize the filling and slurry ratio.On the basis of satisfying the strength of the filling body and the fluid-ity of the slurry,the filling cost is further reduced.research shows:The reasonable backfill strengths of one-step mining and two-step mining are 2.50 MPa and 1.0 MPa,respectively.The curing time is 28 d;The optimal ratio of filling slurry is 1 5 mortar ratio and 64%slurry concentration.The experimental verification shows that the obtained optimized ratio has high relia-bility.It can provide the basis for industrial filling.Keywords full tailings,cemented filling,energy matching,fuzzy comprehensive evaluation,proportion optimization 对于地下矿山而言,采用充填采矿法将选矿全尾砂与胶凝材料混合搅拌成高浓度充填料浆,用于井下矿房空区胶结充填,其胶结充填体不仅可以作为二步采矿房的矿柱,控制地压,为回采工作面创造安全条件,还可以减少尾砂地表堆存,实现清洁生产,由此保护环境。为保障充填矿山安全、高效和低成本开采,合理确定胶结充填体强度至关重要。由于各矿山地质条件不同、开采方法及结构参数不同,且影响充填体强度因素多而复杂,给安全经济合理的充填体强度确定带来困难。国内外学者对胶结充填体强度的设计进行了很多研究,王俊等采用工程类比法、数学模型法、数值分析法等确定充填体的合理强度1-3,李长洪等基于充填体与围岩的力学匹配关系确定充填体合理强度4-5,为胶结充填体强度的确定起到指导作用。本研究以某铁矿为背景,根据前期胶砂强度试验、管输特性试验的结果,基于充填体与围岩相互作用关系,采用能量耗散理论,分别确定该铁矿一步采和二步采充填体合理强度;在此基础上,结合料浆管83输特性,采用多目标模糊综合评判理论对充填料浆配比进行优化,在满足充填体强度和料浆流动性基础上降低充填成本,以期实现低成本、安全、高效采矿。1 基于能量匹配关系尾砂胶结充填体强度优化1.1 尾砂胶结充填体强度与养护龄期的关系利用周边的钢渣微粉、矿渣微粉以及工业副产品石膏等固体废弃物,针对中细尾砂(-200 目细泥含量75%),开展绿色钢渣基胶凝材料的胶结体强度试验,表 1 为胶结充填体强度试验数据的综合分析与处理后的结果。从表 1 中可以看出,胶结体强度与胶凝材料性能、料浆浓度、胶砂比、养护龄期等因素密切相关5。根据表 1 中试验数据,补充其 1、3、14、60、90 d强度数据后对其进行数值拟合,表 2 为不同浓度和胶砂比的充填体强度与养护龄期的拟合关系结果。图1 为拟合关系曲线图,可知充填体强度随胶砂比、料浆浓度及养护龄期的增加而逐渐增大。1.2 尾砂胶结充填体强度与矿岩能量匹配关系首先把充填体看作连续介质,根据能量等价原理计算充填体单位体积的弹性变形能 Up6-8;其次进行矿岩开挖能量耗散分析,计算得到单位矿岩释放的能量Ur;最后根据能量守恒原理,进行尾砂胶结充填体表 1 钢渣基胶凝材料全尾砂胶结体强度试验结果Table 1 Strength test results of full tailings cement of steel slag-based cementitious materials编号胶凝材料胶砂比料浆浓度/%单轴抗压强度/MPa7 d28 d28 d 沉缩率/%A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20钢渣基固结粉14151618580.892.549.48601.083.128.20621.253.257.43641.493.935.10661.884.023.91580.731.999.51600.962.118.27621.232.537.51641.372.685.28661.523.264.38580.101.209.57600.251.518.39620.451.807.63640.692.055.87660.942.394.43580.000.779.63600.150.938.45620.251.197.73640.391.216.22660.541.404.60表 2 充填体抗压强度与养护龄期的拟合关系Table 2 Fitting relationship between compressive strength of backfill and curing age质量浓度Cw/%不同胶砂比的充填体强度与养护龄期的拟合关系1415161858=3.0-2.89e-t/17.7R2=0.978=2.34-2.25e-t/15.3R2=0.972=1.61-1.60e-t/21.7R2=0.932=1.01-1.07e-t/19.3R2=0.91460=3.59-3.36e-t/16.7R2=0.977=2.48-2.22e-t/14.1R2=0.963=1.91-1.97e-t/20.0R2=0.934=1.16-1.19e-t/18.6R2=0.92862=3.78-3.38e-t/15.0R2=0.986=2.70-2.28e-t/13.2R2=0.979=2.18-2.17e-t/17.2R2=0.937=1.39-1.43e-t/16.5R2=0.93864=4.28-3.75e-t/14.1R2=0.950=2.93-2.43e-t/12.2R2=0.975=2.50-2.41e-t/16.6R2=0.961=1.67-1.60e-t/20.2R2=0.91466=4.42-3.63e-t/13.2R2=0.957=3.55-2.90e-t/12.8R2=0.949=2.80-2.61e-t/15.0R2=0.963=1.87-1.70e-t/19.9R2=0.983与围岩能量匹配分析9-10,得到匹配系数 K,详见公式(1)。当 K1 时,胶结体与围岩能量匹配,不会发生破坏失稳,反之则失稳。K=4E00.5(1-)2(1-23-32)(H)2,(1)式中,为胶结充填体强度,MPa;为矿岩容重,kN/m3;E0为矿岩变形模量,MPa;为矿岩泊松比;H为矿岩深度,m。1.3 中关铁矿细尾砂胶结充填体强度确定根据式(1)可知,为保障安全开采,必须满足匹配系数 K1,则可计算得到胶结充填体强度 满足:K24H4(1-23-32)216E20(1-)4.(2)中关铁矿主要采用阶段空场嗣后充填采矿法,根据矿体赋存条件及室内岩石力学试验可知,其弹性模量E0=9.26 GPa,泊松比 =0.28,容重 =38.45 kN/m3,K=1。将上述参数代入式(2),则计算得到一步采充填体的合理强度 12.50 MPa;二步骤胶结充填体的合理强度 21.0 MPa。分别将合理强度值代入表 2 拟合关系式,判断该配比是否满足强度要93 杨志强