闫其盼 吴爱祥 王贻明 李 涛 陈 勋 张友志

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

某矿8 号矿体的矿体形态在剖面上呈层状和似层状，平面上为透镜状，纵投影呈条带状向南西侧伏。矿体水平厚度2.5 ～18.8 m，平均9.93 m。矿体沿走向和倾斜方向都较稳定，属于产状、形态都较稳定的矿体。依据8 号矿体的矿床开采技术条件，决定采用上向分层充填采矿法进行开采。根据采场充填体的强度要求，对于上向分层进路式充填法而言，不同的充填体深度内，充填体的强度要求不一样［1］。充填体表面1.0 m 以内，充填体的14 d 强度R14在0.38 ～0.98 MPa，而1.0 m 以下可以低于0.38 MPa。同时考虑在爆破条件下能确保充填体的稳定性，设计其静载抗压强度为σv≥1.2 MPa［2-4］。

充填强度设计及其配合比优化是充填工艺的主要研究内容［5］。设计强度过低，则充填体不能对地压活动进行有效控制;设计强度过高，又会加大水泥等胶结材料的掺入量，造成不必要的浪费。上向分层进路式充填法对充填体的早期强度要求较高［6］，为获取技术经济较为合理的充填配合比，利用均匀试验设计法设计，对膏体的流动特性及强度特征进行试验研究，考察浓度、尾库比、砂灰比和添加剂硫化钠添加量对充填体强度及凝结性能的影响，寻求最优的充填配比。

1 试验材料和方法

试验材料包括昭通水泥，全尾砂，库存尾砂，添加剂硫化钠。

将全尾砂和库存尾砂烘干待用，运用四因素三水平的均匀设计方法研究充填料浆浓度、尾库比(全尾矿与库存尾砂用量比)、砂灰比和添加剂硫化钠添加量对膏体性能的影响，每个因素各取3 个水平，采用正交表L9(34)安排试验，寻求达到不同强度的新型膏体充填配比。试验因素水平设计见表1。

表1 试验因素水平Table 1 Testing factors

2 试验结果

试验结果列于表2。

表2 试验方案及结果Table 2 Testing design and record

对表2 的试验结果进行极差分析，结果见表3。

表3 极差分析结果Table 3 Range analysis of various factors

3 试验结果分析

3.1 凝结时间分析

由凝结时间的极差分析可知:对于凝结时间这一指标，各因素对其影响程度大小依次为砂灰比、硫化钠添加量、浓度和尾库比。水泥的水化反应及硫化物均可大幅缩短料浆的凝结时间［7-10］。从不同浓度、不同硫化钠掺量、不同砂灰比及尾库比膏体凝结时间看，膏体的凝结时间均能满足现场生产的需求。

3.2 强度分析

3.2.1 R7强度分析

对R7强度进行计算分析可知:对于R7强度这一指标，各因素对其影响程度大小依次为砂灰比、浓度、硫化钠添加量和尾库比。从极差分析结果看，尾库比和硫化钠添加量对R7强度的影响甚小，基本可以忽略，故将其作为空白列进行方差分析，结果见表4。

表4 关于R7 的方差分析结果Table 4 Results of variance analysis about R7

由表4 方差分析结果可以看出，浓度与砂灰比对于膏体7 d 强度的影响是显著的。尤其是砂灰比对膏体早期强度的影响高度显著，表明与早期强度关联性最大。因此，为保证膏体强度，应尽力降低砂灰比，即提高水泥用量。同时，为了避免膏体料浆在输送过程中产生分层离析现象，影响强度的发展，应尽量提高膏体浓度［11］。

当硫化钠掺量为0.4%和0.6%时，主要因素砂灰比和浓度对7 d 强度的关联性分析见图1、图2。

根据图1、图2 的关联性分析，现场不同部位充填体强度要求，同时综合考虑充填成本，7 d 强度要求达到1.0 MPa 时，在0.4%硫化钠掺量下，砂灰比宜为7 ∶1，膏体浓度为77%，尾库比为7 ∶1;0.6%硫化钠掺量下，砂灰比宜为8 ∶1，膏体浓度为76.5%，尾库比为7 ∶1。7 d 强度要求达到0.72 MPa 时，0.4%硫化钠掺量下，砂灰比宜为9 ∶1，膏体浓度为76%，尾库比为7 ∶1;0.6%硫化钠掺量下，砂灰比宜为10 ∶1，膏体浓度为75.5%，尾库比为7 ∶1。

3.2.2 R14强度分析

对R14强度进行计算分析可知:对于R14强度这一指标，各因素对其影响程度大小依次为砂灰比、尾库比、硫化钠添加量和浓度。从极差分析结果看，浓度和硫化钠添加量对R14强度的影响甚小，基本可以忽略，故将其作为空白列进行方差分析，结果见表5。

图1 砂灰比与7 d 强度关系Fig.1 Relationship between R7 strength and different aggregate-to-cement ratio

图2 浓度与7 d 强度关系Fig.2 Relationship between R7 strength and different concentration

由表5 方差分析结果可以看出:尾库比对于膏体14 d 强度的影响不显著;砂灰比对于膏体14 d 强度的影响是显著的，而且砂灰比对膏体中期强度的影响高度显著，表明砂灰比与中期强度关联性最大，即砂灰比对膏体中期强度的影响最大。

表5 关于R14的方差分析结果Table 5 Results of variance analysis about R14

3.2.3 R28强度分析

对R28强度进行计算分析可知:对于R28强度这一指标，各因素对其影响程度大小依次为砂灰比、浓度、尾库比和硫化钠添加量。从极差分析结果看，尾库比和硫化钠添加量对后期R28强度的影响甚小，将其作为空白列进行方差分析，结果见表6。

表6 关于R28的方差分析结果Table 6 Results of variance analysis about R28

由表6 方差分析结果可以看出:浓度对于膏体28 d 强度的影响是不显著的;砂灰比对于膏体28 d强度的影响是显著的，而且砂灰比对膏体后期强度的影响高度显著［12］，表明砂灰比与后期强度关联性最大，即此时砂灰比对膏体后期强度影响最大。

4 结 论

(1)从不同浓度、不同硫化钠掺量、不同砂灰比及尾库比膏体凝结时间看，膏体的凝结时间均满足现场生产的需求。故缩短采充周期，提高矿石采出量，应从强度是否达到采矿要求的角度重点分析。

(2)膏体强度主要受灰砂比影响，对于前期强度，硫化钠添加量是强度的次要影响因素;对于中期强度，尾库比是强度的次要影响因素。

(3)根据采场充填体强度要求，同时综合考虑充填成本，当硫化钠添加量为0.4%时，灰砂比宜为1 ∶8，尾库比为8 ∶1，浓度控制在77%，当硫化钠添加量为0.6%时，灰砂比宜为1 ∶9，尾库比为8 ∶1，浓度控制在76%。该结果为充填工艺的制定提供了理论依据。

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