CN111312344B - 全固废胶凝材料与混合骨料充填料浆的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种全固废胶凝材料与混合骨料充填料浆的优化方法，属于充填采矿技术领域。该方法利用碱性转炉钢渣和工业副产石膏协同激发制备全固废充填胶凝材料，以胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立全固废胶凝材料优化模型进行配比优化。利用全固废胶凝材料，进一步公开了粗细尾砂混合骨料充填料浆的优化方法。以单位体积混合充填料浆的成本为优化目标，以胶结充填体强度和体积膨胀率为约束条件，通过求解混合充填料浆优化设计模型，获得充填成本最低的混合骨料充填料浆的优化设计。本发明将钢渣、工业副产石膏以及选矿尾砂等固体废弃物应用于充填法采矿，显著降低充填采矿成本，提高充填采矿的经济效益和环保效益。
Description
技术领域
本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种全固废胶凝材料与混合骨料充填料浆的优化方法。
背景技术
随着我国经济高速发展以及对资源持续开发，高品位和条件好的资源日趋枯竭，面临埋藏深、地压大以及富水等难采矿体开采。充填采矿法是实现安全、环保和绿色开采的首要选择。目前不仅有色黄金等贵金属矿山充填法采矿开采比例逐年提高，而且逐渐推广应用于铁矿和煤炭开采。充填采矿成本高、经济效益低，在贱金属和煤矿中应用，面临经济效益问题。因此，通过降低充填采矿成本来提高充填采矿的经济效益，是充填采矿推广应用的关键所在。尤其近年来，为了提高选矿回收率以及粉磨技术的进步，尾矿粉磨越来越细，200目以上细颗粒含量达到80％以上，导致胶结充填体强度更低、料浆流动性更差，不仅增大充填技术难度，而且还进一步提高充填成本，致使铁矿充填法采矿面临更大难题。为此，人们在一直探索低成本胶凝材料和高效充填采矿技术。
中国发明专利CN1291631A、CN1273222A、CN102887693A公开了矿用充填胶结材料和全砂土固结充填材料、生产及使用方法。CN106565187B公开了用于特细全尾砂的一种低成本充填胶凝材料、制作工艺及使用方法。上述胶凝材料以矿渣为主，利用石灰、石膏和外加剂作为复合激发剂制备而成。CN103145354A公开一种无熟料复合型尾砂固结剂及其制备方法，该胶凝材料也以矿渣为主，以及采用熟料、石灰和外加剂制备的激发剂混合制备。CN201910188593公开了一种用于超细铁尾矿砂低收缩早强型矿山充填胶凝材料，以矿渣粉、水泥熟料和钢渣粉与石膏混合，采用碱激发剂、早强剂、抗裂材料和悬浮剂制备而成。这种胶凝材料虽用于超细铁尾砂充填，但其主要成分仍为矿渣。CN201811526296公开一种早强型矿山填充用胶凝材料及其制备方法，采用钢渣和矿渣作为混合料，以石膏和水泥熟料与减水剂制备激发剂。该胶凝材料虽然掺加钢渣，但掺量小于30％，其胶凝材料成本仍居高不下。
综上可见，目前所公开的充填胶凝材料均以高活性矿渣为主，采用水泥熟料、石灰以及外加剂等高成本材料制备复合激发剂，对高活性高炉矿渣潜在的活性进行激发制备胶凝材料，其钢渣和工业副产石膏等低品质固废利用率低，充填胶凝材料成本高。尤其随着我国高活性矿渣资源日趋减少，不仅高活性矿渣资源利用成本逐年提高，而且还面临资源短缺和供不应求的情况。
发明内容
针对上述充填采矿技术与固体废弃物利用研究现状以及存在的问题，本发明提供一种全固废胶凝材料与粗细尾砂混合充填料浆的优化方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种全固废胶凝材料的优化方法，其步骤包括：
(1)将转炉钢渣、工业副产石膏和高炉矿渣分别破碎粉磨成粉体，然后进行粒径分布特征分析；所述粉体的比表面积≥400m2/kg、含水率＜3wt％；工业副产石膏包括脱硫石膏、氟石膏和磷石膏。
(2)将上述三种粉体，按照不同配比混合制备成全固废胶凝材料作为胶凝剂，与粗细尾砂混合骨料和水混合搅拌制备成充填料浆；全固废胶凝材料配比为：转炉钢渣30～40wt％、脱硫石膏15～20wt％，其余为高炉矿渣；充填料浆胶砂比为1:4～1:12。
(3)所述的全固废胶凝材料，开展不同配比的胶结充填体7d、28d强度试验试验和28d充填体膨胀率测试，获得充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率测试结果；
(4)采用二次多项式对上述试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型：
R7d＝F1(Y)；R28d＝F2(Y)；V28d＝F3(Y)；
式中，R7d代表胶结充填体7d强度；R28d代表胶结充填体28d强度；V28d代表28d充填体膨胀率；F1(Y)代表胶结充填体7d强度模型；F2(Y)代表胶结充填体28d强度模型；F3(Y)代表28d充填体膨胀率模型；Y＝﹛y1,y2,…,yn﹜T代表全固废胶凝材料配比变量；
(5)以全固废胶凝材料胶结充填体强度≥42.5水泥胶结充填体强度和28d充填体无膨胀劣化为条件，确定胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率设计指标：[R7d]、[R28d]、[V28d]；其中，[R7d]、[R28d]代表42.5水泥胶结充填体7d和28d强度，根据胶结充填体强度试验确定；[V28d]代表28d充填体膨胀率的设计指标，[V28d]≤8％；
(6)根据转炉钢渣、高炉矿渣和工业副产石膏的利用成本，进行不同配比全固废胶凝材料成本核算，建立全固废胶凝材料成本模型：CT＝F 4(Y)；
式中，CT代表全固废胶凝材料成本；F 4(Y)代表全固废胶凝材料成本模型；
(7)以全固废胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立全固废胶凝材料配比优化模型：
优化目标：MinCT＝Min F 4(Y)
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d]；R28d＝F2(Y)≥[R28d]；V28d＝F3(Y)≤[V28d]；
(8)求解上述步骤(7)的优化模型，即可得到全固废胶凝材料优化配比，由此制备全固废胶凝材料。
采用上述全固废胶凝材料进行粗细尾砂混合骨料充填料浆配比优化方法，包括下述步骤：
(1)采用不同粒径的粗细尾砂作为混合骨料，进行不同粗细尾砂配比、胶砂比和料浆浓度的胶结充填体7d、28d强度试验和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率试验结果；所述混合料浆中粗尾砂粒径为1～3mm，细尾砂中200目及以上细颗粒含量≥75％，胶砂比为1:14～1:12；料浆浓度为68～72％。
(2)采用二次多项式对上述试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型：
R7d＝f1(X)；R28d＝f2(X)；V28d＝f3(X)；
式中，R7d代表胶结充填体7d强度；R28d代表胶结充填体28d强度；V28d代表28d充填体膨胀率；f1(X)代表胶结充填体7d强度模型；f2(X)代表胶结充填体28d强度模型；f3(X)代表28d充填体膨胀率模型；X＝﹛x1,x2,…,xn﹜T代表混合充填料浆配比变量；
(3)根据充填采矿方法、回采工艺、充填系统以及充填倍线，借助工程经验，确定满足安全采矿所需要的胶结充填体7d和28d强度以及28d充填体膨胀率的设计指标[R7d]、[R28d]、[V28d]：
对于阶段嗣后充填采矿方法，一步矿房胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥1.0MPa、[R28d]≥2.5MPa；
对于上向分层充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥0.8MPa、[R28d]≥1.5MPa；
对于下向分层进路充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥2.5MPa、[R28d]≥5.0MPa；
28d充填体膨胀率设计指标[V28d]≤8％；
(4)根据全固废胶凝材料成本、粗细尾砂成本和配比、胶砂比以及浆料浓度，建立单位体积混合充填料浆的成本模型：CL＝f4(X)；
式中，CL代表单位体积混合充填料浆成本；f4(X)代表单位体积混合充填料浆成本模型；
(5)以单位体积混合骨料充填料浆成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率设计指标为约束条件，建立混合充填料浆优化模型：
优化目标：MinCL＝Min f4(X)
约束条件：R7d＝f1(X)≥[R7d]；R28d＝f2(X)≥[R28d]；V28d＝f3(X)≤[V28d]；
(6)求解步骤(5)的优化模型，即可得到混合充填料浆的优化配比。
本发明所述充填体强度检测方法参照标准《GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》。
本技术方案所产生的有益效果在于：本发明所公开的全固废胶凝材料，是利用转炉钢渣和工业副产石膏低品质固废协同激发和配比优化，制备出低成本全固废胶凝材料。该胶凝材料中钢渣和工业副产石膏利用率高和材料成本低，固废资源来源广，尤其控制全固废胶凝材料的膨胀性，能够实现不发生强度劣化的条件下，提高充填采场的接顶率，从而提高充填采场的稳定性。针对细尾砂充填体强度低和充填料浆流动性差等问题，本发明还公开了利用粗尾砂和细尾砂混合骨料，进行混合充填料浆配比优化设计，既解决了超细全尾砂充填采矿技术难题，还能够进一步降低充填采矿成本，从而获得显著的经济效益与环保效益。
附图说明
图1为本发明实施例1、2钢渣粉的粒径分布曲线图；
图2为本发明实施例1、2矿渣粉的粒径分布曲线图；
图3为本发明实施例1脱硫石膏的粒径分布曲线图；
图4为本发明实施例2氟石膏的粒径分布曲线图。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明的优化方法与实施步骤，下面将结合实施例进行详细描述。
1、协同激发制备全固废胶凝材料的优化方法，包括以下步骤：
(1)进行不同配比的全固废胶凝材料胶结充填体强度试验
利用转炉钢渣、工业副产石膏和高炉矿渣经过粉磨制成比表面积≥400m2/kg、含水率＜3wt％的粉体，然后进行粒径分布分析。工业副产石膏包括脱硫石膏、氟石膏和磷石膏；利用钢渣和工业副产石膏协同激发机理进行配比优化设计，由此制备全固废胶凝材料作为胶凝剂；所述全固废胶凝材料物料重量配比为：钢渣微粉30-40％、脱硫石膏15-20％，其余为矿渣微粉。混合充填料浆胶砂比为1:4～1:12；按上述配比范围制备充填料浆，开展胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的试验结果。
(2)建立全固废胶凝材料胶结充填体强度和膨胀率模型
根据上述步骤(1)，采用二次多项式对胶结充填体强度和28d充填体膨胀率试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型：
R7d＝F1(Y)；R28d＝F2(Y)；V28d＝F3(Y)；
式中，R7d代表胶结充填体7d强度；R28d代表胶结充填体28d强度；V28d代表28d充填体膨胀率；F1(Y)代表胶结充填体7d强度模型；F2(Y)代表胶结充填体28d强度模型；F3(Y)代表28d充填体膨胀率模型；Y＝﹛y1,y2,…,yn﹜T代表全固废胶凝材料配比变量。
(3)确定全固废胶凝材料胶结充填体强度和膨胀率设计指标
以全固废胶凝材料胶结充填体强度≥42.5水泥胶结充填体强度和28d强度无膨胀劣化为条件，确定胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标：[R7d]、[R28d]、[V28d]；其中，[R7d]、[R28d]代表42.5水泥胶结充填体7d和28d强度，根据水泥胶结充填体强度试验确定；充填体强度无膨胀劣化的28d充填体的膨胀率设计指标[V28d]≤8％。
(4)建立全固废胶凝材料成本模型
根据钢渣、矿渣和工业副产石膏的原材料加工成本，进行全固废胶凝材料成本核算，建立全固废胶凝材料成本模型：CT＝F 4(Y)；
式中，CT代表全固废胶凝材料成本；F 4(Y)代表全固废胶凝材料成本模型；
(5)建立全固废胶凝材料配比优化模型
以全固废胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立全固废胶凝材料配比优化模型：
优化目标：MinCT＝Min F 4(Y)
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d]；R28d＝F2(Y)≥[R28d]；V28d＝F3(Y)≤[V28d]。
(6)求解全固废胶凝材料配比优化模型
求解上述步骤(5)的优化模型，即可得出成本最低的全固废胶凝材料优化配比，由此制备全固废胶凝材料，用于粗细尾砂混合骨料充填料浆的胶凝材料。
2.粗细尾砂混合骨料充填料浆优化方法，包括以下步骤：
(1)进行不同配比粗细尾砂混合骨料胶结充填体强度试验
以步骤1的全固废胶凝材料作为胶凝剂，利用二段选矿粗尾砂和三段选矿细尾砂作为充填骨料，进行不同粗细尾砂配比、胶砂比和料浆浓度的胶结充填体7d、28d强度试验和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的测试结果。所述粗尾砂粒径1～3mm，细尾砂中200目及以上细颗粒含量≥75％；胶砂比为1:4～1:12；料浆浓度为68～72％。
(2)建立粗细尾砂混合骨料胶结充填体强度和膨胀率模型
根据步骤(1)，采用二次多项式对胶结充填体强度和28d充填体膨胀率试验结果进行逐步回归分析，建立混合骨料胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型：
R7d＝f1(X)；R28d＝f2(X)；V28d＝f3(X)；
式中，R7d代表胶结充填体7d强度；R28d代表胶结充填体28d强度；V28d代表28d充填体膨胀率；f1(X)代表胶结充填体7d强度模型；f2(X)代表胶结充填体28d强度模型；f3(X)代表28d充填体膨胀率模型；X＝﹛x1,x2,…,xn﹜T代表混合骨料充填料浆的配比变量。
(3)确定充填法采矿胶结充填体强度和充填体膨胀率的设计指标
根据充填采矿方法、回采工艺、充填系统以及充填倍线，借助工程经验，确定满足安全采矿所需要的胶结充填体7d和28d强度以及28d充填体膨胀率的设计指标[R7d]、[R28d]、[V28d]：
对于阶段嗣后充填采矿方法，一步矿房胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥1.0MPa、[R28d]≥2.5MPa；对于上向分层充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥0.8MPa、[R28d]≥1.5MPa；对于下向分层进路充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R7d]≥2.5MPa、[R28d]≥5.0MPa；28d充填体膨胀率设计指标[V28d]≤8％；
(4)建立单位体积粗细尾砂混合骨料充填料浆成本模型
根据全固废胶凝材料成本、粗细尾砂成本以及粗砂尾砂配比、胶砂比和充填料浆浓度，进行单位体积混合骨料充填料浆的成本核算，建立混合充填料浆成本模型：CL＝f4(X)；
式中，CL代表单位体积混合充填料浆成本；f4(X)代表单位体积混合充填料浆成本模型。
(5)建立粗细尾砂混合骨料充填料浆优化模型
以单位体积混合骨料充填料浆成本CT为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，根据步骤(2)、(3)、(4)，建立混合充填料浆优化设计模型：
优化目标：MinCL＝Min f4(X)
约束条件：R7d＝f1(X)≥[R7d]；R28d＝f2(X)≥[R28d]；V28d＝f3(X)≤[V28d]；
其中，[R7d]、[R28d]分别代表胶结充填体7d和28d强度的设计指标；[V28d]代表28d充填体膨胀率的设计指标。
(6)求解粗细尾砂混合骨料充填料浆优化模型
求解上述步骤(5)的优化模型，即可得出充填成本最低的粗细尾砂混合充填料浆的优化配比。
实施例1：钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废胶凝材料与混合充填料浆配比优化设计实例
1.钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废胶凝材料的优化方法
(1)钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废胶凝材料胶结充填体强度试验
固废物料取自南方某钢铁公司，其中钢渣微粉粒度分布曲线见图1，粉体比表面积410m2/kg；矿渣微粉粒径分布曲线见图2，比表面积420m2/kg；脱硫石膏粒径分布见图3，粉体比表面积405m2/kg。选矿尾砂取自南方某铁矿，尾砂中200目及以上细粒含量为84.6％。采用胶砂比1:4和料浆浓度65％制备充填料浆，利用7.07cm×7.07cm×7.07cm通用的三联模具制备胶结充填体试块，在温度22±1℃和湿度>95％养护箱内养护，进行7d、28d强度试验和充填体膨胀率测试，由此获得试验结果见表1。
表1：钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废剂胶凝材料胶结充填体强度试验结果
(2)建立全固废胶凝材料胶结充填体强度、膨胀率和成本模型
采用二次多项式对表1中的胶结充填体强度和膨胀率试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体的膨胀率模型如下：
R7d＝-0.55+0.27y2+0.0000047y1y1-0.0041y2y2-0.0026y1y2
R28d＝3.27-0.068y1+0.15y2-0.0039y2y2
V28d＝-19.09+0.82y1-0.84y2-0.011y1y1+0.015y2y2+0.0079y1y2
其中，y1代表全固废胶凝材料钢渣的重量百分含量，％；
y2代表全固废胶凝材料中脱硫石膏的重量百分含量，％；
y3代表全固废胶凝材料中矿渣的重量百分含量，％。
(3)确定全固废胶凝材料胶结充填体强度和膨胀率设计指标
以充填体强度≥42.5水泥充填体强度和28d充填体无膨胀劣化为原则，根据表1中水泥充填体强度试验结果，确定胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为[R7d]＝0.8MPa，[R28d]＝1.8MPa，[V28d]＝8％；
(4)建立全固废胶凝材料的成本模型
根据表2中钢渣、矿渣和脱硫石膏材料的利用成本，进行全固废胶凝材料成本核算的结果见表1最后一列，采用二次多项式进行回归分析，建立全固废胶凝材料成本模型如下：
CT＝189.7-0.75y2+1.35y3-0.0028y1y1-0.0022y2y2-0.0011y1y3
CT代表钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废胶凝材料成本，元/t。
(5)建立全固废胶凝材料配比优化模型
以全固废胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d膨胀率的设计指标为约束条件，建立全固废胶凝材料配比优化模型如下：
MinCT＝Min(189.7-0.75y2+1.35y3-0.0028y1y1-0.0022y2y2-0.0011y1y3)
R7d＝-0.55+0.27y2+0.0000047y1y1-0.0041y2y2-0.0026y1y2≥0.8MPa；
R28d＝3.27-0.068y1+0.15y2-0.0039y2y2≥1.8MPa；
V28d＝-19.09+0.82y1-0.84y2-0.011y1y1+0.015y2y2+0.0079y1y2≤8％。
(6)求解全固废胶凝材料配比优化模型
根据步骤(5)所述全固废胶凝材料配比优化模型，获得优化配比为：钢渣微粉35％、脱硫石膏25％、矿渣微粉40％，材料成本219元/t，较42.5水泥胶凝材料成本降低了45％。
2.粗细尾砂混合骨料充填料浆配比优化方法
(1)进行不同配比粗细尾砂混合骨料胶结充填体强度试验
利用步骤1得到的钢渣-脱硫石膏协同激发全固废胶凝材料，采用二段选矿粗尾砂和三段选矿细尾砂制备混合骨料。粗尾砂粒径1～3mm，细尾砂200目及以上细粒含量84.6％，混合骨料中粗、细尾砂配比为0:10、1:9、2:8和3:7，胶砂比为1:4、1:6、1:8、1:12和料浆浓度为64％、66％、68％、70％、72％。利用7.07cm×7.07cm×7.07cm通用三联模具制备充填体试块，在温度22±1℃和湿度>95％养护箱内养护，进行胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率测试，由此获得胶结充填体7d、28d强度、28d充填体膨胀率的试验结果见表2。
表2：全固废胶凝材料混合充填料浆胶结充填体强度试验与料浆成本计算结果
(2)建立粗细尾砂混合骨料胶结充填体强度和膨胀率模型
采用二次多项式对表2中试验结果进行逐步回归分析，建立混合骨料胶结充填体7d、28d强度和28d充填体的膨胀率模型：
R7d＝-2.37+0.00098x1x1+0.00041x3x3+0.13x1x2-0.00058x1x3+0.13x2x3
R28d＝-1.83-21.53x2+0.00022x3x3+0.53x2x3
V28d＝-183.7+0.3x1+248.9x2+4.48x3-0.002x1x1-130.3x2x2-0.029x3x3-0.0036x1x3-2.70x2x3
其中，x1代表混合骨料中粗尾砂重量百分含量，％；
x2代表胶砂比；x3代表料浆浓度，％。
(3)确定满足充填法采矿的胶结充填体强度和膨胀率设计指标
根据矿山采用阶段嗣后充填采矿方法，确定满足安全采矿所需要的胶结充填体7d和28d强度以及28d膨胀率的设计指标[R7d]＝1.0MPa，[R28d]＝2.5MPa，[V28d]＝8％。
(4)建立单位体积粗细尾砂混合充填料浆的成本模型
根据南方某铁矿表3中的固废资源的利用成本，计算不同配比混合充填料浆的成本列入表2中的最后一列，采用二次多项式回归分析，由此建立混合充填料浆成本模型如下：
CL＝103.8x1-95.1x2-2.95x3-0.0034x1x1-256.04x2x2
+0.024x3x3-0.93x1x2+5.44x2x3
(5)建立混合骨料充填料浆配比优化模型
以单位体积混合充填料浆成本CL为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立混合充填料浆优化模型如下：
MinCL＝Min(103.8x1-95.1x2-2.95x3-0.0034x1x1-256.04x2x2+0.024x3x3-0.93x1x2+5.44x2x3)；
R7d＝-2.37+0.00098x1x1+0.00041x3x3+0.13x1x2-0.00058x1x3+0.13x2x3≥1.0MPa；
R28d＝-1.83-21.53x2+0.00022x3x3+0.53x2x3≥2.5MPa；
V28d＝-183.7+0.3x1+248.9x2+4.48x3-0.002x1x1-130.3x2x2-0.029x3x3-0.0036x1x3-2.70x2x3≤8％。
表3：我国南方某铁矿可利用的固体废弃物原料与加工成本计算表
(6)求解粗细尾砂混合骨料充填料浆的优化模型
求解步骤(5)所述的粗细尾砂混合骨料充填料浆的优化模型，获得混合充填料浆的优化配比为：混合骨料中粗尾砂18％、细尾砂72％；胶砂比1:5和料浆浓度66％，其胶结充填体强度和28d充填体的膨胀率满足阶段嗣后充填法采矿要求。
实施例2：钢渣-氟石膏协同激发制备全固废胶凝材料与混合充填料浆配比优化设计实例
1.钢渣-氟石膏协同激发制备全固废胶凝材料的优化方法
(1)钢渣-氟石膏协同激发制备全固废胶凝材料胶结充填体强度试验
固废物料取自南方某钢铁公司，其中钢渣微粉粒度分布曲线见图1，粉体比表面积为405m2/kg；矿渣微粉粒径分布曲线见图2，粉体比表面积为425m2/kg；氟石膏粒径分布见图4，粉体比表面积为405m2/kg。选矿尾砂取自南方某铁矿，尾砂中200目及以上细粒含量84.6％。采用胶砂比1:4和料浆浓度65％制备充填料浆，利用7.07cm×7.07cm×7.07cm通用的三联模具制备胶结充填体试块，在温度22±1℃和湿度>95％养护箱内养护，进行龄期为7d、28d强度试验和膨胀率测试，由此获得试验结果见表4。
表4：钢渣-氟石膏协同激发制备全固废剂胶凝材料胶结充填体强度试验结果
(2)建立全固废胶凝材料胶结充填体强度、膨胀率模型
采用二次多项式对表4中胶结充填体强度和28d充填体膨胀率试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型如下；
R7d＝-7.80+1.08y2+0.0034y1y1-0.014y2y2-0.015y1y2
R28d＝-1.08+0.61y2-0.0011y1y1-0.016y2y2
V28d＝-1.18-0.63y2-0.0037y1y1+0.0045y2y2+0.0087y1y2
其中，y1代表全固废胶凝材料的钢渣重量百分含量，％；
y2代表全固废胶凝材料的氟石膏重量百分含量，％。
(3)确定全固废胶凝材料胶结充填体强度和膨胀率设计指标
以胶结充填体强度≥42.5水泥胶结充填体强度和28d充填体无膨胀劣化为准则，根据表4中水泥胶结充填体强度试验结果，确定胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标[R7d]＝0.7MPa，[R28d]＝1.5MPa，[V28d]＝8％。
(4)建立全固废胶凝材料成本模型
根据表3中某铁矿的钢渣、矿渣和氟石膏材料的利用成本，进行全固废胶凝材料成本见表4，采用回归分析，由此建立全固废胶凝材料成本模型为：
CT＝301.37-2.26y2-0.024y1 y1
其中，y1代表全固废胶凝材料中钢渣的重量百分含量，％；
y2代表全固废胶凝材料中氟石膏的重量百分含量，％。
(5)建立全固废胶凝材料的优化模型
以全固废胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立全固废胶凝材料配比优化模型如下：
MinCT＝Min(301.37-2.26y2-0.024y1y1)；
R7d＝-7.80+1.08y2+0.0034y1y1-0.014y2y2-0.015y1y2≥0.7MPa；
R28d＝-1.08+0.61y2-0.0011y1y1-0.016y2y2≥1.5MPa；
V28d＝-1.18-0.63y2-0.0037y1y1+0.0045y2y2+0.0087y1y2≤8％
(6)求解钢渣-脱硫石膏协同激发制备全固废胶凝材料优化模型
求解步骤(5)所述全固废胶凝材料优化模型，获得钢渣-脱硫石膏协同激发全固废胶凝材料的优化配比为：钢渣35％、氟石膏20％、矿渣45％，胶凝材料成本为226元/t，较42.5水泥胶凝材料成本降低了43.5％。
2.粗细尾砂混合骨料充填料浆的优化方法
(1)进行不同配比的粗细尾砂混合骨料的胶结充填体强度试验
利用步骤1的钢渣-氟石膏协同激发全固废胶凝材料，采用二段选矿粗尾砂和三段选矿细尾砂作为混合骨料。粗尾砂粒径1～3mm，细尾砂200目细粒含量84.6％，混合骨料中粗、细尾砂配比分别为0:10、1:9、2:8和3:7，胶砂比分别为1:4、1:6、1:8、1:12和料浆浓度为68％、70％、72％，利用7.07cm×7.07cm×7.07cm通用的三联模具制备胶结充填体试块，在温度22±1℃和湿度>95％养护箱内养护，进行不同胶结充填体7d、28d强度试验和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d膨胀率的试验结果见表5。
表5：全固废胶凝材料混合充填料浆配比优化设计充填体强度和料浆成本计算结果
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(2)建立混合骨料胶结充填体强度和膨胀率模型
采用二次多项式对表5的试验结果进行逐步回归分析，建立混合骨料胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型如下：
R7d＝-2.02-0.0097x1+0.00037x1x1+0.00027x3x3+0.16x2x3
R28d＝-0.67-55.67x2+0.00016x1x1+20.68x2x2+0.99x2x3
V28d＝-281.2x1-27.3x2+7.3x3-0.0033x1x1-192.6x2x2-0.050x3x3+0.69x1x2+0.0074x1x3+1.57x2x3
其中，x1代表混合骨料中粗尾砂的重量百分含量，％；
x2代表胶砂比；x3代表料浆浓度，％。
(3)确定胶结充填体强度和充填体膨胀率的设计指标
根据矿山阶段嗣后充填采矿法，确定胶结充填体7d和28d强度以及28d充填体膨胀率的设计指标[R7d]＝1.0MPa，[R28d]＝2.5MPa，[V28d]＝8％。
(4)建立混合骨料充填料浆的成本模型
根据表3某铁矿固废成本，计算混合充填料浆成本见表5中最后一列。采用二次多项式回归分析，建立单位体积混合骨料充填料浆成本模型如下：
CL＝69.55-127.3x2-1.89x3+0.00018x1x1-153.14x2x2+0.017x3x3+0.047x1x2+0.0011x1x3+5.25x2x3
(5)建立混合骨料充填料浆配比优化模型
以单位体积混合充填料浆成本CL为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d膨胀率的设计指标为约束条件，建立混合充填料浆配比优化设计模型：
MinCL＝Min(69.55-127.3x2-1.89x3+0.00018x1x1-153.14x2x2+0.017x3x3+0.047x1x2+0.0011x1x3+5.25x2x3)
R7d＝-2.02-0.0097x1+0.00037x1x1+0.00027x3x3+0.16x2x3≥1.0MPa；
R28d＝-0.67-55.67x2+0.00016x1x1+20.68x2x2+0.99x2x3≥2.5MPa；
V28d＝-281.2x1-27.3x2+7.3x3-0.0033x1x1-192.6x2x2-0.050x3x3+0.69x1x2+0.0074x1x3+1.57x2x3≤8％。
(6)求解混合充填料浆配比优化模型
求解步骤(5)所述混合充填料浆配比优化模型，得到混合充填料浆优化配比为：混合骨料中粗尾砂8％、细尾砂92％；混合料浆胶砂比1:5和料浆浓度为72％，其胶结充填体强度和膨胀率满足阶段嗣后充填法安全采矿的要求。
Claims (3)
1.一种混合骨料充填料浆的优化方法，其特征在于，采用下述步骤：
（1）采用不同粒径粗细尾砂作为混合骨料，进行不同粗细尾砂配比、不同胶砂比和不同料浆浓度胶结充填体7d、28d强度试验和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率试验结果；
（2）采用二次多项式对上述试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度模型和28d充填体膨胀率模型如下：
R 7d =f 1 (X)；R 28d =f 2 (X)；V 28d =f 3 (X)；
式中，R 7d 代表胶结充填体7d强度；R 28d 代表胶结充填体28d强度；V 28d 代表28d充填体膨胀率；f 1 (X)代表胶结充填体7d强度模型；f 2 (X)代表胶结充填体28d强度模型；f 3 (X)代表28d充填体膨胀率模型；X=﹛x 1 , x 2 ,…, x n ﹜ T 代表粗细尾砂混合骨料充填料浆的配比变量；
（3）确定满足安全采矿所需要的胶结充填体7d和28d强度及28d充填体膨胀率设计指标[R 7d ]、[R 28d ]、[V 28d ]：
对于阶段嗣后充填采矿方法，一步矿房胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R 7d ]≥1.0MPa、[R 28d ]≥2.5MPa；
对于上向分层充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R 7d ]≥0.8MPa、[R 28d ]≥1.5MPa；
对于下向分层进路充填法采矿的胶结充填体7d和28d强度的设计指标为[R 7d ]≥2.5MPa、[R 28d ]≥5.0MPa；
28d充填体膨胀率设计指标[V 28d ]≤8%；
（4）根据全固废胶凝材料成本、粗细尾砂成本以及粗细尾砂配比、胶砂比和浆料浓度，建立混合骨料充填料浆成本模型：C L= f 4 (X)；
式中，C L代表单位体积混合骨料充填料浆成本；f 4 (X)代表混合骨料充填料浆成本模型；
所述全固废胶凝材料的优化方法，包括以下步骤：
①将钢渣、工业副产石膏和矿渣分别破碎磨成粉体，然后进行粒径分布特征分析；
②将上述三种粉体，按照不同配比混合制备成全固废胶凝材料作为胶凝剂，与粗细尾砂混合骨料和水混合搅拌制备成充填料浆；
③所述的充填料浆开展胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率测试，获得胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率测试结果；
④采用二次多项式对上述测试结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率模型：
R 7d =F 1 (Y)；R 28d =F 2 (Y)；V 28d =F 3 (Y)；
式中，R 7d 代表胶结充填体7d强度；R 28d 代表胶结充填体28d强度；V 28d 代表28d充填体膨胀率；F 1 (Y)代表胶结充填体7d强度模型；F 2 (Y)代表胶结充填体28d强度模型；F 3 (Y)代表28d充填体膨胀率模型；Y=﹛y 1 ,y 2 ,…,y n ﹜ T 代表全固废胶凝材料配比变量；
⑤以胶结充填体强度≥42.5水泥胶结充填体强度和28d充填体无膨胀劣化为条件，确定胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率设计指标：[R 7d ]、[R 28d ]、[V 28d ]；其中，[R 7d ]、[R 28d ]代表42.5水泥胶结充填体7d和28d强度，根据胶结充填体强度试验确定；[V 28d ]代表28d充填体膨胀率的设计指标，[V 28d ] ≤8%；
⑥根据钢渣、矿渣和工业副产石膏的利用成本，进行全固废胶凝材料成本核算，建立全固废胶凝材料成本模型为：C T= F 4(Y)；
式中，C T代表全固废胶凝材料成本；F 4(Y)代表全固废胶凝材料成本模型；
⑦以全固废胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立全固废胶凝材料配比优化模型：
优化目标：MinC T = Min F 4(Y)
约束条件：R 7d=F 1 (Y)≥[R 7d]；R 28d=F 2 (Y)≥[R 28d]；V 28d =F 3 (Y)≤[V 28d ]；
⑧求解上述的全固废胶凝材料配比优化模型得到优化配比，由此制备出全固废胶凝材料；
（5）以单位体积混合骨料充填料浆成本为优化目标，以胶结充填体7d、28d强度和28d充填体膨胀率的设计指标为约束条件，建立混合骨料充填料浆优化模型：
优化目标：MinC L = Min f 4 (X)
约束条件：R 7d= f 1 (X)≥[R 7d]；R 28d= f 2 (X)≥[R 28d]；V 28d = f 3 (X)≤[V 28d ]；
（6）求解上述优化模型，即可得到混合充填料浆的优化配比。
2.根据权利要求1所述的混合骨料充填料浆的优化方法，其特征在于：所述步骤（1）中，粗尾砂粒径1～3mm，细尾砂中的200目及以上细颗粒含量≥75%。
3.根据权利要求2所述的混合骨料充填料浆的优化方法，其特征在于：所述步骤（1）中，胶砂比为1:4～1:12；浆料浓度为68～72%。
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