CN111370076A - 一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法，属于充填采矿技术领域。该方法首先以选矿全尾砂作为充填骨料，以胶固粉作为胶凝材料，进行不同胶砂比、不同料浆浓度的胶结充填体强度测试以及料浆流变性和稳定性的参数测试；然后建立胶结充填体强度模型以及料浆流变性与稳定性模型；最后以充填料浆成本和料浆的流动性为优化目标，以胶结充填体强度、料浆的泌水率和分层度为料浆稳定性的约束条件，建立尾砂充填料浆配比优化模型，并求解由此进行充填料浆优化设计。该方法能在满足胶结充填体强度要求和充填料浆不发生分层离析的稳定条件下，获得充填料浆成本最低和管道输送阻力最小的充填料浆优化配比，提高全尾砂充填采矿的经济和环保效益。
Description
技术领域
本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法。
背景技术
充填采矿工艺复杂，生产能力低，采矿成本高，一般用于黄金和有色矿山。随着我国对资源开发环保日趋严格，以及面临更多的深埋、大水和高应力等难采矿体，充填采矿法已成为难采资源开发的首要选择；同时已经逐步在铁矿和煤矿开采中推广应用。由于铁金属价值低和充填成本高，铁矿充填采矿的经济效益差是制约充填法采矿的重要影响因素。随着尾矿粒度越来越细，+200目细泥含量达到80%以上，导致胶结充填体强度更低和充填料浆管道输送阻力更高，进一步提高尾砂充填采矿成本。优化充填料浆设计，是提高铁矿全尾砂充填采矿经济效益和环保效益的关键所在。因此，需要针对不同固废物料以及不同充填采矿要求，制备满足充填矿山充填体强度和流动性与稳定性的充填料浆。
发明内容
为解决上述技术问题，针对尾砂充填骨料以及阶段嗣后充填采矿方法，本发明提供一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法。本发明所采取的技术方案，具体步骤包括：
（1）以选矿尾砂作为充填骨料，以胶固粉作为充填胶凝材料，进行不同胶砂比、不同料浆浓度的胶结充填体7d、28d强度试验以及充填料浆流变性和稳定性的参数测试，获得胶结充填体7d、28d强度和充填料浆流变性、稳定性的试验结果；所述的胶砂比为1:4~1:12；充填料浆浓度为60~66%。
（2）采用二次多项式对步骤（1）的试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和充填料浆流变性与稳定性模型：
胶结充填体强度模型：R 7d =f 1 (X)；R 28d =f 2 (X)；
充填料浆流动性模型：τ=f 3 (X)；η =f 4 (X)；
充填料浆稳定性模型：M L =f 5 (X)；F D =f 6 (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；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；
τ、η、M L 、F D 分别代表充填料浆的屈服应力、黏度系数、泌水率和分层度；f 3 (X)、f 4 (X)、f 5 (X)、f 6 (X) 分别代表充填料浆的屈服应力、黏度系数、泌水率和分层度模型；
X=﹛x 1 , x 2 ,…, x n ﹜ T 代表充填料浆配比设计变量。
（3）根据胶固粉胶凝材料和尾砂成本、充填料浆胶砂比以及料浆浓度，计算不同方案料浆成本，采用回归分析，建立充填料浆成本模型：C L = f 7 (X)；
式中，C L 代表充填料浆成本；f 7 (X)代表充填料浆成本模型。
（4）根据阶段嗣后充填采矿法和料浆管道自流输送要求，确定胶结充填体7d、28d强度和料浆流动性与稳定性的设计指标：一步充填采矿法胶结充填体7d、28d强度设计指标[R 7d]、[R 28d]分别不小于1.0MPa和2.5MPa；泌水率设计指标[M L ]不大于10%和分层度设计指标[F D ]不大于3cm；
（5）以充填料浆成本和充填料浆的流动性作为优化目标，以胶结充填体7d和28d强度的设计指标以及充填料浆的稳定性设计指标作为约束条件，建立充填料浆配比的多目标优化模型：
优化目标函数：Min(λ 1 C L + λ 2 τ +λ 3 η)= Min [λ 1 f 7 (X) +λ 2 f 3 (X) +λ 3 f 4 (X)]；
强度约束条件：R 7d= f 1 (X) ≥ [R 7d]；R 28d= f 2 (X) ≥ [R 28d]；
稳定性约束条件：M L =f 5 (X)≤[M L ]；F D =f 6 (X)≤[F D ]；
式中，λ 1 、λ 2、λ 3分别代表充填料浆成本、料浆屈服应力和黏度系数对优化目标影响程度的相对权值系数，0 ≤ λ 1 ≤ 1；0 ≤ λ 2≤ 1、0 ≤ λ 3≤ 1，λ 1+λ 2+λ 3=1.0；
分别代表胶结充填体7d、28d强度的设计指标；[M L ]，[F D ]分别代表充填料浆泌水率和分层度设计指标；
（6）求解步骤（5）所述的多目标优化模型，即可得到用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化设计。
本技术方案所产生的有益效果在于：该发明所公开的充填料浆配比优化方法，能够在满足胶结充填体强度要求和充填料浆稳定性的条件下，获得充填料浆成本最低和管道输送阻力最小的充填料浆优化配比，从而提高全尾砂充填采矿的经济效益和环保效益。并且可以根据不同选矿尾砂的物化特性以及采矿方法，制备满足充填法采矿的充填体强度要求和料浆流动性与稳定性要求的充填料浆。
附图说明
图1为本发明实施例1脱硫石膏的粒径分布曲线图；
图2为本发明实施例1水泥熟料的粒径分布曲线图；
图3为本发明实施例1矿渣微粉的粒径分布曲线图；
图4为本发明实施例1全尾砂的粒径分布曲线图。
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。
一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法，其步骤包括：
（1）以选矿尾砂作为充填骨料，以胶固粉作为胶凝材料，进行不同胶砂比、不同料浆浓度的胶结充填体7d、28d强度试验以及充填料浆的流变性和稳定性参数测试，获得胶结充填体7d、28d强度和充填料浆流变性、稳定性参数的试验结果；所述胶砂比为1:4~1:12；浆料浓度为60~66%。
（2）采用二次多项式对步骤（1）的试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和充填料浆的流变特性以及稳定性特性模型：
胶结充填体强度模型：R 7d =f 1 (X)；R 28d =f 2 (X)；
充填料浆流动性模型：τ=f 3 (X)；η =f 4 (X)；
充填料浆稳定性模型：M L =f 5 (X)；F D =f 6 (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；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；
τ、η、M L 、F D 分别代表充填料浆的屈服应力、黏度系数、泌水率和分层度；f 3 (X)、f 4 (X)、f 5 (X)、f 6 (X) 分别代表充填料浆的屈服应力、黏度系数、泌水率和分层度模型；
X=﹛x 1 ,x 2 ,…,x n ﹜ T 代表充填料浆配比变量。
（3）根据胶固粉胶凝材料和选矿尾砂的材料成本、充填料浆的胶砂比及料浆浓度，计算每一方案的充填料浆成本，建立充填料浆成本模型：C L = f 7 (X)；
式中，C L 代表充填料浆成本；f 7 (X)代表充填料浆成本模型。
（4）根据阶段嗣后充填采矿法和料浆管道自流输送要求，确定胶结充填体7d、28d强度和料浆流动性与稳定性的设计指标：一步充填采矿法胶结充填体7d、28d强度设计指标[R 7d]、[R 28d]分别不小于1.0MPa和2.5MPa；泌水率设计指标[M L ]不大于10%和分层度设计指标[F D ]不大于3cm。
（5）以充填料浆成本和充填料浆流动性为优化目标，以充填体7d和28d的设计强度和充填料浆的稳定性为约束条件，建立充填料浆配比多目标优化模型：
优化目标函数：Min(λ 1 C L + λ 2 τ +λ 3 η)= Min [λ 1 f 7 (X) +λ 2 f 3 (X) +λ 3 f 4 (X)]；
强度约束条件：R 7d= f 1 (X) ≥ [R 7d]；R 28d= f 2 (X) ≥ [R 28d]；
稳定性约束条件：M L =f 5 (X)≤[M L ]；F D =f 6 (X)≤[F D ]；
式中，λ 1、λ 2、λ 3分别代表充填料浆成本、料浆屈服应力和黏度系数对优化目标影响程度的权值系数，0 ≤ λ 1 ≤ 1、0 ≤ λ 2 ≤ 1、0 ≤ λ 3≤ 1，λ 1 + λ 2 + λ 3=1；[R 7d]、[R 28d]分别代表胶结充填体7d、28d设计强度指标；[M L ]，[F D ]分别代表充填料浆泌水率和分层度设计指标。
根据料浆成本对优化目标的重要性，确定λ 1=0.5；根据矿山管道自流输送的充填倍线N≤6的料浆管道自流输送条件的料浆屈服应力与黏度系数对优化目标的影响程度，确定λ 2=0.25、λ 3=0.25；针对阶段嗣后充填采矿法，确定[R 7d] =1.0MPa、[R 28d]=2.5MPa，；对于200目及以上细尾砂含量>75%的全尾砂充填料浆，确定[M L ]=10%、[F D ]=3cm。
（6）求解步骤（5）所述的多目标优化模型，即可得到用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化设计。
实施例1
1、建立胶结充填体强度、充填料浆流变性和稳定性以及成本模型
以某铁矿选矿全尾砂作为充填骨料，以胶固粉作为胶凝材料，进行全尾砂充填料浆制备与配比优化设计。胶固粉胶凝材料采用脱硫石膏与水泥熟料作为复合激发剂，对矿渣微粉潜在活性激发制备胶固粉胶凝材料。
本实施例，脱硫石膏粒径分布曲线见图1，其粉体细度为9.2%。水泥熟料粒径分布曲线见图2，其粉体细度4.5%。矿渣微粉粒径分布曲线见图3，其粉体细度为4.27%。某矿山选矿全尾砂的粒径分布曲线见图4，尾砂中+200目细颗粒含量达到78%。
根据胶固粉胶凝材料和选矿尾砂充填料，进行充填料浆配比优化设计。首先针对胶砂比分别为1:4、1:5、1:6、1:7、1:8和料浆浓度分别为60%、62%、64%、66%，进行尾砂胶结充填体强度试验和充填料浆流变性和稳定性参数测试，由此获得试验结果见表1。然后，采用二次多项式对试验数据进行逐步回归分析，由此建立胶结充填体强度和充填料浆的流变性与稳定性模型。
胶结充填体强度模型如下：
R 7d=-1.89-21.88x1x1+0.30x1x2、R 28d=-3.79-78.74x1x1+0.71x1x2；
充填料浆流动性模型如下：
τ =5423.4-1697.078x1 -173.51x2 -2764.40x1x1+1.36x2x2+45.24x1x2；
η =-0.593+3.44x1 -12.51x1x1+0.000060x2x2+0.025x1x2；
充填料浆稳定性模型如下：
M L=41.74-148.9x1 -0.39x2 +354.1x1x1；
F D =28.37-120.02x1 -0.28x2 +166.67x1x1+0.778x1x2；
根据胶固粉胶凝材料和尾砂材料成本、充填料浆胶砂比及料浆浓度，计算每个试验方案的充填料浆成本，采用二次多项式回归分析，建立充填料浆成本模型：
C T=2.45+3.17x1 -9.08x1x1+0.00018x2x2+0.159x1x2；
其中，x1代表充填料浆的胶砂比；x2代表充填料浆浓度，%；R 7d、R 28d代表胶结充填体7d、28d强度，MPa；τ代表料浆的屈服应力，Pa；η代表料浆的黏度系数，Pa s；M L代表充填料浆的泌水率，%；F D 代表充填料浆的分层度，cm；C L 代表单位体积充填料浆成本，元/m3。
表1：选矿全尾砂胶固粉胶凝材料充填料浆胶结体强度与流变性试验结果
2、建立和求解尾砂充填料浆配比优化模型
以充填料浆成本和料浆的流动性作为优化目标，以胶结充填体7d和28d设计强度和料浆不离析的稳定性设计指标作为约束条件，建立选矿全尾砂充填料浆配比的多目标优化模型如下：
（1）充填料浆优化目标：
Min(λ 1 C L + λ 2 τ +λ 3 η)=Min[λ 1 (2.45+3.17x1 -9.08x1x1+0.00018x2x2+0.159x1x2)
+λ 2 (5423.4-1697.078x1 -173.51x2 -2764.40x1x1+1.36x2x2+45.24x1x2)
+λ 3 (-0.593+3.44x1 -12.51x1x1+0.000060x2x2+0.025x1x2)
（2）胶结充填体强度和料浆稳定性约束条件：
R 7d=-1.89-21.88x1x1+0.30x1x2≥[R 7d]=1.0MPa
R 28d=-3.79-78.74x1x1+0.71x1x2≥[R 28d]=2.5MPa
M L=41.74-148.9x1 -0.39x2 +354.1x1x1≤[M L]=10%
F d=28.37-120.02x1 -0.28x2 +166.67x1x1+0.778x1x2≤[F D]=3cm
其中，C T代表单位体积充填料浆成本，元/m3；λ 1代表充填料浆成本相对权值系数，λ 2充填料浆的屈服应力的权值系数，取0.5；λ 3代表充填料浆的黏度系数的权值系数。根据充填料浆成本、料浆屈服应力和黏度系数对由目标影响的重要性，确定λ 1=0.5、λ 2=0.25、λ 3=0.25。
[R 7d]、[R 28d]分别代表胶结充填体7d、28d强度的设计指标，MPa；[M L]代表充填料浆泌水率的设计指标，%；[F D]代表充填料浆分层度的设计指标，cm。
根据阶段嗣后充填采矿法的安全充填采矿要求，确定一步充填采场的胶结充填体7d、28d设计强度指标：[R 7d]=1.0MPa、[R 28d]=2.5MPa；根据满足全尾砂充填料浆管道自流输送要求倍线N≤6的条件下，充填料浆的泌水率设计指标[M L]=10%，分层度设计指标[F D]=3cm。
求解步骤2所述选矿尾砂充填料浆配比优化设计模型，由此获得充填料浆优化配比为：胶砂比为1:5，料浆浓度为65%。
根据充填料浆优化配比，充填料浆成本为5.59元/m3；优化前尾砂充填料浆配比为1:4和料浆浓度为64%，其料浆成本为5.99元/m3。可见，优化后的充填料浆成本降低了6.7%；同时充填料浆管道输送阻力达到最小，胶结充填体强度和充填料浆的稳定性均满足阶段嗣后充填采矿法安全生产的要求。
Claims (2)
1.一种用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法，其特征在于，其步骤包括：
（1）以尾砂作为充填骨料，以胶固粉作为胶凝材料与水混合，制备充填料浆，进行不同胶砂比、不同料浆浓度的胶结充填体7d、28d强度试验以及充填料浆的流变性和稳定性参数测试，由此获得胶结充填体7d、28d强度和充填料浆流变性、稳定性的试验结果；
（2）采用二次多项式对步骤（1）的试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体7d、28d强度和充填料浆的流变性与稳定性模型：
胶结充填体强度模型：R 7d =f 1 (X)；R 28d =f 2 (X)；
充填料浆流动性模型：τ=f 3 (X)；η=f 4 (X)；
充填料浆稳定性模型：M L =f 5 (X)；F D =f 6 (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；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；
τ、η、M L 、F D 分别代表充填料浆的屈服应力、黏度系数、泌水率和分层度；f 3 (X)、f 4 (X)、f 5 (X)、f 6 (X) 分别代表充填料浆的屈服应力模型、黏度系数模型、泌水率模型和分层度模型；
X=﹛x 1 ,x 2 ,…,x n ﹜ T 代表充填料浆配比设计变量；
（3）根据胶固粉胶凝材料和尾砂的成本、胶砂比及料浆浓度，计算充填料浆的成本，建立充填料浆成本模型：C L = f 7 (X)；
式中，C L 代表充填料浆成本；f 7 (X)代表充填料浆成本模型；
（4）根据阶段嗣后充填采矿法和料浆管道自流输送要求，确定胶结充填体7d、28d强度和料浆流动性与稳定性的设计指标：一步充填采矿法胶结充填体7d、28d强度设计指标[R 7d]、[R 28d]分别不小于1.0MPa和2.5MPa；泌水率设计指标[M L ]不大于10%和分层度设计指标[F D ]不大于3cm；
（5）以充填料浆成本和料浆流动性为优化目标，以胶结充填体7d和28d的设计强度以及充填料浆稳定性为约束条件，建立充填料浆多目标优化模型：
优化目标函数：Min(λ 1 C L + λ 2 τ +λ 3 η)= Min [λ 1 f 7 (X) +λ 2 f 3 (X) +λ 3 f 4 (X)]；
强度约束条件：R 7d= f 1 (X) ≥ [R 7d]；R 28d= f 2 (X) ≥ [R 28d]；
稳定性约束条件：M L =f 5 (X)≤[M L ]；F D =f 6 (X)≤[F D ]；
式中，λ 1 、λ 2、λ 3分别代表充填料浆成本、料浆屈服应力和黏度系数的相对权值系数，0≤ λ 1 ≤ 1；0 ≤ λ 2≤ 1、0 ≤ λ 3≤ 1，λ 1+λ 2+λ 3=1.0；
分别代表胶结充填体7d、28d设计强度指标；[M L ]，[F D ]分别代表充填料浆泌水率和分层度设计指标；
（6）求解步骤（5）所述的多目标优化模型，即可得到用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化设计。
2.根据权利要求1所述的用于嗣后充填法采矿的充填料浆配比优化方法，其特征在于：所述步骤（1）中，胶砂比为1:4~1:12；料浆浓度为60~66%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200703 |