基于正交试验的全尾砂胶结充填配比方案优化

孙光华 魏莎莎 苏东良

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

基于正交试验的全尾砂胶结充填配比方案优化

孙光华1,2魏莎莎1,2苏东良1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

为获得全尾砂胶结充填最优配比，降低矿山充填成本，保证空区稳定，以全尾砂胶结充填体试块为研究对象，试块的单轴抗压强度为指标，综合考虑充填体强度的影响因素，采用正交试验开展研究，并运用极差和方差分析法对充填体强度影响因素的敏感性和显著性进行分析。研究表明：试验最优配比方案为浓度75%，灰砂比1∶6，养护龄期28 d；影响试块的敏感性顺序是养护龄期>灰砂比>浓度；养护龄期对充填体强度的影响最显著。因此，矿山在生产实际中要保证充填体的养护时间。

全尾砂胶结充填体 抗压强度 正交试验 方案优化

充填采矿法具有充填治理井下空区、减少地表大宗尾废堆、减少矿区环境污染、降低矿石贫化损失指标等优点，越来越受到人们重视，已成为地下采矿技术发展的主要趋势[1]。

随着胶结充填技术的发展，优化充填胶结料浆配比，降低充填成本，提高充填效能，使充填体的抗压强度满足工程需要[2-4]成为国内外充填领域研究的重点。其中全尾砂胶结充填体在工程中有尾砂来源广、成本低廉等优势，且作为一种新型充填材料可以满足充填工艺的强度要求，因此研究全尾砂胶结充填体抗压强度对充填采矿具有重要意义[5]。

本研究以全尾砂胶结充填体为研究对象，通过正交试验法，针对不同的浓度、灰砂比和养护龄期3种因素进行充填体配比方案优化研究，通过对充填体试块进行单轴抗压试验，将试验数据进行分析得出最优配比方案,各因素对充填体试块强度的敏感性顺序以及各因素变化对试块抗压强度的影响趋势。

1 正交试验

1.1 试验材料及方法

铁矿全尾砂和普通325硅酸盐水泥为该试验研究选用的材料。尾砂物理力学性能的测试是充填体力学试验的基础[6]。本试验的全尾砂物理力学参数见表1。

表1 全尾砂物理力学参数

1.2 试验指标、因素及取值

在参考国内外相关研究基础上，综合分析胶结充填体强度影响因素，本试验将充填体试件的单轴抗压强度作为指标，充填料浆的灰砂比、浓度和养护龄期作为影响全尾砂胶结充填体强度的主要因素。

为了科学合理地安排多因素试验，使每个试验或数据含有最大的信息量，故采用正交试验法[7]。各因素与相对应的水平取值见表2。

表2 正交试验因素水平

1.3 正交试验设计

试验采用3因素3水平的正交试验，用L9(34)正交表(因素：A灰砂比、B养护龄期、C浓度，水平：1、2、3)，列出每组试验的具体条件，将具体方案填入正交表中。全尾砂胶结充填体抗压强度正交试验设计见表3。

表3 全尾砂胶结充填体抗压强度正交试验设计

1.4 试件制备及单轴抗压试验结果

本次试验按照表3中的试验方案配置一系列全尾砂胶结充填试块，每组试验制作出3个相同的试块，每种浓度的试块按灰砂比1∶6、1∶12、1∶20进行制作，不同浓度、不同灰砂比试块根据相关规定养护，分别进行3、7、28 d龄期的养护。

试验之前将试件上下2个端面磨平，以符合试验规范要求。为使试验数据精确可靠，对每组3个相同条件的试块分别进行单轴抗压试验，结果取3次试验结果的平均值。试验结果如表4所示。

表4 正交试验结果

对于矿山充填及开采要求而言，充填体强度达到2.0～3.0 MPa即能满足常规要求[8]。由表4分析结果可知灰砂比为1∶6、浓度为75%、养护龄期28 d试件与灰砂比为1∶12，浓度为70%、养护龄期7 d试块结果均满足强度要求。

2 试验结果数据分析

2.1 极差分析

结合正交试验数据，通过极差分析可以分析出各因素对抗压强度影响的敏感性。对表4试验结果进行极差分析，结果见表5。

表5 极差分析

由表5可以得出，各因素的极差从大到小依次是养护龄期、灰砂比和浓度。

从表5还可以分析出试件强度随各因素变化的大体趋势，即灰砂比减小时，抗压强度相应降低；随着养护龄期的增加，早期抗压强度提高不明显，后期抗压强度大幅度增加；抗压强度随浓度的增加也平稳增加。

2.2 方差分析

方差分析可以判断出各因素对抗压强度影响的显著性[9]，方差分析表如表6。在方差分析中，显著性水平取α=0.10，从F分布表中查出F0.10(2.2)=9.00。

经方差分析表得出养护龄期对试块的抗压强度具有最显著影响，灰砂比影响次之，相比较而言，浓度对抗压强度影响最不明显。

表6 方差分析

3 结 论

(1)此次试验的最优试验配比方案为A1B3C3，即灰砂比为1∶6，养护龄期为28 d，浓度为75%，充填体试件的抗压强度为3.613 MPa。

(2)影响因素对全尾砂胶结充填体的敏感性由强到弱的顺序为养护龄期>灰砂比>浓度。根据敏感度因子排序，当充填体浓度一定时，增加充填料浆的灰砂比，延长养护龄期，充填体的强度也逐渐增长。

(3)养护龄期对充填体强度影响显著，因此，矿山在生产实际中要充分保证充填体的养护时间，以确保采矿过程中对充填体的强度要求。

[1] 夏长念,孙学森.充填采矿法及充填技术的应用现状及发展趋势[J].中国矿山工程,2014(1):61-64. Xia Changnian,Sun Xuesen.Application and developing trend of filled stopes method and filling technology[J].China Mine Engineering,2014(1):61-64.

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[4] 崔学伟,严荣富,那米日.尾砂胶结充填配比优化研究[J].现代矿业,2014(3):73-75. Cui Xuewei,Yan Rongfu,Na Miri.Optimization research on tailings backfill ratio[J].Modern Mining,2014(3):73-75.

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[9] 黄 震,朱术云,姜振泉，等.基于正交设计的覆岩移动影响因素敏感性分析[J].地下空间与工程学报,2013(1):106-112. Huang Zhen,Zhu Shuyun,Jiang Zhenquan,et al.Numerical simulation analysis of overlying rock movement factors based on orthogonal experiment design[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2013(1):106-112.

(责任编辑 徐志宏)

Optimal Matching Scheme for the Full Tailings-Cemented Filling Based on the Orthogonal Experiment

Sun Guanghua1,2Wei Shaha1,2Su Dongliang1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China;2.HeBeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009,China)

In order to acquire the optimal matching scheme of the full tailings-cemented filling body,decrease the filling cost and guarantee the gap stability,and taking the full tailings-cemented filling body as the research object and the uniaxial compressive strength as the research index,the influencing factors for the strengthening of the filling body are comprehensively analyzed.The sensitivity and the significance of filling body′s influencing factors were analyzed by the range analysis and variance analysis through applying orthogonal experiment.Researches showed that the optimal matching scheme of this experiment was the concentration of 75%,cement-sand ratio of 1∶6 and curing period for 28 days.The intensity sequence of the sensitivity affecting the samples from highest to lowest was the curing age,cement-sand ratio and concentration.The curing age has the most significance on the filling bodies′ compressive strength.Therefore,the mine needs to guarantee the curing age about the filling body in the practical production.

Full tailings-cemented filling body，Compressive strength，Orthogonal experiment，Scheme optimization

2015-02-01

河北省自然科学基金项目(编号:E2014209093),唐山市科技局项目(编号:12140208A-11,12140208A-12)。

孙光华(1977-)，男，副教授，博士，硕士研究生导师。

TD853

A

1001-1250(2015)-04-111-03