CN110143787A - 一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，保持所有试样塌落度相同，逐步对废石级配、掺砂量、胶结料组分与配比、胶结料含量进行优化，确定废石胶结充填材料的组分和配比，并根据矿山对废石胶结充填体强度的目标值，利用胶结料含量与强度关系拟合公式，计算得到最低胶结料含量值。本发明方法便于操作和掌握，试验效果与实际相符性好，能够方便快捷地确定废石胶结充填材料的组分和配比。
Description
技术领域
本发明涉及物料组分和比例的优化方法，具体为一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法。
背景技术
矿产资源的开发和利用是我国国民经济发展的基础工业，然而采矿工业在获取有益矿产资源的同时，也不可避免地产生了大量的废石废弃物和地下采空区。废石地表堆存占用大量土地、污染环境，还容易发生滑坡垮塌事故；同时采空区容易诱发地表塌陷、井下岩石冒落等一系列问题，严重威胁着矿井安全生产和生态环境。不断提高的环保要求和公众环保意识迫使矿山企业寻求更具高效和竞争力的废石和采空区治理方法。
废石胶结充填材料主要包括破碎的废石、胶结料(通常为水泥及活性火山灰材料)，以及拌合水。每种组分的性质及各组分比例大小，都对充填材料的流动性、强度以及成本产生很大的影响。废石胶结充填技术不仅能够处理大量的废石固体废弃物、降低地表环境污染，还能够改善井下采场围岩稳定性、提高资源回收率。该技术已成为突破现有资源、能源、环境的制约瓶颈，实现金属矿山安全清洁高效开采的重要技术途径之一。与尾砂胶结充填材料相比，废石胶结充填体拥有更加优异的力学性能(例如，抗压强度、刚度、内聚力以及内摩擦角)。大量研究表明，相同的胶结料掺量下，废石胶结充填体的单轴抗压强度可达尾砂胶结充填体强度的3倍，因此其允许的揭露面积更大。
目前，混凝土领域已拥有一套较为成熟的配比设计方法和规范，而针对废石胶结充填材料组分配比优化的研究和专利较少。如：一种采矿用混合骨料充填料浆配比决策方法(CN107117888 A)，该专利基于最大堆积密实度确定骨料级配，然后通过正交试验获得胶凝材料用量和质量浓度。然而，该技术存在以下不足：1.骨料的堆积密度与充填材料的流动性、强度等性能参数无直接正相关关系，且矿山充填规模较大，采用该方法进行骨料优化配比工艺复杂、劳动量大；2.没有考虑利用添加适当细颗粒来提高充填材料的强度(研究表明掺入适量细颗粒可优化骨料级配，显著提高材料强度)；3.目前最为常用的胶结料为水泥，但其成本较高，单独使用水泥作为胶结料时其成本可高达充填总成本的75％，降低水泥使用量可为企业带来显著的经济效益，而上述专利未能考虑利用廉价胶结料部分替代水泥来降低成本；4.该专利采用正交试验来进行目标参数的选取存在较大的不确定性，即不同目标参数不容易统一甚至相冲突。因此，现有技术存在工艺复杂、劳动量大、成本高、结果不确定性高的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其便于操作和掌握，而且试验效果与实际相符性好，能够方便快捷地确定废石胶结充填材料的组分和配比。
本发明的技术方案如下：
一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：保持所有试样塌落度相同，逐步对废石级配、掺砂量、胶结料组分与配比、胶结料含量进行优化，确定废石胶结充填材料的组分和配比；并根据矿山对废石胶结充填体强度的目标值，利用胶结料含量与强度关系拟合公式，计算得到最低胶结料含量值。
它包括依次进行的如下步骤：
(1)、碎石级配的确定：
a、将破碎后的废石进行筛分，得到若干组不同级配的碎石试样；
b、从各组取相同质量的碎石，加入同等质量的水泥，然后加水搅拌均匀，并使所有试样的塌落度相同；
c、将所得各组试样浇筑到养护模具中，密封恒温恒湿养护，然后检测各组试样在特定龄期(该特定龄期由矿山实际充填体揭露时间决定)的强度，选取强度最高试样的一组废的石级配作为最佳碎石级配；
(2)、掺砂量的确定：
a、基于得到的最佳碎石级配，保持水泥含量不变，加入不同掺量比例的砂，然后加入适量的水搅拌均匀，使得不同砂掺量的试样的塌落度相同；
b、将所得试样浇筑到模具中，密封恒温恒湿养护，测试特定龄期试样的强度，选取强度最高试样的掺砂量作为最佳掺砂量；
(3)、胶结料组分和配比确定：
a、基于得到的最佳碎石级配和最佳掺砂量，保持胶结料，加入不同掺量比例的不同种火山灰材料，然后加入适量的水搅拌均匀，保证不同火山灰掺量的试样的塌落度相同；
b、将搅拌好的试样浇筑到模具中，密封恒温恒湿养护，测试试样在特定龄期的强度，并结合每种试样的成本，优选最优的火山灰种类和掺量，进而确定胶结料的组分和配比；
(4)胶结料含量确定：
a、基于得到的最佳碎石级配、掺砂量以及胶结料组分与配比，加入不同含量的胶结料，然后加入适当的水，并控制所有试样的塌落度一样，测试得到不同胶结料含量的试样在特定龄期的强度；
b、对胶结料含量与强度数据进行拟合，得到最优的胶结料含量与强度关系拟合公式；
c、根据矿山对废石胶结充填体强度的目标值，利用胶结料含量与强度关系拟合公式，计算得到最低胶结料含量值。
优选地，步骤(1)之b的水泥用量为碎石与水泥总质量的3％～20％。
优选地，所述的特定龄期由矿山实际充填体揭露时间决定。
进一步优选地，所述的特定龄期为28天。
所述的火山灰包括粉煤灰和钢渣。
有益效果：本发明采用废石级配、掺砂量、胶结料组分和配比、胶结料含量的逐步优化设计流程，最终确定废石胶结充填材料的组分和配比，克服了现有的废石胶结充填材料设计存在的掺配不合理、不经济、配比设计时间长、劳动量大的问题。本发明工艺步骤简单，便于操作和掌握，而且试验效果与实际相符性好，能够方便快捷地确定废石胶结充填材料的组分和配比。
附图说明
图1是本发明实施例不同胶结料含量的试样在28天龄期的强度示意图。图中R2是拟合度。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例具体步骤如下：
(1)、废石级配
a、由于充填材料采用管路输送方法，因此将废石破碎至10mm以下；然后将破碎好的废石进行筛分，得到0～10mm、0～5mm、0～2.5mm、2.5～5mm、2.5～10mm、5～10mm六组不同最大粒径的碎石试样；
b、从0～10mm、0～5mm、0～2.5mm、2.5～5mm、2.5～10mm、5～10mm六组废石试样中各取5000g碎石，分别加入558g水泥(所有试样的水泥含量均为10％，水泥含量＝水泥质量/(水泥+废石质量)×100％)，然后分别加入670g、848g、1205g、535g、498g和465g水搅拌均匀，并控制所有试样的塌落度均为230mm。
c、将六种试样分别浇筑到圆柱形塑料养护模具(高150mm，直径75mm)中，密封养护在20℃、90％相对湿度环境中，测得28天龄期时0～10mm、0～5mm、0～2.5mm、2.5～5mm、2.5～10mm、5～10mm试样的强度分别为5.28MPa、3.95MPa、2.04MPa、3.02MPa、4.12MPa、2.59MPa。对比可知，0～10mm废石试样的强度最高，因此确定废石的级配为0～10mm。
(2)、掺砂量
a、选取0～10mm碎石作为骨料，保持水泥含量10％不变，分别掺入0％、5％、10％、20％和40％的河砂(直径0.8～1.2mm)，然后加入适量的水进行混合，并控制所有试样的塌落度均为230mm，具体组分和配比参数见表1。
表1
其中，砂掺量＝砂质量/(砂质量+碎石质量)×100％。
b、将不同掺砂量试样分别浇筑到圆柱形塑料养护模具(高150mm，直径75mm)中，密封养护在20℃、90％相对湿度环境中，测得0％、5％、10％、20％和40％砂掺量试样的28天强度分别为5.28MPa、8.12MPa、7.93MPa、5.44MPa、5.71MPa，选定5％为最佳掺砂量。
(3)、胶结料组分和配比
a、选取0～10mm碎石作为骨料，掺砂量和胶结料含量分别保持5％和10％不变，分别使用粉煤灰和钢渣(粉煤灰和钢渣都属于火山灰材料，前者来自冶炼厂，后者来自电厂)部分替代水泥，掺量分别为0％、10％、20％、50％和80％，然后加入适量的水进行混合，并控制所有试样的塌落度均为230mm，具体组分和配比参数见表2。
表2
其中，火山灰材料掺量(％)＝火山灰材料质量/(火山灰材料质量+水泥质量)×100％。
b、将上述不同粉煤灰和钢渣掺量试样浇筑到圆柱形塑料养护模具(高150mm，直径75mm)中，密封养护在20℃、90％相对湿度环境中，测得28天时0％、10％、20％、50％和80％粉煤灰参量试样的强度分别为5.25MPa、6.81MPa、6.02MPa、0.34MPa，而0％、10％、20％、50％和80％钢渣参量试样的强度分别为5.25MPa、3.13MPa、1.15MPa、0.56MPa。易知，20％和50％粉煤灰掺量试样的强度为最高和第二高，且超过了不掺粉煤灰试样强度，考虑到粉煤灰价格仅为水泥的1/3左右，选取50％粉煤灰+50％水泥作为最优胶结料。
(4)、胶结料含量
a、采用0～10mm废石、5％掺砂量、50％粉煤灰+50％水泥胶结料，测试了胶结料含量分别为7％、8.5％、10％、11.5％和13％时，28天试样的强度，结果如图1所示。
b、采用不同的拟合关系对胶结料含量-强度数据进行拟合，得到最优的胶结料含量-强度拟合关系为：UCS＝0.9342×ρ-3.74，其中UCS为28天强度，ρ为胶结料含量的100倍。
c、该矿山要求废石胶结充填体28天强度需达到3MPa，利用UCS＝0.9342×ρ-3.74，计算得到满足强度要求所需要的最低胶结料含量为7.3％。
Claims (6)
1.一种低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：保持所有试样塌落度相同，逐步对废石级配、掺砂量、胶结料组分与配比、胶结料含量进行优化，确定废石胶结充填材料的组分和配比；并根据矿山对废石胶结充填体强度的目标值，利用胶结料含量与强度关系拟合公式，计算得到最低胶结料含量值。
2.如权利要求1所述的低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于它包括依次进行的如下步骤：
（1）、碎石级配的确定：
a、将破碎后的废石进行筛分，得到若干组不同级配的碎石试样；
b、从各组取相同质量的碎石，加入同等质量的水泥，然后加水搅拌均匀，并使所有试样的塌落度相同；
c、将所得各组试样浇筑到养护模具中，密封恒温恒湿养护，然后检测各组试样在特定龄期（该特定龄期由矿山实际充填体揭露时间决定）的强度，选取强度最高试样的一组废的石级配作为最佳碎石级配；
（2）、掺砂量的确定：
a、基于得到的最佳碎石级配，保持水泥含量不变，加入不同掺量比例的砂，然后加入适量的水搅拌均匀，使得不同砂掺量的试样的塌落度相同；
b、将所得试样浇筑到模具中，密封恒温恒湿养护，测试特定龄期试样的强度，选取强度最高试样的掺砂量作为最佳掺砂量；
（3）、胶结料组分和配比确定：
a、基于得到的最佳碎石级配和最佳掺砂量，保持胶结料，加入不同掺量比例的不同种火山灰材料，然后加入适量的水搅拌均匀，保证不同火山灰掺量的试样的塌落度相同；
b、将搅拌好的试样浇筑到模具中，密封恒温恒湿养护，测试试样在特定龄期的强度，并结合每种试样的成本，优选最优的火山灰种类和掺量，进而确定胶结料的组分和配比；
（4）胶结料含量确定：
a、基于得到的最佳碎石级配、掺砂量以及胶结料组分与配比，加入不同含量的胶结料，然后加入适当的水，并控制所有试样的塌落度一样，测试得到不同胶结料含量的试样在特定龄期的强度；
b、对胶结料含量与强度数据进行拟合，得到最优的胶结料含量与强度关系拟合公式；
c、根据矿山对废石胶结充填体强度的目标值，利用胶结料含量与强度关系拟合公式，计算得到最低胶结料含量值。
3.如权利要求2所述的低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：步骤（1）之b的水泥用量为碎石与水泥总质量的3%～20%。
4.如权利要求2所述的低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：所述的特定龄期由矿山实际充填体揭露时间决定。
5.如权利要求4所述的低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：所述的特定龄期为28天。
6.如权利要求2所述的低成本废石胶结充填材料组分与配比设计方法，其特征在于：所述的火山灰包括粉煤灰和钢渣。
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