CN106746946A - 一种优化充填料配比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化充填料配比的方法，属于充填采矿技术领域。本发明基于NSGA‑Ⅱ算法思想，对充填料配比进行优选搜索，限定好充填料配比各参数的取值范围。设置群体规模、计算代数、交叉概率、变异概率等遗传参数。设定预配置的充填体强度值，可优选搜索得到一个含有若干组解的非支配解集。最后，结合矿山输送条件，选出满足采矿方法对充填体强度要求，同时满足矿山输送条件，且成本最低的一组解作为充填料配比参数。该方法可以减少实验次数，迅速推荐出满足不同充填体性能要求的配比参数，同时能降低充填成本，易于推广应用。

Description

一种优化充填料配比的方法

技术领域

本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种优化充填料配比的方法。

背景技术

对于充填采矿法来说，矿产资源能否在确保安全的前提下实现最大限度地回收，关键在于充填料浆的质量，而充填料浆质量取决于充填材料和充填技术参数。充填料浆的质量包括料浆的流动性和固结后的强度，即料浆的管道输送性能和充填体的强度。充填成本是矿山才出矿石成本中暂用较高的一项，在控制充填总成本的前提下，选择合理的料浆配比，可以有效地保证充填体强度，满足回采工艺要求。因此，确定合理的充填料浆配比是保证安全、高效经济回采的重要前提。选择合理的料浆配比，一般通过实验室全面配比实验，测得不同配比参数下充填体的性能，进而推荐满足采矿方法强度要求的配比参数，但全面实验工作量大且容易受人为操作等因素干扰，在实际生产应用中具有一定的局限性。为减少实验次数，推荐满足不同充填体性能要求配比参数，近年来，业内学者对于充填体性能预测进行了多方面研究，提出了多元非线性回归分析、神经网络预测等充填料性能预测方法，取的了一定成果。但预测误差还是偏大，特别是多元非线性回归，无法对充填料配比设计起到有效的指导作用。因此如何克服现有技术的不足是目前充填料配比优化设计技术领域亟需解决的问题。

现有的胶结充填体强度模型：

Mitchell&Wong强度模型：

式(Ⅰ)中：

σ_x——非侧限抗压强度(KPa)；

n——孔隙率；

——水灰比；

C——胶结剂含量

a——经验常数(1.1～1.7)；

b——回归系数

K₁、K₂——经验常数

模型中尚未考虑灰沙比、浓度等因素对强度的影响，且公式右边存在不可去量纲kg，回归拟合结果kg的实数次方也无法赋予实际的物理意义。这些不足极大地制约了该模型的适用范围，故仍需进一步改进。

Swan强度模型

式(Ⅱ)中：

——胶结剂的体积含量；

d_avg——充填料中骨料颗粒间的自由距离；

a_p——在一定的水灰比时，骨料的表面积。

在已知充填料的粒径级配、孔隙率和胶结剂体积含量的情况下，通过计算a_p和d_avg来预测胶结体单轴抗压强度。查阅相关文献可知，该模型对分级尾砂膏体的强度计算是比较可靠的，但是这两个参数在实际中的计算是比较困难的，并且模型中考虑因素有限，不能全面反映各因素对强度的影响。因此，该模型对充填体强度的预测计算并不实用。

Arioglu强度模型：

σ_c＝Aa^-n，E＝Bσ_c+D， 式(Ⅲ)；

式(Ⅲ)中：

σ_c——单轴抗压强度，kg/cm²；

a——水灰比；

E——粘聚力，kg/cm²；

A,B,D,n——经验常数

该模型中尚未考虑骨料特性、浓度以及灰沙比等因素对充填体强度的影响，由于考虑因素单一，直接影响了该模型在实际中的推广实用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种优化充填料配比的方法，该方法可以减少实验次数，迅速推荐出满足不同充填体性能要求的配比参数，同时能降低充填成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种优化充填料配比的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，胶结充填体强度模型包括式(Ⅳ)和式(Ⅴ)，具体如下：

同时满足浆体饱和条件：

C/ρ_水泥+M_骨/ρ_骨+W/1000＝1，式(Ⅵ)；

式(Ⅳ)、式(Ⅴ)和式(Ⅵ)中，

R_ucs——胶结充填体单轴抗压强度，MPa；

φ——骨料堆集密实度；

φ′——固体物料堆集密实度；

C_V——单位体积浆体中骨料体积浓度；

W/C——料浆水灰质量比；

W为水量，单位kg/m³；

C为水泥添加量，单位kg/m³；

M_骨为骨料添加量，单位kg/m³；

ρ_骨为骨料密度，单位kg/m³；

ρ_水泥为水泥密度，单位kg/m³；

R_c——水泥标号，MPa；

V_W——单位体积浆体中水的体积，m³；

a、k——试验常数；

步骤(2)，所需充填采矿的矿山进行胶结充填前，首先确定如下参数值：骨料堆集密实度φ、水泥标号R_c的值，以及胶结充填体强度测试的时间t和该时间t对应的满足设计的胶结充填体单轴抗压强度最小值R；

步骤(3)，根据步骤(2)确定的参数值，对所需充填采矿的矿山进行胶结充填常规的基础试验：先设定固体物料的质量浓度的变化范围和水泥添加量的变化范围，然后通过改变骨料的添加量、水泥的添加量和水量，测得各条件下时间t时的胶结充填体单轴抗压强度；所测得的数据不得少于20个；

步骤(4)，将步骤(3)测得的所有胶结充填体单轴抗压强度值及其相应的条件代入到式(Ⅳ)中进行回归拟合，求得a和k的值；

步骤(5)，按照遗传算法设定遗传参数；

步骤(6)，将C_V＝M_骨/ρ_骨代入式(Ⅳ)中，并设定水泥添加量C范围、骨料添加量M_骨范围、水量W范围和固体物料的质量浓度(C+M_骨)/(C+M_骨+W)范围，并根据步骤(2)设定的参数值、步骤(4)求得的a和k的值以及步骤(5)设定的遗传参数对式(Ⅳ)、式(Ⅴ)、式(Ⅵ)形成的方程组进行求解，求得满足胶结充填体单轴抗压强度设计要求的N组解(满足胶结充填体单轴抗压强度设计要求，即求得的R_ucs不小于步骤(2)设定的最小值R，R_ucs≥R)；

步骤(7)，根据实际应用中的抗离析性、料浆流动性及成本要求，对步骤(6)所求得的N组解进行筛选，得到最优解，该最优解即为充填料配比最优条件。通常最优解不但满足强度要求和矿山输送条件，而且成本还最低。在成本相同时，通常选择强度较高的一组解作为最优解。

优选的是，所述的遗传参数包括群体规模、计算代数、交叉概率和变异概率。

本发明基于NSGA-Ⅱ算法基本思想，以胶结体强度模型为强度公式，对满足强度条件的充填料浆配比进行优选搜索，得出一个含有若干组解的非支配解集。

本发明申请人通过对胶结充填体影响因素分析可知：胶结充填体强度与料浆水灰比成幂指数关系；随骨料堆集密实度增大试块强度显著增大；随料浆体积浓度的增大，充填体强度显著增大；随水泥添加量的增大充填体强度显著增大，并结合前人研究成果，提出新的胶结充填体强度模型。

通过对大红山铁矿废石+尾砂胶结充填体强度以及金川二矿废石+尾砂胶结充填强度数据进行回归分析，拟合的复相关系数近似于1。可以得出提出新的胶结充填体强度模型考虑因素较为全面，回归拟合结果精确度较高，对胶结充填体强度预测具有较高的可信度与精确度，较前人的模型具有更好的适用性。

本发明基于NSGA-Ⅱ算法思想，对充填料配比进行优选搜索，限定好充填料配比各参数的取值范围。设置群体规模、计算代数、交叉概率、变异概率等遗传参数。设定预配置的充填体强度值，可优选搜索得到一个含有若干组解的非支配解集。最后，结合矿山输送条件，选出满足采矿方法对充填体强度要求，同时满足矿山输送条件，且成本最低的一组解作为充填料配比条件。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

(1)减少了所需的实验次数，同时具有精度较高的充填体性能预测效果；

(2)在选择充填材料相同的情况下，无需进行多次实验，即可推荐出满足不同充填体性能要求的配比参数，即节约了一个实验周期的时间，实验时间减少50％，因此，实验成本也随之降低50％，大大提高了充填料配比优化设计的工作效率；

(3)比起通过分析大量实验数据，结合实践经验而推荐出充填料配比的方法，此模型能更为精确的推荐出满足条件的最优配比参数，从而大大降低充填成本(约可节约充填总成本5％～10％)。

(4)本发明方法可以计算任意时间的最佳配比，如3d、7d、28d等，冲破了现有方法的局限性，易于推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器、设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

固体物料包括骨料和水泥。

实施例1

一种优化充填料配比的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，胶结充填体强度模型包括式(Ⅳ)和式(Ⅴ)，具体如下：

同时满足浆体饱和条件：

C/ρ_水泥+M_骨/ρ_骨+W/1000＝1，式(Ⅵ)；

式(Ⅳ)、式(Ⅴ)和式(Ⅵ)中，

R_ucs——胶结充填体单轴抗压强度，MPa；

φ——骨料堆集密实度；

φ′——固体物料堆集密实度；

C_V——单位体积浆体中骨料体积浓度；

W/C——料浆水灰质量比；

W为水量，单位kg/m³；

C为水泥添加量，单位kg/m³；

M_骨为骨料添加量，单位kg/m³；

ρ_骨为骨料密度，单位kg/m³；

ρ_水泥为水泥密度，单位kg/m³；

R_c——水泥标号，MPa；

V_W——单位体积浆体中水的体积，m³；

a、k——试验常数

步骤(2)，所需充填采矿的矿山进行胶结充填前，首先确定如下参数值：骨料堆集密实度φ、水泥标号R_c的值，以及胶结充填体强度测试的时间t和该时间t对应的满足胶结充填体设计的最小强度值R；

步骤(3)，根据步骤(2)确定的参数值，对所需充填采矿的矿山进行胶结充填常规的基础试验：先设定固体物料的质量浓度的变化范围和水泥添加量的变化范围，然后通过改变骨料的添加量、水泥的添加量和水量，测得各条件下时间t时的胶结充填体单轴抗压强度；所测得的数据不得少于20个；

步骤(4)，将步骤(3)测得的所有胶结充填体单轴抗压强度值及其相应的条件代入到式(Ⅳ)中进行回归拟合，直至结果收敛，求得a和k的值；

步骤(5)，按照遗传算法设定遗传参数；

步骤(6)，将C_V＝M_骨/ρ_骨代入式(Ⅳ)中，并设定水泥添加量C范围、骨料添加量M_骨范围、水量W范围和固体物料的质量浓度(C+M_骨)/(C+M_骨+W)范围，并根据步骤(2)设定的参数值φ、R_c和R、步骤(4)求得的a和k的值以及步骤(5)设定的遗传参数对式(Ⅳ)、式(Ⅴ)、式(Ⅵ)形成的方程组进行求解，求得满足胶结充填体单轴抗压强度设计要求的N组解；

步骤(7)，根据实际应用中的抗离析性、料浆流动性及成本要求，对步骤(6)所求得的N组解进行筛选，得到最优解，该最优解即为充填料配比最优条件。

所述的遗传参数包括群体规模、计算代数、交叉概率和变异概率。

应用实例

某矿山欲对一胶结矿柱进行充填设计，矿柱高度为95m，分成高度为5米，根据采矿方法工艺要求，90-95m分层(0m为顶板)需达到28d强度为3.26MPa。采用废石：尾砂＝6:4作为充填骨料(φ＝0.721)，42.5MPa水泥为胶结剂，设计出满足条件的充填料配比方案。

表1充填料浆强度试验方案

R₃、R₇、R₂₈分别表示3d、7d、28d的强度。

根据表1的试验方案进行胶结充填常规的基础试验，结果如表2所示。

表2胶结充填基础试验强度结果

根据试验结果，推荐出满足条件的充填料配比设计为：

水泥添加量180kg/m³；

废石添加量859.2kg/m³；

尾砂添加量572.8kg/m³；

水量429kg/m³。

将表2中的数据及相应的已确定的条件(如φ、R_c)代入到式(Ⅳ)中进行回归拟合，直至结果收敛。得到a＝-1.9382；k＝0.3362，则式(Ⅳ)此时可表示为：

Adj.R-Square＝0.9482

表3，拟合结果方程分析

回归方程的显著性：F＝3486.31>F_0.995(2,26)＝6.54>F_0.99(2,26)＝5.53，属高度显著。

将将C_V＝M_骨/ρ_骨代入到回归拟合得到的强度模型，则：

将上式作为优选搜索时的充填体强度公式

将欲搜索范围做如下限定：

(1)水泥添加量C：120～240kg/cm³；

(2)骨料添加量M_骨：1200～1600kg/m³；

(3)水量W：350～500kg/m³；

(4)固体物料的质量浓度0.76＜(C+M_骨)/(C+M_骨+W)＜0.82；

(5)满足浆体饱和条件

(6)满足C/ρ_水泥+M_骨/ρ_骨+W/1000＝1，其中ρ_水泥＝3100kg/m³；ρ_骨＝2790kg/m³；

参数设置为：群体规模为50；计算代数为50，交叉概率为0.85，变异概率为0.1。设定预配置强度为3.3MPa。

可得到如表4的非支配解集，即有7组解。

表4非支配解集结果

废石：尾砂＝6:4情况下，当水泥量小于200kg/cm³时，浓度达到78％时才有较好的抗离析性，故将1、2号方案排除。由于该矿山采用自流方式对充填料进行管道输送，浓度大于81％时，料浆流动性较差，不利于自流输送，容易造成堵管，故将6、7号方案排除。3、4、5号方案技能满足采矿工艺对充填体强度的要求，又能满足矿山输送条件，故选择成本最低的5号方案为最终充填料浆配比设计方案，即：

水泥添加量167kg/m³；

废石添加量891.6kg/m³；

尾砂添加量594.4kg/m³；

水量413kg/m³。

按水泥价格350元/吨。该方法在技能达到采矿工艺所要求的强度，又能满足矿山对充填料浆输送条件的前提下，比起直接通过实验和经验推荐出充填料配比设计方案的方法可直接节约充填成本约4.55元/m³。且，在选择充填材料相同的情况下，只需改变NSGA-Ⅱ中的胶结充填体设计的最小强度值R，即可对不同强度要求下的充填料配比进行快速的设计。无需重复试验，大大提高了设计效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种优化充填料配比的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，胶结充填体强度模型包括式(Ⅳ)和式(Ⅴ)，具体如下：

同时满足浆体饱和条件：

C/ρ_水泥+M_骨/ρ_骨+W/1000＝1，式(Ⅵ)；

式(Ⅳ)、式(Ⅴ)和式(Ⅵ)中，

R_ucs——胶结充填体单轴抗压强度，MPa；

φ——骨料堆集密实度；

φ′——固体物料堆集密实度；

C_V——单位体积浆体中骨料体积浓度；

W/C——料浆水灰质量比；

W为水量，单位kg/m³；

C为水泥添加量，单位kg/m³；

M_骨为骨料添加量，单位kg/m³；

ρ_骨为骨料密度，单位kg/m³；

ρ_水泥为水泥密度，单位kg/m³；

R_C——水泥标号，MPa；

V_W——单位体积浆体中水的体积，m³；

a、k——试验常数；

步骤(2)，所需充填采矿的矿山进行胶结充填前，首先确定如下参数值：骨料堆集密实度φ、水泥标号R_c的值，以及胶结充填体强度测试的时间t和该时间t对应的满足设计的胶结充填体单轴抗压强度最小值R；

步骤(3)，根据步骤(2)确定的参数值，对所需充填采矿的矿山进行胶结充填常规的基础试验：先设定固体物料的质量浓度的变化范围和水泥添加量的变化范围，然后通过改变骨料的添加量、水泥的添加量和水量，测得各条件下时间t时的胶结充填体单轴抗压强度；所测得的数据不得少于20个；

步骤(4)，将步骤(3)测得的所有胶结充填体单轴抗压强度值及其相应的条件代入到式(Ⅳ)中进行回归拟合，求得a和k的值；

步骤(5)，按照遗传算法设定遗传参数；

步骤(6)，将C_V＝M_骨/ρ_骨代入式(Ⅳ)中，并设定水泥添加量C范围、骨料添加量M_骨范围、水量W范围和固体物料的质量浓度(C+M_骨)/(C+M_骨+W)范围，并根据步骤(2)设定的参数值、步骤(4)求得的a和k的值以及步骤(5)设定的遗传参数对式(Ⅳ)、式(Ⅴ)、式(Ⅵ)形成的方程组进行求解，求得满足胶结充填体单轴抗压强度设计要求的N组解；

步骤(7)，根据实际应用中的抗离析性、料浆流动性及成本要求，对步骤(6)所求得的N组解进行筛选，得到最优解，该最优解即为充填料配比最优条件。

2.根据权利要求1所述的优化充填料配比的方法，其特征在于，所述的遗传参数包括群体规模、计算代数、交叉概率和变异概率。