混合骨料級配優(yōu)化及料漿離析研究

混合骨料級配優(yōu)化及料漿離析研究

廢石、尾砂等固體殘渣是礦山廢物的重要組成部分。為了降低礦山充填采礦成本,金川公司利用廢石與棒磨砂或戈壁集料進(jìn)行混合作為充填骨料進(jìn)行下向分層膠結(jié)充填法采礦,不僅提高了充填體強(qiáng)度,滿足下向分層充填的要求1混合骨料三級設(shè)計理論1.1混凝土骨料在礦山充填領(lǐng)域,粗骨料的界定從混凝土領(lǐng)域借鑒而來,根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)對混凝土骨料的劃分:粗骨料為粒徑大于4.750mm的骨料,粉料為粒徑小于0.074mm的骨料1.2等級配置的設(shè)計理論混合骨料級配應(yīng)采用連續(xù)粒級才能達(dá)到較大密實度,因此,基于Wey-Mouth的粒子干涉理論,通過計算次粒級的實積率來設(shè)計骨料連續(xù)級配1.3粒徑概率密度函數(shù)法為了研究混合骨料級配對充填料漿離析的影響,采用平均粒徑和粒徑分散系數(shù)2個級配參數(shù)表示骨料級配式中:F(x)為骨料粒徑為x的通過率,%;D對粒徑分布函數(shù)F(x)進(jìn)行求導(dǎo),得到混合骨料的粒徑概率密度函數(shù)f(x)。根據(jù)混合骨料的粒徑分布函數(shù)可以求出任意區(qū)間內(nèi)骨料的粒徑分布情況設(shè)整個體系骨料的平均粒徑為xˉ:則該體系骨料粒徑分散系數(shù)ε為基于式(3)和式(4),粒徑分散系數(shù)ε可表示為根據(jù)式(3)～(5)可知,平均粒徑和粒徑分散系數(shù)這2個參數(shù)由各粒徑骨料綜合確定,適合表征骨料體系的級配組成狀態(tài)。2混合骨料的物理分析與制備2.1充填材料的破碎與棒磨工藝金川礦山充填主要采用廢石和棒磨砂的混合骨料,其中,廢石主要是在采準(zhǔn)和采礦過程中產(chǎn)生,并被破碎至最大粒徑為12mm左右的混合料;棒磨砂是將戈壁鵝卵石經(jīng)過破碎和棒磨工藝制成的最大粒徑為5mm的骨料。2種充填骨料的物理參數(shù)和化學(xué)成分分別如表1和表2所示。由表2可以看出:棒磨砂和廢石化學(xué)成分有明顯的差別,廢石的化學(xué)成分更加復(fù)雜,但主要都是由SiO2.2充填骨料粒徑分布骨料級配是影響充填效果的重要因素之一。泰波級配理論將粒徑不大于d的骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表述成以下形式式中:P為粒徑x的骨料的通過率,%;n為級配指數(shù)。根據(jù)式(6)分別對棒磨砂和廢石2種骨料粒徑分布進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,廢石骨料級配指數(shù)n=0.6199,大于理想狀態(tài)的Fuller級配指數(shù)n=0.5,說明廢石中粗顆粒含量偏高,若不摻加一定量的細(xì)顆粒改善級配,則在高濃度充填時容易發(fā)生沉降離析;而棒磨砂級配指數(shù)n=0.3072,相對于理想狀態(tài)的Fuller級配指數(shù)n=0.5偏小,說明棒磨砂細(xì)顆粒偏多,不添加一定量的粗骨料很難形成充填骨架,進(jìn)而影響充填體強(qiáng)度。2.3廢石粗骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混合骨料堆積虛實度的影響單獨(dú)使用廢石和棒磨砂骨料很難滿足礦山對充填體強(qiáng)度和料漿流動性的要求,因此,需要將2種骨料按照一定的配比混合以改善充填級配,增大骨料堆積密實度,在保證強(qiáng)度的前提下,降低膠凝材料用量可降低充填成本。根據(jù)2種骨料的堆積密實度試驗確定骨料配比,試驗設(shè)計了11種配比試驗,分別測定不同配比的混合骨料的密度ρ和松散密度γ,再根據(jù)式(7)得出混合骨料的堆積密實度Φ:2種骨料的堆積密實度模型函數(shù)按式(8)分別計算不同配比情況下混合骨料的理論堆積密實度,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)廢石粗骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)w<70%時,混合骨料堆積密實度隨w增加而增大,此時,廢石粗骨料構(gòu)成“骨架”結(jié)構(gòu),而細(xì)骨料棒磨砂主要起填充空隙的作用;當(dāng)w=70%時,混合骨料堆積密實度的理論值和實測值均達(dá)到最大,這是因為在該配比時滿足棒磨砂細(xì)骨料恰好能將廢石粗骨料形成的“骨架”空隙填滿,使得混合骨料最密實;當(dāng)w>70%時,混合骨料堆積密實度隨w增加而減小,這是由于隨著廢石粗骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,棒磨砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少不足以填充廢石形成的“骨架”結(jié)構(gòu),加之粗骨料之間的“邊壁效應(yīng)”進(jìn)一步阻礙細(xì)骨料的填隙,故而使得混合骨料堆積密實度越來越小。因此,為了減少物料種類對離析試驗的影響,根據(jù)級配設(shè)計理論確定采用堆積密實度最大時的廢石和棒磨砂配比,即廢石與棒磨砂質(zhì)量比為3:7來進(jìn)行混合骨料配制、級配參數(shù)計算和充填料漿離析試驗。3混合骨料和填充料漿的離析試驗3.1充填材料穩(wěn)定性檢測試驗主要是借助拌合物穩(wěn)定性跳桌試驗來測試不同級配的混合骨料料漿的離析情況,通過配制不同級配的混合骨料,將其與膠凝材料混合攪拌均勻倒入平均分成上、中、下3層的穩(wěn)定性檢測筒中,然后將筒放在跳桌上振動,振動完成后,分別取出每層的粗骨料進(jìn)行清洗,待烘干后稱質(zhì)量,然后通過計算得到充填料漿的離析率。3.2充填粗骨料的配制試驗材料主要包括廢石、棒磨砂和膠凝材料,其中廢石和棒磨砂按質(zhì)量比7:3配制成混合骨料,并且采用標(biāo)準(zhǔn)篩分別配制最大粒徑為9.5mm和12.0mm的混合粗骨料;膠凝材料選用由北京科技大學(xué)開發(fā)、甘肅金昌熙金節(jié)能建材有限公司生產(chǎn)的“固結(jié)粉”新型充填膠凝材料。3.3試驗計劃3.3.1表征參數(shù)選取為了更好地發(fā)揮骨料間的填充作用,以WeyMouth的粒子干涉理論為基礎(chǔ),通過控制次級粒徑骨料的實積率來配制以12.0mm為最大粒徑的5種級配以及以9.5mm為最大粒徑的3種級配。最大粒徑12.0mm的5種級配,選取其中一種作為標(biāo)準(zhǔn)實積率,編號Z根據(jù)表3,結(jié)合式(1)擬合各個級配的粒徑分布曲線,可以得到相應(yīng)的粒徑分布函數(shù)F(x),進(jìn)而可以得到粒徑概率密度函數(shù)f(x),然后根據(jù)式(3)～(5)計算各個級配的表征參數(shù)平均粒徑xˉ和粒徑分散系數(shù)ε。計算結(jié)果見表4。3.3.2離析率測試根據(jù)跳桌穩(wěn)定性試驗測得上、中、下3層骨料粒徑大于4.75mm的粗骨料的質(zhì)量,然后根據(jù)式(9)計算混合骨料離析率S:式中:m3.3.3粗骨料屈服應(yīng)力測試屈服應(yīng)力是表征料漿穩(wěn)定性的重要指標(biāo),與骨料的級配以及料漿離析性有關(guān),如果骨料級配不良,無法實現(xiàn)最大密實度,那么料漿中的粗骨料就容易發(fā)生沉降,離析率大,相應(yīng)的屈服應(yīng)力反而較小當(dāng)膠砂比為1:4和料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%時,采用BrookfieldR/Splus型漿式流變儀測試料漿屈服應(yīng)力,根據(jù)剪切速率-剪切應(yīng)力曲線獲得料漿屈服應(yīng)力。料漿離析率及屈服應(yīng)力試驗結(jié)果如表5所示。4試驗結(jié)果的分析4.1料漿屈服應(yīng)力料漿離析率與屈服應(yīng)力關(guān)系如圖3所示,其回歸方程為式中:X為料漿屈服應(yīng)力,Pa;相關(guān)系數(shù)R對于高濃度充填料漿而言,不可能完全不發(fā)生離析,根據(jù)自密實混凝土離析率的規(guī)定,離析率不宜大于10%4.2充填料漿離析率影響因素的回歸分析基于統(tǒng)計學(xué)基本原理建立的平均粒徑和粒徑分散系數(shù)能夠很好地表征骨料級配情況,為了探究混合骨料級配對料漿離析的影響,需要建立骨料級配參數(shù)與離析率之間的關(guān)系。平均粒徑與料漿離析率的關(guān)系如圖4所示,其回歸方程如下:式中:同樣,結(jié)合表2和表3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,建立平均粒徑、粒徑分散系數(shù)和離析率三者之間的關(guān)系,得出其回歸方程為式中:ε為粒徑分散系數(shù);相關(guān)系數(shù)R2=0.9656。根據(jù)上述回歸方程可知:隨著平均粒徑增大和粒徑分散系數(shù)減小,充填料漿離析率增大。為了探究骨料級配對料漿離析的影響,必須對其進(jìn)行定量分析,找出能夠滿足高濃度自流輸送的條件的骨料平均粒徑以及粒徑分散系數(shù),因此,根據(jù)粒徑表征參數(shù)和料漿的離析率范圍16.76%～21.55%,可以得出滿足高濃度自流輸送條件的平均粒徑為4.99～5.39mm,粒徑分散系數(shù)為1.42～1.45。5混合骨料優(yōu)化設(shè)計驗證實驗5.1試驗骨料級配選用金川礦山充填材料即最大粒徑為13.2mm的廢石與棒磨砂混合骨料以及固結(jié)粉膠凝材料進(jìn)行驗證試驗。試驗骨料級配Y如表6所示。根據(jù)各級粒徑通過率進(jìn)行擬合,并結(jié)合式(3)～(5)計算可得出級配Y骨料的平均粒徑為5.41mm,粒徑分散系數(shù)為1.40,不滿足合理范圍,因此,需要對級配進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)Fuller公式并結(jié)合上文擬合粒徑分布曲線結(jié)果可知:N可取0.46和0.49,M近似為100,據(jù)此調(diào)整后級配T5.2分辨率測定和結(jié)果采用Y,T6廢石、棒砂級配與料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對離析率的影響1)以Wey-Mouth的粒子干涉理論為基礎(chǔ)設(shè)計骨料連續(xù)級配,基于Fuller公式對設(shè)計的骨料級配進(jìn)行函數(shù)擬合,以此建立骨料的粒徑連續(xù)分布模型,采用統(tǒng)計學(xué)基本原理建立的平均粒徑和粒徑分散系數(shù)能夠很好地表征骨料級配情況。2)單獨(dú)使用廢石和棒磨砂骨料很難滿足礦山對充填體強(qiáng)度和料漿流動性的要求,廢石和棒磨砂合理質(zhì)量比為7:3。3)以屈服應(yīng)力50～60Pa為約束條件時,滿足金川礦山高濃度自流輸