CN110781587B - 利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，属于资源综合利用技术领域。该方法首先针对废石及低品质固废进行物化分析与粒径测试；然后开展废石胶结充填体强度、充填料浆的流动性和稳定性试验；根据试验结果建立废石资源利用率与胶凝材料添加量、料浆浓度、充填体强度、充填料浆的流动性和稳定性参数之间关系的数学模型；并建立废石充填料浆多目标优化模型；最后求解废石充填料浆多目标优化模型，获得废石资源利用率最高和充填胶凝材料利用成本最低的废石充填料浆最优配比。该方法具有显著的经济效益和环保效益。

Description

利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法

技术领域

本发明涉及资源综合利用技术领域，特别是指一种利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法。

背景技术

随着我国国民经济高速发展以及对矿产资源持续开发，高品位和技术条件好的资源日趋枯竭，而面临更多的矿体埋藏深、矿区地应力高、地下水大等不良地层条件的资源开采。为安全与环保开采，充填采矿法为优先选择。与其他采矿方法相比，充填采矿法回采工艺复杂，充填采矿成本高，采矿经济效益差，是充填法采矿应用面临的最大困难和问题。降低充填采矿成本、提高采矿经济效益是充填采矿法推广应用的关键。目前低成本充填采矿技术向两个方向发展：其一、利用冶金工业废弃物，开发低成本和高强度充填胶凝材料；其二、发展废石粗骨料和全尾砂细骨料的低成本骨料充填采矿技术。

废石在充填采矿中应用目前有两种方式：其一、采用非管道输送废石进入充填采场进行堆放充填。通常采用尾砂浆(中国发明专利CN110005465A)或水泥料浆浇筑废石堆提高废石堆强度(中国发明专利CN102155261A)。其二、将废石破碎成粗骨料与胶凝材料混合搅拌，制备废石充填料浆，利用管道采用自流或泵压输送到充填采场(中国发明专利CN102434204A、CN101172818)。废石充填料浆管道输送存在料浆分层离析，导致堵管爆管，并且在充填采场形成层状充填体，降低充填体强度和稳定性，使得充填采场潜在灾变失稳风险。中国发明专利CN103130475A公开了棒磨砂:绿豆石混合废石充填料浆配比，采用部分绿豆石替代棒磨砂，降低棒磨砂充填成本。中国发明专利CN108661703A发明了粗粒级尾砂膏体充填方法和充填系统，解决了粗颗粒全尾砂的充填料浆制备与管道输送问题。这两个发明均未涉及废石充填料浆离析以及充填料浆配比优化问题。

研究表明，废石粗骨料含有一定比例的细颗粒，是抗充填料浆离析的必要条件，而提高料浆浓度和胶凝材料掺量仅是充分条件。废石粗骨料中细颗粒含量、料浆浓度以及胶凝材料添加量，不仅影响充填体强度、料浆的流动性与稳定性，而且还决定充填成本以及固废源利用率。显然，增大废石资源利用率，降低胶凝材料添加量，是提高充填采矿经济效益与环保效益的关键，也是将低品质固废在采矿中实现规模化和高附加值利用的主要途径。中国发明专利CN107117888A公开了一种采矿用混合骨料充填料浆配比决策方法，发明了以充填材料成本作为目标的混合骨料优化决策方法。其配比设计采用以充填材料成本为优化目标的单目标优化方法。中国发明专利CN110143787A公开了一种低成本废石充填材料组分与配比设计方法，在保持料浆塌落度相同，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，由此确定废石充填材料的配比；该发明的废石充填料浆配比优化方法，以塌落度为约束条件，以充填体强度作为目标值，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。显然，该发明以充填体强度作为约束条件进行单目标优化，没有考虑充填料浆的离析问题。中国发明专利CN110096727A公开了一种高浓度充填料浆自流输送最优料浆的确定方法及应用。以废石-尾砂为原料配置高浓度充填料浆，研究浆体在管道中输送特性，分析输送过程中压力损失随浓度和流速的变化情况，确定适合管路输送的料浆流量与速度，为高浓度自流充填技术的应用提供理论参考。本发明所公开的技术，是以料浆浓度和管道输送阻力为控制条件，制备满足管道自流输送的高浓度料浆，未考虑充填料成本以及充填体强度的约束条件，采用试错法进行充填料浆配比优化设计。中国发明专利CN106746946B公开了一种优化充填料配比的方法，通过建立胶结充填体强度模型，基于NSGA-II算法思想，对充填料配比进行优选，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。该发明没有考虑细骨料含量进行充填料浆浓度及胶结剂的单目标配比优化，可能存在细骨料含量不足难以形成高浓度料浆的必要条件。当废石中细颗粒含量少，其优化模型存在无解的问题。针对混凝土的离析问题，中国发明专利CN106746888B公开了一种混凝土用抗离析剂及其制备方法，发明一种抗离析外加剂。离析剂可以解决料浆离析问题，但增大材料成本，必然降低大规模充填采矿的经济效益。

本发明公开了一种利用粉煤灰、铜选尾渣、石灰石粉等低品质固废作为细骨料，以废石资源利用率和充填胶凝材料利用成本两个优化目标，通过建立废石充填料浆的多目标优化模型，进行废石充填料浆配比优化决策。不仅可以解决废石料浆的离析问题，而且还可以降低充填采矿成本，提高废石与低品质固废资源利用率，可以获得显著的经济效益、社会效益与环保效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，该方法利用粉煤灰、铜选尾渣、石灰石粉等低品质固废作细骨料，以废石资源利用率和充填胶凝材料利用成本为优化目标，以胶结充填体强度、充填料浆的流动性和稳定性为约束条件，进行废石充填料浆多目标优化设计，获得废石资源利用率最高和充填胶凝材料利用成本最低的废石充填料浆的优化配比，由此解决了废石充填料浆的离析的技术难题。

该方法具体包括步骤如下：

(1)对废石及低品质固废进行破碎、筛分，然后进行粒径分析和特征值计算；

(2)根据低品质固体物的矿物成分以及粒径分析结果，确定废石和低品质固废利用范围，进行充填体强度、料浆流动性和稳定性试验设计；

(3)根据试验方案进行试验物料配比计量以及料浆制备，按照水泥胶砂强度检验方法(ISO法)B/T17671-1999，开展胶结充填体强度以及充填料浆的流动性与稳定性试验，由此得到充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性参数试验结果；

(4)根据充填采矿方法、充填系统和充填倍线，确定胶结充填体在3d、7d或28d的设计强度、充填料浆的流动性和稳定性参数的设计值；

(5)针对废石充填料浆试验结果，采用二次多项式进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与充填胶凝材料添加量x₁、充填料浆浓度x₂、胶结充填体3d、7d、28d强度x₃、x₄、x₅、充填料浆流动性参数x₆、x₇、x₈以及稳定性参数x₉、x₁₀之间的关系模型：

其中，

代表废石资源利用率，即占充填骨料的百分比；f代表废石资源利用率的数学模型，x₁，x₂,···，x₁₀代表废石资源利用率模型变量；

(6)根据废石充填料浆的胶凝材料添加量，建立充填胶凝材料利用成本模型；C＝c₁x₁；其中，C代表充填胶凝材料利用成本；c₁代表充填胶凝材料单价、x₁代表充填胶凝材料的添加量；

(7)以废石资源利用率

和充填胶凝材料利用成本C作为优化目标，以胶结充填体3d、7d、28d的设计强度、充填料浆的流动性参数设计值以及稳定性参数设计值作为约束条件，根据步骤(5)和步骤(6)，建立废石充填料浆多目标优化目标函数如下：

其中，Max[f(x₁,x₂,··，x₁₀)]代表废石资源利用率优化目标；Min(c₁x₁)代表胶凝材料利用成本优化目标；

(8)根据步骤(5)、步骤(6)和步骤(7)，建立废石充填料浆多目标优化模型：

优化目标函数：

目标约束条件：x₃≥[R_3d]、x₄≥[R_7d]、x₅≥[R_28d]；

x₆≥[T_L]、x₇≥[K_z]、x₈≥[C_d]；

x₉≤[F_c]、x₁₀≤[B_s]；

其中，[R_3d]、[R_7d]、[R_28d]代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[T_L]、[K_z]、[C_d]代表充填料浆塌落度、扩展度和稠度的设计值；[F_c]、[B_s]代表充填料浆分层度和泌水率的设计值；

(9)求解步骤(8)建立的废石充填料浆多目标优化模型，得到废石利用率最高

和充填胶凝材料成本最低C_min的废石充填料浆最优配比。

其中，步骤(1)中废石是矿山掘进废石经过颚式破碎机破碎的-12mm粗骨料；低品质固废为细骨料，包括粉煤灰、铜选尾渣、石灰石粉，低品质固废中-74μm细颗粒含量大于70％，低品质固废潜在低活性与水化反应，具有胶结性能。

步骤(2)中废石掺量65％-85％，低品质固废掺量15％-35％。

步骤(4)中充填采矿方法包括上向分层、下向分层、阶段嗣后充填法；充填系统包括自流和泵送；充填倍线N＝L/H，L为管道长度、H为垂高；充填料浆的流动性参数包括塌落度、扩展度、稠度；充填料浆的稳定性参数包括分层度、泌水率。

步骤(5)中充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥、胶固粉或固结粉充填胶凝材料；废石充填料浆质量浓度为76％-81％。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，可解决废石充填料浆分层离析难题，避免堵管爆管以及降低充填体强度潜在的采场灾变失稳风险，同时还能够提高废石资源利用率和降低充填采矿成本，将废石和低品质固废在充填采矿中实现规模化和高附加值资源化利用，由此获得显著的经济效益和环保效益。

附图说明

图1为本发明实施例中粉煤灰细骨料的粒径分布曲线；

图2为本发明实施例中不同粒径废石粗骨料原状图；

图3为本发明实施例中-12mm废石粒径分布曲线；

图4为本发明实施例中铜选尾渣细骨料粒径分布曲线；

图5为本发明实施例中石灰石粉细骨料粒径分布曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法。

该方法针对废石粗骨料，利用低品质固废作细骨料，开展废石充填体强度以及充填料浆的流动性与稳定性试验，由此建立废石充填料浆多目标优化模型进行配比优化设计，具体包括步骤如下：

(1)对废石及低品质固废进行破碎、筛分，然后进行粒径分析和特征值计算；

(2)根据低品质固体物的矿物成分以及粒径分析结果，确定废石和低品质固废利用范围，进行充填体强度、料浆流动性和稳定性试验设计；

(3)根据试验方案进行试验物料配比计量以及料浆制备，按照水泥胶砂强度检验方法，开展胶结充填体强度以及充填料浆的流动性与稳定性试验，由此得到充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性参数试验结果；

(4)根据充填采矿方法、充填系统和充填倍线，确定胶结充填体在3d、7d或28d的设计强度、充填料浆的流动性和稳定性参数的设计值；

(5)针对废石充填料浆试验结果，采用二次多项式进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与充填胶凝材料添加量x₁、充填料浆浓度x₂、胶结充填体3d、7d、28d强度x₃、x₄、x₅、充填料浆流动性参数x₆、x₇、x₈以及稳定性参数x₉、x₁₀之间的关系模型：

其中，

代表废石资源利用率，即占充填骨料的百分比；f代表废石资源利用率的数学模型，x₁，x₂,···，x₁₀代表废石资源利用率模型变量；

(6)根据废石充填料浆的胶凝材料添加量，建立充填胶凝材料利用成本模型；C＝c₁x₁；其中，C代表充填胶凝材料利用成本；c₁代表充填胶凝材料单价、x₁代表充填胶凝材料的添加量；

(7)以废石资源利用率

和充填胶凝材料利用成本C作为优化目标，以胶结充填体3d、7d、28d的设计强度、充填料浆的流动性参数设计值以及稳定性参数设计值作为约束条件，根据步骤(5)和步骤(6)，建立废石充填料浆多目标优化目标函数如下：

其中，Max[f(x₁,x₂,··，x₁₀)]代表废石资源利用率优化目标；Min(c₁x₁)代表胶凝材料利用成本优化目标；

(8)根据步骤(5)、步骤(6)和步骤(7)，建立废石充填料浆多目标优化模型：

优化目标函数：

目标约束条件：x₃≥[R_3d]、x₄≥[R_7d]、x₅≥[R_28d]；

x₆≥[T_L]、x₇≥[K_z]、x₈≥[C_d]；

x₉≤[F_c]、x₁₀≤[B_s]；

其中，[R_3d]、[R_7d]、[R_28d]代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[T_L]、[K_z]、[C_d]代表充填料浆塌落度、扩展度和稠度的设计值；[F_c]、[B_s]代表充填料浆分层度和泌水率的设计值；

(9)求解步骤(8)建立的废石充填料浆多目标优化模型，得到废石利用率最高

和充填胶凝材料成本最低C_min的废石充填料浆最优配比。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

利用粉煤灰作为细骨料抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，包括以下步骤：

1、充填物料的物化特性分析

对废石和粉煤灰进行干燥处理以及矿物成分分析与粒径测试。粉煤灰矿物成分分析结果见表1，粒径分布曲线见图1，粒径分布特征值见表2。由此可见，粉煤灰细骨料的平均粒径为46.2μm。

表1：粉煤灰化学成份分析结果

表2：粉煤灰细骨料的粒径分布特征值

矿山掘进废石化学成分结果见表3。不同粒径的废石骨料见图2。-12mm废石骨料的粒径分布曲线见图3。-12mm废石粗骨料的粒径分布特征值见表4。由此可见，-12mm废石粗骨料的平均粒径为2.711mm。

表3：矿井掘进废石化学成分分析结果

表4：-12mm废石粗骨料粒径分布特征值

2、确定废石充填料浆中充填物料掺量范围

根据-12mm废石和粉煤灰粒径分析结果，确定粉煤灰掺量为15％～35％，废石粗骨料掺量为65％～85％。充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥。胶凝材料掺加量为270～310kg/m³。充填料浆质量浓度为79％～81％。

3、开展胶结充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性试验

根据废石和粉煤灰以及胶凝材料与料浆浓度的范围，开展利用粉煤灰细骨料抗离析的废石充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性试验，由此获得的试验结果见表5。

表5：粉煤灰抗离析的废石充填体强度和料浆流动性与稳定性试验结果

4、建立废石资源利用率的数学模型

采用二次多项式对表5中的试验数据进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与胶凝材料掺量、料浆质量浓度、充填体3d、7d、28d强度以及充填料浆的流动性和稳定性参数之间关系的数学模型如下：

5、建立充填胶凝材料的利用成本模型

根据利用粉煤灰抗废石充填料浆离析的充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥，根据水泥胶凝材料成本建立充填胶凝材料利用成本模型如下：

C＝320x₁ (2)

6、确定充填体强度和充填料浆设计参数

根据某矿山采用下向分层进路充填采矿方法、自流输送系统以及充填倍线N≤3，确定充填体3d、7d、28d设计强度为：R_3d≥1.0MPa、R_2d≥2.0MPa、R_28d≥5.0MPa；充填料浆流动性参数设计值为：塌落度[T_L]＝24cm、扩展度[K_z]＝55cm、稠度[C_d]＝10cm；充填料浆稳定性参数设计值为：分层度[F_c]＝4.0cm、泌水率[B_s]＝3％。

7、建立废石充填料浆多目标优化模型

根据步骤(4)、(5)和(6)，建立利用粉煤灰作为细骨料抗离析的废石充填料浆多目标优化模型如下。

(1)多目标优化函数。根据废石资源利用率最高和胶凝材料利用成本最低的优化目标，由此建立废石充填料浆多目标优化函数如下：

(2)多目标优化模型约束条件。根据某矿山采用充填采矿方法、充填系统和充填倍线所确定的充填体设计强度、充填料浆的流动性和稳定性设计值，由此给出废石充填料浆多目标优化模型约束条件如下：

290<x₁≤310、79<x₂≤81、x₃≥1.0、x₄≥2.0、x₅≥5.0

x₆≥24.0、x₇≥55.0、x₈≥10.0、x₉≤4.0、x₁₀≤3.0。 (4)

式中：x₁——胶凝材料的添加量，kg/m³；x₂——料浆质量浓度，％；

x₃、x₄、x₅——胶结充填体3d、7d、28d强度，MPa；

x₆、x₇、x₈——料浆塌落度、扩展度、稠度，cm；

x₉——料浆分层度，cm；x₁₀——泌水率，％。

8、求解粉煤灰抗离析的废石充填料浆多目标优化模型

求解由式(3)和(4)所建立的粉煤灰抗离析的废石充填料浆多目标优化模型，由此获得废石充填料浆优化配比如下：

(1)废石资源利用率77.0％、粉煤灰利用率23.0％；

(2)充填胶凝材料添加量290kg/m³、料浆质量浓度79％；

(3)胶结充填体3d、7d和28d强度为1.14MPa、2.13MPa和5.18MPa；

(4)充填料浆塌落度27.5cm、扩展度69cm、稠度11.8cm；

(5)充填料浆分层度2.8cm、泌水率2.3％。

实施例2

利用铜选尾渣作为细骨料抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，包括以下步骤：

1、充填物料的物化特性分析

对废石及铜选尾渣进行干燥处理以及矿物成分分析与粒径测试。铜选尾渣是铜镍渣二次选铜排放的固废。铜选尾渣矿物成分分析结果见表6，粒径分布曲线见图4，粒径分布特征值见表7。可见铜选尾渣的平均粒径57.01μm。

表6：铜选尾渣化学成份分析结果

表7：铜选尾渣细骨料粒径分布特征值

矿山掘进废石化学成分结果见表8。不同粒径的废石粗骨料见图2。-12mm废石粗骨料粒径分布曲线见图3。-12mm废石粗骨料粒径分布特征值见表9。由此可见，-12mm废石粗骨料的平均粒径为2.711mm。

表8：矿山掘进废石化学成分分析结果

表9：-12mm废石粗骨料粒径分布特征值

2、确定废石充填料浆的充填物料掺量

根据-12mm废石粗骨料和铜选尾渣细骨料的矿物成本与粒径分析结果，确定铜选尾渣作为细骨料的掺量范围为15％-35％，废石粗骨料掺量范围为65％-85％。胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥。胶凝材料掺加量为270-310kg/m³。充填料浆质量浓度为76％～80％。

3、开展胶结充填体强度和充填料浆流动性与稳定性试验

根据-12mm废石粗骨料和铜选尾渣细骨料以及充填胶凝材料和充填料浆浓度范围，开展铜选尾渣细骨料抗离析的废石充填料浆胶结充填体强度试验以及充填料浆的流动性与稳定性参数测试，由此获得利用铜选尾渣抗离析的废石充填体强度和充填料浆的流动性和稳定性试验结果见表10。

表10：用铜选渣抗离析的废石充填体强度和料浆流动性与稳定性试验结

果

4、建立废石资源利用率数学模型

采用二次多项式对表10中的试验数据进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与充填胶凝材料掺量、料浆浓度、充填体3d、7d、28d强度以及料浆的流动性和稳定性参数之间关系的数学模型如下：

5、建立充填胶凝材料利用成本模型

根据利用铜选尾渣抗废石充填料浆离析的胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥，根据水泥胶凝材料成本建立充填胶凝材料利用成本模型如下：

C＝320x₁ (6)

6、确定充填体强度和充填料浆设计参数

根据某矿山采用下向分层进路充填采矿方法、自流输送系统以及充填倍线N≤3，确定充填体3d、7d、28d设计强度为：R_3d≥1.0MPa、R_2d≥2.0MPa、R_28d≥5.0MPa；充填料浆的流动性参数设计值为：塌落度[T_L]＝24cm、扩展度[K_z]＝55cm、稠度[C_d]＝10cm；充填料浆的稳定性参数设计值为：分层度[F_c]＝4.0cm、泌水率[B_s]＝3％。

7、建立废石充填料浆多目标优化模型

根据步骤(4)、(5)和(6)，建立利用铜选尾渣抗离析的废石充填料浆多目标优化模型。

(1)多目标优化函数。根据废石资源利用率最高和充填胶凝材料利用成本最低的优化目标，建立废石充填料浆多目标优化函数如下：

(2)多目标优化模型约束条件。根据某矿山充填采矿方法、充填系统和充填倍线，确定性充填体设计强度、料浆流动性和稳定性设计值，给出废石充填料浆多目标优化模型约束条件如下：

290<x₁≤310、76<x₂≤80、x₃≥1.0、x₄≥2.0、x₅≥5.0

x₆≥24.0、x₇≥55.0、x₈≥10.0、x₉≤4.0、x₁₀≤3.0。 (8)

式中：x₁——胶凝材料添加量，kg/m³；x₂——料浆质量浓度，％；

x₃、x₄、x₅——胶结充填体3d、7d、28d强度，MPa；

x₆、x₇、x₈——料浆塌落度、扩展度、稠度，cm；

x₉——分层度，cm；x₁₀——泌水率，％。

8、求解铜选尾渣抗离析的废石充填料浆多目标优化模型

求解由式(7)和(8)所确定的废石充填料浆多目标优化模型，获得铜选尾渣抗离析的废石充填料浆优化配比如下：

(1)废石资源利用率80.0％、铜选尾渣利用率20.0％；

(2)充填胶凝材料添加量310kg/m³、料浆质量浓度76％；

(3)胶结充填体3d、7d和28d强度为1.30MPa、2.90MPa和6.80MPa；

(4)充填料浆塌落度28.2cm、扩展度84cm、稠度12.8cm；

(5)充填料浆分层度2.75cm、泌水率1.8％。

实施例3

利用石灰石粉固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，包括以下步骤：

1、充填物料的物化特性分析

对废石及石灰石粉进行处理以及粒径测试。石灰石粉的粒径分布曲线见图5，粒径分布特征值见表11。可见石灰石粉的平均粒径36.037μm。

表11：石灰石粉细骨料粒径分布特征值

矿山掘进废石化学成分见表12。不同粒径废石粗骨料原状见图2。-12mm废石粗骨料的粒径分布曲线见图3。-12mm废石粗骨料粒径分布特征值见表13，可见，-12mm废石粗骨料的平均粒径为2.711mm。

表12：矿山掘进废石化学成分分析结果

表13：-12mm废石粗骨料的粒径分布特征值

2、确定废石充填料浆充填物料掺量范围

根据-12mm废石和石灰石粉粒径分析，确定石灰石粉掺量范围15％-35％，废石粗骨料掺量65％-85％，充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥。胶凝材料掺加量为270-310kg/m³。料浆质量浓度为76％～80％。

3、开展胶结体强度和充填料浆流动性与稳定性试验

根据-12mm废石粗骨料和石灰石粉细骨料以及充填胶凝材料和充填料浆浓度的范围，进行石灰石粉抗离析的废石充填体强度以及料浆流动性与稳定性试验，由此获得试验结果见表14。

表14：石灰石粉抗离析的废石充填体强度和料浆流动性与稳定性试验结

果

4、建立废石资源利用率数学模型

采用二次多项式对表14中的试验数据进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与充填胶凝材料掺量、料浆浓度、充填体3d、7d、28d强度以及料浆流动性和稳定性参数之间关系的数学模型如下：

5、建立充填胶凝材料利用成本模型

根据利用石灰石粉抗废石充填料浆离析的充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥，根据水泥胶凝材料成本建立充填胶凝材料利用成本模型如下：

C＝320x₁ (10)

6、确定充填体强度和充填料浆设计参数

根据某矿山采用下向分层进路充填采矿方法、自流输送系统以及充填倍线N≤3，确定胶结充填体3d、7d、28d设计强度为：R_3d≥1.0MPa、R_2d≥2.0MPa、R_28d≥5.0MPa；充填料浆的流动性参数设计值为：塌落度[T_L]＝24cm、扩展度[K_z]＝55cm、稠度[C_d]＝10cm；充填料浆的稳定性参数设计值为：料浆分层度[F_c]＝4.0cm、泌水率[B_s]＝3％。

7、建立废石充填料浆多目标优化模型

根据步骤(4)、(5)和(6)，建立的利用石灰石粉抗离析的废石充填料浆多目标优化模型。

(1)多目标优化函数。根据废石资源利用率最高和充填胶凝材料利用成本最低的优化目标，由此建立废石充填料浆多目标优化函数如下：

(2)多目标优化模型约束条件。根据某矿山充填采矿方法、充填系统和充填倍线所确定的充填体设计强度、充填料浆的流动性和稳定性设计值，由此获得废石充填料浆多目标优化模型约束条件如下：

290<x₁≤310、76<x₂≤80、x₃≥1.0、x₄≥2.0、x₅≥5.0

x₆≥24.0、x₇≥55.0、x₈≥10.0、x₉≤4.0、x₁₀≤3.0。 (12)

式中：x₁——胶凝材料添加量，kg/m³；x₂——料浆质量浓度，％；

x₃、x₄、x₅——胶结充填体3d、7d、28d强度，MPa；

x₆、x₇、x₈——料浆塌落度、扩展度、稠度，cm；

x₉——料浆分层度，cm；x₁₀——料浆泌水率，％。

8、求解废石充填料浆多目标优化模型

求解由式(11)和(12)所确定的废石充填料浆多目标优化模型，由此获得石灰石粉抗离析的废石充填料浆优化配比如下：

(1)废石资源利用率90.0％、石灰石粉利用率10.0％；

(2)充填胶凝材料添加量290kg/m³、料浆质量浓度79％；

(3)胶结充填体3d、7d和28d强度为1.06MPa、2.03MPa和5.80MPa；

(4)充填料浆塌落度24.5cm、扩展度75cm、稠度10.8cm；

(5)充填料浆分层度3.8cm、泌水率2.95％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，其特征在于：针对废石粗骨料，利用低品质固废作细骨料，开展废石充填体强度以及充填料浆的流动性与稳定性试验，由此建立废石充填料浆多目标优化模型进行配比优化设计，具体包括步骤如下：

(1)对废石及低品质固废进行破碎、筛分，然后进行粒径分析和特征值计算；

(2)根据低品质固体物的矿物成分以及粒径分析结果，确定废石和低品质固废利用范围，进行充填体强度、料浆流动性和稳定性试验设计；

(3)根据试验方案进行试验物料配比计量以及料浆制备，按照水泥胶砂强度检验方法，开展胶结充填体强度以及充填料浆的流动性与稳定性试验，由此得到充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性参数试验结果；

(4)根据充填采矿方法、充填系统和充填倍线，确定胶结充填体在3d、7d或28d的设计强度、充填料浆的流动性和稳定性参数的设计值；

(5)针对废石充填料浆试验结果，采用二次多项式进行逐步回归分析，建立废石资源利用率

与充填胶凝材料添加量x₁、充填料浆浓度x₂、胶结充填体3d、7d、28d强度x₃、x₄、x₅、充填料浆流动性参数x₆、x₇、x₈以及稳定性参数x₉、x₁₀之间的关系模型：

其中，

代表废石资源利用率，即占充填骨料的百分比；f代表废石资源利用率的数学模型，x₁，x₂,···，x₁₀代表变量；

(6)根据废石充填料浆的胶凝材料添加量，建立充填胶凝材料利用成本模型；C＝c₁x₁；其中，C代表充填胶凝材料利用成本；c₁代表充填胶凝材料单价、x₁代表充填胶凝材料的添加量；

(7)以废石资源利用率

和充填胶凝材料利用成本C作为优化目标，以胶结充填体3d、7d、28d的设计强度、充填料浆的流动性参数设计值以及稳定性参数设计值作为约束条件，根据步骤(5)和步骤(6)，建立废石充填料浆多目标优化目标函数如下：

Max[f(x₁,x₂,··，x₁₀)-c₁x₁]；

(8)根据步骤(5)、步骤(6)和步骤(7)，建立废石充填料浆多目标优化模型：

优化目标函数：Max[f(x₁,x₂,··，x₁₀)-c₁x₁]

目标约束条件：x₃≥[R_3d]、x₄≥[R_7d]、x₅≥[R_28d]；

x₆≥[T_L]、x₇≥[K_z]、x₈≥[C_d]；

x₉≤[F_c]、x₁₀≤[B_s]；

其中，[R_3d]、[R_7d]、[R_28d]代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[T_L]、[K_z]、[C_d]代表充填料浆塌落度、扩展度和稠度的设计值；[F_c]、[B_s]代表充填料浆分层度和泌水率的设计值；

(9)求解步骤(8)建立的废石充填料浆多目标优化模型，得到废石利用率最高

和充填胶凝材料成本最低C_min的废石充填料浆最优配比。

2.根据权利要求1所述的利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中废石是矿山掘进废石经过颚式破碎机破碎的-12mm粗骨料；低品质固废为细骨料，包括粉煤灰、铜选尾渣、石灰石粉，低品质固废中-74μm细颗粒含量大于70％，低品质固废潜在低活性与水化反应，具有胶结性能。

3.根据权利要求1所述的利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中废石掺量65％-85％，低品质固废掺量15％-35％。

4.根据权利要求1所述的利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(4)中充填采矿方法包括上向分层、下向分层、阶段嗣后充填法；充填系统包括自流和泵送；充填倍线N＝L/H，L为管道长度、H为垂高；充填料浆的流动性参数包括塌落度、扩展度、稠度；充填料浆的稳定性参数包括分层度、泌水率。

5.根据权利要求1所述的利用低品质固废抗离析的废石充填料浆多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(5)中充填胶凝材料为42.5普通硅酸盐水泥、胶固粉或固结粉充填胶凝材料；废石充填料浆质量浓度为76％-81％。

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