CN113004018B - 充填胶凝材料制备方法 - Google Patents

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CN113004018B CN202110454459.9A CN202110454459A CN113004018B CN 113004018 B CN113004018 B CN 113004018B CN 202110454459 A CN202110454459 A CN 202110454459A CN 113004018 B CN113004018 B CN 113004018B
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Abstract

本发明公开了一种充填胶凝材料制备方法，包括以下步骤：制备由不同配比的多种固体废料形成的充填胶凝材料；对不同配比的固体废料形成的充填胶凝材料分别进行抗压强度试验；以每种固体废料的占比为自变量，以充填胶凝材料的抗压强度值为因变量，拟合建立抗压强度和固体废料占比之间的函数模型；建立充填胶凝材料的成本优化模型；确定成本优化模型的约束条件，在约束条件中，函数模型满足充填胶凝材料的抗压强度要求值；利用约束条件对成本优化模型求解，并获得满足抗压强度要求值且成本最小的充填胶凝材料的最优固体废料配比。本发明的充填胶凝材料制备方法制备的充填胶凝材料在满足强度要求的同时兼具较低的成本。

Description

充填胶凝材料制备方法
技术领域
本发明涉及矿山充填材料制备技术领域，具体地，涉及一种充填胶凝材料制备方法。
背景技术
充填开采是一种在开采作业的同时用充填材料对采空区进行充填的开采方法。相关技术中，充填材料主要为硅酸盐水泥，充填开采的成本较高，限制了充填采矿技术的推广应用。
为了降低充填开采的成本，相关技术中也有利用具有潜在火山灰质活性的固体废弃物(高炉水淬渣、粉煤灰、赤泥、飞灰、转炉钢渣等)开发充填胶凝材料的研究，但是，这些固体废弃物均属工业副产品，性质不尽相同，很难采用统一的配比制备充填胶凝材料，在获取配比之前，不仅试验工作量较大，还存在忽略胶凝材料成本的问题，未对充填胶凝材料的性能与成本进行统筹研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明实施例提出一种充填胶凝材料制备方法，该充填胶凝材料制备方法减轻了制备工作量，且制备的充填胶凝材料在满足强度要求的同时兼具较低的成本。
根据本发明实施例的充填胶凝材料制备方法包括以下步骤：
制备由不同配比的多种固体废料形成的充填胶凝材料；
对不同配比的固体废料形成的充填胶凝材料分别进行抗压强度试验；
以每种固体废料的占比为自变量，以所述充填胶凝材料的抗压强度值为因变量，拟合建立不同龄期的充填胶凝材料的抗压强度和对应的每种固体废料在充填胶凝材料中的占比之间的函数模型；
建立所述充填胶凝材料的成本优化模型；
确定所述成本优化模型的约束条件，在所述约束条件中，所述函数模型满足所述充填胶凝材料的抗压强度要求值；
利用所述约束条件对所述成本优化模型求解，并获得满足所述抗压强度要求值且成本最小的所述充填胶凝材料的最优固体废料配比。
根据本发明实施例的充填胶凝材料制备方法，减轻了制备工作量，且制备的充填胶凝材料在满足强度要求的同时兼具较低的成本。
在一些实施例中，所述函数模型为：
Figure BDA0003040072060000021
其中，k为充填胶凝材料的龄期；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；
Figure BDA0003040072060000027
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比。
在一些实施例中，所述成本优化模型为：
Figure BDA0003040072060000022
其中，an为固体废料n的单价；
Figure BDA0003040072060000023
为设定单位充填胶凝材料中固体废料n的质量。
在一些实施例中，所述约束条件为：
Figure BDA0003040072060000024
其中，
Figure BDA0003040072060000025
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比下限；
Figure BDA0003040072060000026
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比上限；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；Gk为k龄期抗压强度要求值。
在一些实施例中，不同地所述固体废料配比的所述充填胶凝材料采用均匀设计试验法进行抗压强度试验。
在一些实施例中，所述抗压强度试验为无侧限抗压强度试验。
在一些实施例中，所述成本优化模型通过遗传算法进行求解。
在一些实施例中，所述充填胶凝材料制备方法还包括以下步骤：根据获得的所述最优固体废料配比，利用所述函数模型计算不同龄期的所述充填胶凝材料的抗压强度。
在一些实施例中，所述充填胶凝材料制备方法还包括以下步骤：根据获得的所述最优固体废料配比配制出所述充填胶凝材料，并对配制出的所述充填胶凝材料进行抗压强度试验验证。
在一些实施例中，多种所述固体废料包括石膏粉、钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉。
附图说明
图1是根据本发明实施例的物料粒径分布示意图。
附图标记：
全尾砂1；石膏粉2；钢渣粉3；粉煤灰4；矿渣粉5。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的，充填胶凝材料制备方法包括以下步骤：
S1：制备由不同配比的多种固体废料形成的充填胶凝材料。
多种固体废料可以为两种以上任意配比的固体废料，固体废料可以为高炉水淬渣、粉煤灰、赤泥、飞灰、转炉钢渣等固体废弃物。例如，如表1所示，充填胶凝材料可以包括四种固体废料，四种固体废料分别为石膏粉、钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉。四种固体废料可以按照任意占比配制出多种充填胶凝材料，表1中共列举出8种按照多种固体废料不同占比配制出的充填胶凝材料。
表1固废随机配比的充填胶结体无侧限抗压强度试验及结果
Figure BDA0003040072060000031
优选地，不同地固体废料配比的充填胶凝材料采用均匀设计试验法进行抗压强度试验。具体地，表1中石膏粉、钢渣粉、粉煤灰、矿渣粉的不同占比可以通过DPS3.0数据处理系统生成，且均匀性偏差为0.0714。均匀设计试验法能够大大减少试验次数，进一步简化了试验工作量。
S2：对不同配比的固体废料形成的充填胶凝材料分别进行抗压强度试验。
例如，表1中共列举了8种不同配比的充填胶凝材料，需要对表1中的8种充填胶凝材料分别进行抗压强度试验。需要说明的是，在进行抗压强度试验时，需要对不同龄期的充填胶凝材料进行抗压强度试验，例如，针对表1中的8种不同配比的充填胶凝材料，需要分别对龄期为7天和龄期为28天的充填胶凝材料进行抗压强度试验并得到对应的抗压强度值。
以序号1的充填胶凝材料为例，该充填胶凝材料中石膏粉的占比(质量占比)为21％，钢渣粉的占比为8％，粉煤灰的占比为35％，矿渣粉的占比为36％。该充填胶凝材料龄期为7天的抗压强度为2.52MPa，该充填胶凝材料龄期为28天的抗压强度为4.32MPa。
优选地，充填胶凝材料的抗压强度试验为无侧限抗压强度试验。
S3：以每种固体废料的占比为自变量，以充填胶凝材料的抗压强度值为因变量，拟合建立不同龄期的充填胶凝材料的抗压强度和对应的每种固体废料在充填胶凝材料中的占比之间的函数模型。
例如，建立的函数模型可以为：
Figure BDA0003040072060000041
在上述函数模型中，k为充填胶凝材料的龄期；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；
Figure BDA0003040072060000042
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比；
需要说明的是，函数模型可以通过专门的函数建模软件生成，函数模型的类型可以为二项式逐步回归函数模型，也可以为一次函数模型、指数函数模型等其他类型的函数模型。拟合建立模型时，将自变量(多种固体废料的占比)和因变量(测得的充填胶凝材料的抗压强度值)分别输入函数建模软件，然后选择对应种类的函数模型并拟合生成函数模型即可。
例如，针对表1中的充填胶凝材料，7天龄期的充填胶凝材料所拟合的二项式逐步回归函数模型为：
F7＝-7.72+7.18·M4-36.84·M1·M2+78.69·M1·M4+63.01·M2·M3+14.62·M2·M4
28天龄期的充填胶凝材料所拟合的二项式逐步回归函数模型为：
F28＝15.95-50.56·M3+62.86·M3·M3-13.11·M1·M3+4.07·M1·M4-43.02·M2·M4
上述7天龄期的充填胶凝材料所拟合的函数模型的相关系数R2＝0.9896；上述28天龄期的充填胶凝材料所拟合的函数模型的相关系数R2＝0.9946。拟合的两个函数模型的相关系数均接近1，说明具有较好的拟合度。
需要说明的是，在上述拟合的两种函数模型中，M1为石膏粉在胶凝材料中的占比，M2为钢渣粉在胶凝材料中的占比，M3为粉煤灰在胶凝材料中的占比，M4为矿渣粉在胶凝材料中的占比。
S4：建立充填胶凝材料的成本优化模型。
例如，建立的成本优化模型可以为：
Figure BDA0003040072060000051
其中，an为固体废料n的单价；
Figure BDA0003040072060000052
为设定单位胶凝材料中固体废料n的质量。需要说明的是，设定单位可以为每吨、每立方等，
Figure BDA0003040072060000053
与充填胶凝材料中固体废料n的占比
Figure BDA0003040072060000054
存在线性关系，当设定单位确定后，
Figure BDA0003040072060000055
可以通过
Figure BDA0003040072060000056
求得。
以表1中确定的四种固体废料为例，相关技术中各固体废料的市场价格如表2所示。
表2固体废料市场价格
材料 石膏粉 钢渣粉 粉煤灰 矿渣粉
单价(元/t) 30 80 100 180
将上述市场价格带入成本优化模型可得：
Figure BDA0003040072060000057
S5：确定成本优化模型的约束条件，在约束条件中，函数模型满足充填胶凝材料的抗压强度要求值。
例如，确定的约束条件可以为：
Figure BDA0003040072060000058
其中，
Figure BDA0003040072060000059
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比下限；
Figure BDA00030400720600000510
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比上限；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；Gk为k龄期抗压强度要求值。
以表1中确定的四种固体废料为例，四种固体废料均具有占比上限和占比下限，且四种固体废料的占比和为1。将对应的参数(
Figure BDA00030400720600000511
的占比下限和占比下限)代入约束条件可得以下：
0.03≤M1≤0.2；
0.04≤M2≤0.5；
0.05≤M3≤0.5；
0.2≤M4≤0.3；
M1+M2+M3+M4＝1；
F7＝-7.72+7.18·M4-36.84·M1·M2+78.69·M1·M4+63.01·M2·M3+14.62·M2·M4≥0.8
F28＝15.95-50.56·M3+62.86·M3·M3-13.11·M1·M3+4.07·M1·M4-43.02·M2·M4≥3
其中，M1为石膏粉的占比，M2为钢渣粉的占比，M3为粉煤灰的占比，M4为矿渣粉的占比的占比。0.8为7天龄期的充填胶凝材料的抗压强度要求值，3为28天龄期的充填胶凝材料的抗压强度要求值。
S6：利用约束条件对成本优化模型求解，并获得满足抗压强度要求值且成本最小的充填胶凝材料的最优固体废料配比。
优选地，利用约束条件对成本优化模型的求解过程中可以通过遗传算法进行求解，当然也可以采用其他算法进行求解。下面以通过遗传算法求解步骤S1中四种固体废料组成的充填胶凝材料为例进行说明。
表3遗传算法参数表
参数 值
个体数目 100
最大遗传代数 100
复制精英数 4
种群类别 自适应
代沟 0.8
选择方式 roulette
交叉概率 0.8
杂交方法 算术平均法
根据表3中的参数，利用步骤S5中的约束条件对步骤S4中的成本优化模型自动迭代求解，可以得到采用石膏粉、钢渣粉、粉煤灰、矿渣粉四种固体废料配制的充填胶凝材料的最优固体废料配比，具体如表4所示。
表4充填胶凝材料最优固体废料配比
M<sub>1</sub> M<sub>2</sub> M<sub>3</sub> M<sub>4</sub>
0.2 0.33 0.25 0.22
在一些实施例中，充填胶凝材料制备方法还包括：
步骤S7：根据获得的最优固体废料配比，利用函数模型计算不同龄期的充填胶凝材料的抗压强度。
例如，可以将表4中的最优固体废料配比分别代入步骤S3中7天龄期和28天龄期的函数模型，可以得到采用表4中最优固体废料配比且龄期为7天的充填胶凝材料的抗压强度为1.38MPa，得到采用表4中最优固体废料配比且龄期为28天的充填胶凝材料的抗压强度为3.56MPa。
在一些实施例中，充填胶凝材料制备方法还包括：
步骤S8：根据获得的最优固体废料配比配制出充填胶凝材料，并对配制出的充填胶凝材料进行抗压强度试验验证。
例如，可以按照表4中的最优固体废料配比配制出充填胶凝材料，然后将充填胶凝材料制成试件并进行抗压强度试验。然后将抗压强度试验得到的抗压强度值和步骤S7中求取的抗压强度值比较即可。经验证，试验值和计算值相吻合，误差极小，该方法对制备全固废充填胶凝材料配比的确定具有优越性。
在一些实施例中，充填胶凝材料制备方法还包括：
步骤S9：将制备的充填胶凝材料与全尾砂混合，并制备出全尾砂胶结充填料浆。例如，可以配置充填胶凝材料的质量浓度为68％的全尾砂胶结充填料浆，制备的全尾砂胶结充填料浆的各成分的组成如表5所示，制备的全尾砂胶结充填料浆的物料粒径分布如图1所示，图1中绘制了全尾砂1、石膏粉2、钢渣粉3、粉煤灰4、矿渣粉5的曲线走势。
表5各材料化学成分组成
试验物料 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO SO<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
全尾砂 4.23 55.88 0.87 14.92 0.21 23.06
脱硫石膏 46.59 3.38 1.39 0.69 45.78 0.46
钢渣粉 46.43 17.08 2.58 6.75 0.23 20.06
粉煤灰 9.17 53.84 22.53 2.04 0.41 5.91
矿渣粉 43.54 31.94 11.27 7.48 1.37 1.07
根据本发明实施例的充填胶凝材料制备方法，制备出的充填胶凝材料能够满足矿山胶凝充填要求，且制备过程简单，减轻了制备工作量，制备的充填胶凝材料在满足强度要求的同时兼具较低的成本。经计算，若42.5#水泥平均价格为400～450元/吨，则采用本方法制备的每立方全尾砂胶结充填料浆成本为144～162元/立方米，该胶凝材料费用是42.5#水泥材料的22％～24％。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种充填胶凝材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备由不同配比的多种固体废料形成的充填胶凝材料；所述多种固体废料由石膏粉、钢渣粉、粉煤灰和矿渣粉组成；
对不同配比的固体废料形成的充填胶凝材料分别进行抗压强度试验；
以每种固体废料的占比为自变量，以所述充填胶凝材料的抗压强度值为因变量，拟合建立不同龄期的充填胶凝材料的抗压强度和对应的每种固体废料在充填胶凝材料中的占比之间的函数模型；所述函数模型为：
Figure FDA0003840554080000011
其中，k为充填胶凝材料的龄期；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；
Figure FDA0003840554080000012
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比；
7天龄期的充填胶凝材料所拟合的二项式逐步回归函数模型为：
F7＝-7.72+7.18·M4-36.84·M1·M2+78.69·M1·M4+63.01·M2·M3+14.62·M2·M4；
28天龄期的充填胶凝材料所拟合的二项式逐步回归函数模型为：
F28＝15.95-50.56·M3+62.86·M3·M3-13.11·M1·M3+4.07·M1·M4-43.02·M2·M4；
M1为石膏粉在胶凝材料中的占比，M2为钢渣粉在胶凝材料中的占比，M3为粉煤灰在胶凝材料中的占比，M4为矿渣粉在胶凝材料中的占比；
建立所述充填胶凝材料的成本优化模型；所述成本优化模型为：
Figure FDA0003840554080000013
其中，an为固体废料n的单价；
Figure FDA0003840554080000014
为设定单位充填胶凝材料中固体废料n的质量；
确定所述成本优化模型的约束条件，在所述约束条件中，所述函数模型满足所述充填胶凝材料的抗压强度要求值；所述约束条件为：
Figure FDA0003840554080000015
其中，
Figure FDA0003840554080000016
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比下限；
Figure FDA0003840554080000017
为第n种固体废料在充填胶凝材料中的占比上限；Fk为充填胶凝材料在标准条件下养护k龄期的抗压强度；Gk为k龄期抗压强度要求值；
其中，0.03≤M1≤0.2；0.04≤M2≤0.5；0.05≤M3≤0.5；0.2≤M4≤0.3；M1+M2+M3+M4＝1；F7≥0.8，F28≥3；
利用所述约束条件对所述成本优化模型求解，并获得满足所述抗压强度要求值且成本最小的所述充填胶凝材料的最优固体废料配比。
2.根据权利要求1所述的充填胶凝材料制备方法，其特征在于，不同地所述固体废料配比的所述充填胶凝材料采用均匀设计试验法进行抗压强度试验。
3.根据权利要求2所述的充填胶凝材料制备方法，其特征在于，所述抗压强度试验为无侧限抗压强度试验。
4.根据权利要求1所述的充填胶凝材料制备方法，其特征在于，所述成本优化模型通过遗传算法进行求解。
5.根据权利要求1所述的充填胶凝材料制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据获得的所述最优固体废料配比，利用所述函数模型计算不同龄期的所述充填胶凝材料的抗压强度。
6.根据权利要求1所述的充填胶凝材料制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据获得的所述最优固体废料配比配制出所述充填胶凝材料，并对配制出的所述充填胶凝材料进行抗压强度试验验证。
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