1、粉煤灰-尾砂胶结充填料配比优化及特性研究第 l2 卷第 4 期2003 年 l2 月矿冶MININGMETALLURGYVo1.12.No4December2003文章编号:10057854(2003)04 000704水泥一粉煤灰一尾砂胶结充填料配比优化及特性研究胡家国,古德生,王新民(中南大学,长沙 410083)摘要:某矿山要求水泥一粉煤灰一尾砂胶结充填体的抗压强度在 20MPa 以上,并降低充填料成本.据此,通过大量试验,得出了充填料的最优配比;应用线性回归求 ttl 最优配比的线性回归方程;并对最优配比充填体特性进行了分析研究.结果表明,最优配 tL 的充填料不但能满足充填体的强度要
2、求,而且具有泌水率低,密度小,料浆不易离析的优点.关键词:粉煤灰;胶结充填料;最优配比;回归分析中图分类号:TD853.343 文献标识码:ASTUDYONPROPORTIONINGOPTIMIZATIONANDPROPERTIESOFCEMENTFLYASHTAILINGFILLINGMATERIALHUJiaguo,GUDesheng,WANGXinmin(CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)ABSTRACT:Acertainminecallsforacementflyashtailingfillingmaterialwithacompr
3、eionstrengthof2MPaandforalowerfillingcost.Accordingforthiscall,thecementedfillingwiththeoptimalproportionofrawmateria1sisfoundedthroughalotoftests.Atthesametime,thelinearregressionequationforthebackfillingwithoprimalproportionisgotwiththemethodoflinearregression.Also,thecharacteristicsofthebackfilli
4、ngwiththeoptima1proportionarestudied.TheresultsshowthatthecementedfillingwiththeoptimaIproportionofrawmaterialsnotonlymeetstherequirementofcompressionstrengthbutalsohastheadvantagesoflowwaterdecantationratio,1OWdensityandnonseparatedfillingslurry.KEYWORDS:Flyash;Cementedfilling;Optimalproportion;Reg
5、ressionanalysis如何降低充填成本,是使用胶结充填采矿法的矿山亟待解决的问题之一.据统计,我国目前采用胶结充填法开采的地下矿山,其充填成本占采矿总成本的 50%左右,其中水泥几乎占充填成本的一半.因此,寻求价格低,来源广泛的水泥代用品,以减少水泥用量是充填采矿法矿山降低成本的重要途径.收稿日期:20030613作者简介:胡家国.高级工程师,中南大学资源与安全工程学院博士生.粉煤灰是一种人工火山灰质材料,弃之为害,用之为宝.在胶结充填料中以粉煤灰替代部分水泥,不但能降低矿山充填成本,也为粉煤灰的利用开辟了新的途径.本文就水泥一粉煤灰一尾砂胶结充填料的配比优化及特性作了较详细的研究.1
6、 充填料最优配比试验所试验的胶结充填料其主要成分的配比有三种:水泥:粉煤灰:尾砂为 1:2:6,1:2:8 和 1:2:10,添加剂掺量为石灰 3%,石膏 2%,CaC120.5%.在此基础上,进行了配比优化试验,以确定达到期望的?8?矿冶表 1 不同配比充填料力学性质测定结果Table1Determinedmechanicalpropertiesoffillingmaterialswithdifferentproportionsofrawmaterials序号配比浓度/%抗压强度 O“c/MPa28d 抗拉强黏聚力7d0.740.830.960.620.640.700.360.500.592
7、8d90d 度/MPaC/MPa1.853.470.110.232.204.420.130.272.744.690.200.371.412.240.090.181.792.970.100.212.013.150.120.250.901.300.060.121.211.820.080.191.301.960.080.16内摩擦角/(.)弹模 EX10/MPa1:2:61:2:61:2:61:2:81:2:81:2:81:2:101:2:101:2:102.OMPa 以上抗压强度,又经济合理的最佳配比充填料.三种充填料力学性质测定结果列于表 1.由表 1 可以看出,1:2:6 和 1:2:8 配比
8、的两种充填料它们的抗压强度基本上能满足期望的2.OMPa 以上的要求,但从经济角度来看,前者的成本要比后者高.根据配比试验结果,1:2:6 配比的充填料其单位体积所消耗的材料为:水泥 162.2kg,粉煤灰 324.4kg,尾砂 973.3kg;而 1:2:8 配比的充填料其单位体积所消耗的材料为:水泥 138.2kg,粉煤灰 276.4kg,尾砂 1105.6kg.以铜陵市新桥硫铁矿的材料价格为例;425 水泥的到矿价为 420 元/t,粉煤灰的到矿价为 30 元/t.经计算,1:2:8 配比的充填料其单位体积的材料费用要比 1:2:6 配比的充填料节省 7.32 元/m,若以年充填量 10
9、 万 m 计,每年仅充填材料费就可节约 7O 多万元.根据上述试验结果和分析,从满足充填体强度要求和经济合理性综合考虑,我们认为,最优配比的充填料应为水泥:粉煤灰:尾砂:1:2:8 的充填料,石灰,石膏,GaG12 掺量分别占粉煤灰质量的 3%,2%和 0.5%苫,系J浆体质量浓度/%2 最优配比充填体强度的回归方程最优配比充填体强度与浆体浓度,养护龄期之间的关系如图 l(a),(b)所示,其规律为 :c 与浆体浓度呈近似线性关系,而与养护时间则呈非线性关系.令 c=bo+b1z+b2lnD(1)式中:d 为最优配比充填体抗压强度,MPa;b0 为常数项;z 为浆体浓度,%;D 为养护时间,d
10、;61,6,分别为 z,lnD 的偏回归系数 .令 z=lnD,将(1)式化为线性方程:aC=bo+612+b2x(2)根据线性回归计算公式:99b1=(m 一面? 丽)+b2(m 一面?)9=(?)i=Ibo=一 b1 厉一 62一32I养护时 J/d图 l 最优配比充填体抗压强度与浆体浓度(a), 养护时间 (b)的关系Fig.1CompressionstrengthVSslurrydensity(a)andcuringage(b)forcementfillingwithoptimalproportionofrawmateria1鲫卯222;加鸽加加3一ZZZ6+,.I,一 丽一 mz一%
11、,llll塑窒旦笠:堡二堡二星堕壅堕墼些丛壁丝壅:表 2 回归分析用的原始数据Table2Basicdataforregressionanalysis因素 il序号234567_一-._.一656568686870289O7289073.33224.49981.94593.33224.49981.94591.4l2.240.641.792.970.70870283.33222.O1平均m/%D/dC6571.9459O.62将表 1 中有关数据整理成如表 2 所示的形式.将表 2 中有关数据代人式(3),得:b1=0.1068,b2=0.8323,bn=一 8.2128.将各系数回代式(2),
12、 得:c=一 8.2128+0.1068.+0.8323x即 c=一 8.2128+0.1068,+0.83231nD(4)标准回归系数:b1=b1?(%一)/(一)=0.2706b2=b2?(%一)/(一)=1.0713因为 b2b】,所以 D 因素,即养护时间对充填体强度影响较大;而.因素,即浆体浓度的影响幅度要小得多.回归方程式(4)还说明,最优配比的充填体其强度随浆体浓度,养护时间的增加而增大.3 最优配比充填体特性由优化配比试验得出的最优配比的充填料具有以下特性:(1)添加剂可使充填体强度大大提高.掺加了早强剂 CaC12 的充填料试块,其早期强度大大提高 ,与不掺添加剂的同类试块相
13、比,其 7d,28d 抗压强度分别提高了 45%和 40%45%,如图 2 所示;而碱性活化剂 CaO 和酸性活化剂 CaS04 则有助于充填料浆中水泥和粉煤灰的水化反应更完全,因此,不仅使充填体早期强度大为提高,后期强度也提高了17% 32%2囊薹 t(6f养护时HJ/d图 2 有无添加剂的最优配比充填体强度比较Fig.2Comparisonbetweencompressionstrengthsofoptimalfillingwithorwithoutadditives(2)粉煤灰的加入,使充填体体重明显降低,有利于进一步降低充填成本.表 3 中列出了 3 个月龄期的充填体体重.从表中可以看
14、出,与不加粉煤灰的胶结充填体相比,掺有粉煤灰的胶结充填体,其体重降低了 16%21%, 而 1:2:8 最优配比的充填体,其体重仅为 1.48t/m,体重大大减轻,有利于降低水泥单耗和充填成本.(3)粉煤灰在水化反应过程中会吸附大量的水,使充填体泌水量大为减少.这样,一方面可减少采场充填时脱水困难的问题,另一方面可减少井下排水费用,减轻充填时对井下环境的污染.这一优点对嗣后充填较为突出,因为嗣后充填的一个重大技术难题就是充填泄水困难,大量水分聚集在空区内,不能及时排出,既降低了充填体强度,又使充填难以接顶.泌水试验测试结果列于表 4.表 3 胶结充填体的体重Table3Thespecificg
15、ravityofcementfilling为 9O 天龄期测定的结果1:0:41:0:61:0:81:2:61:2:8(最优配比)686868686812.57,67.23.43.4泌水试验结果表明:含有粉煤灰的胶结充填料,其泌水率仅为 3.4%左右,约为不含粉煤灰的胶结充填料的 1/21/4.(4)最优配比的胶结充填体为典型的弹塑体,其全应力一应变曲线如图 3 所示.朋一 59加如一 3 翼?10?矿冶图 3 最优配比充填体全应力一应变曲线Fig.3Thestressstraincurveofoptimalfilling图 4 充填体劈裂面Fig.4Thecleavageplaneoffillingblock图 5 充填体剪切破坏Fig.5Theshearfailureoffillingblockp(上接第 26 页)参考文献:1KynchGJ.AtheoryofsedimentationJ.Trans.FaradaySoc.,1952.48:166176.2BryantFitch.KynchtheoryandcompressionzonesJ.AIChEJ.,1983,29(6):940947.
