混合骨料级配优化及料浆离析研究

混合骨料级配优化及料浆离析研究

废石、尾砂等固体残渣是矿山废物的重要组成部分。为了降低矿山充填采矿成本,金川公司利用废石与棒磨砂或戈壁集料进行混合作为充填骨料进行下向分层胶结充填法采矿,不仅提高了充填体强度,满足下向分层充填的要求1混合骨料三级设计理论1.1混凝土骨料在矿山充填领域,粗骨料的界定从混凝土领域借鉴而来,根据美国材料与试验协会(ASTM)对混凝土骨料的划分:粗骨料为粒径大于4.750mm的骨料,粉料为粒径小于0.074mm的骨料1.2等级配置的设计理论混合骨料级配应采用连续粒级才能达到较大密实度,因此,基于Wey-Mouth的粒子干涉理论,通过计算次粒级的实积率来设计骨料连续级配1.3粒径概率密度函数法为了研究混合骨料级配对充填料浆离析的影响,采用平均粒径和粒径分散系数2个级配参数表示骨料级配式中:F(x)为骨料粒径为x的通过率,%;D对粒径分布函数F(x)进行求导,得到混合骨料的粒径概率密度函数f(x)。根据混合骨料的粒径分布函数可以求出任意区间内骨料的粒径分布情况设整个体系骨料的平均粒径为xˉ:则该体系骨料粒径分散系数ε为基于式(3)和式(4),粒径分散系数ε可表示为根据式(3)～(5)可知,平均粒径和粒径分散系数这2个参数由各粒径骨料综合确定,适合表征骨料体系的级配组成状态。2混合骨料的物理分析与制备2.1充填材料的破碎与棒磨工艺金川矿山充填主要采用废石和棒磨砂的混合骨料,其中,废石主要是在采准和采矿过程中产生,并被破碎至最大粒径为12mm左右的混合料;棒磨砂是将戈壁鹅卵石经过破碎和棒磨工艺制成的最大粒径为5mm的骨料。2种充填骨料的物理参数和化学成分分别如表1和表2所示。由表2可以看出:棒磨砂和废石化学成分有明显的差别,废石的化学成分更加复杂,但主要都是由SiO2.2充填骨料粒径分布骨料级配是影响充填效果的重要因素之一。泰波级配理论将粒径不大于d的骨料的质量分数表述成以下形式式中:P为粒径x的骨料的通过率,%;n为级配指数。根据式(6)分别对棒磨砂和废石2种骨料粒径分布进行拟合,结果如图1所示。由图1可知,废石骨料级配指数n=0.6199,大于理想状态的Fuller级配指数n=0.5,说明废石中粗颗粒含量偏高,若不掺加一定量的细颗粒改善级配,则在高浓度充填时容易发生沉降离析;而棒磨砂级配指数n=0.3072,相对于理想状态的Fuller级配指数n=0.5偏小,说明棒磨砂细颗粒偏多,不添加一定量的粗骨料很难形成充填骨架,进而影响充填体强度。2.3废石粗骨料质量分数对混合骨料堆积虚实度的影响单独使用废石和棒磨砂骨料很难满足矿山对充填体强度和料浆流动性的要求,因此,需要将2种骨料按照一定的配比混合以改善充填级配,增大骨料堆积密实度,在保证强度的前提下,降低胶凝材料用量可降低充填成本。根据2种骨料的堆积密实度试验确定骨料配比,试验设计了11种配比试验,分别测定不同配比的混合骨料的密度ρ和松散密度γ,再根据式(7)得出混合骨料的堆积密实度Φ:2种骨料的堆积密实度模型函数按式(8)分别计算不同配比情况下混合骨料的理论堆积密实度,结果如图2所示。由图2可知,当废石粗骨料质量分数w<70%时,混合骨料堆积密实度随w增加而增大,此时,废石粗骨料构成“骨架”结构,而细骨料棒磨砂主要起填充空隙的作用;当w=70%时,混合骨料堆积密实度的理论值和实测值均达到最大,这是因为在该配比时满足棒磨砂细骨料恰好能将废石粗骨料形成的“骨架”空隙填满,使得混合骨料最密实;当w>70%时,混合骨料堆积密实度随w增加而减小,这是由于随着废石粗骨料质量分数的增加,棒磨砂质量分数减少不足以填充废石形成的“骨架”结构,加之粗骨料之间的“边壁效应”进一步阻碍细骨料的填隙,故而使得混合骨料堆积密实度越来越小。因此,为了减少物料种类对离析试验的影响,根据级配设计理论确定采用堆积密实度最大时的废石和棒磨砂配比,即废石与棒磨砂质量比为3:7来进行混合骨料配制、级配参数计算和充填料浆离析试验。3混合骨料和填充料浆的离析试验3.1充填材料稳定性检测试验主要是借助拌合物稳定性跳桌试验来测试不同级配的混合骨料料浆的离析情况,通过配制不同级配的混合骨料,将其与胶凝材料混合搅拌均匀倒入平均分成上、中、下3层的稳定性检测筒中,然后将筒放在跳桌上振动,振动完成后,分别取出每层的粗骨料进行清洗,待烘干后称质量,然后通过计算得到充填料浆的离析率。3.2充填粗骨料的配制试验材料主要包括废石、棒磨砂和胶凝材料,其中废石和棒磨砂按质量比7:3配制成混合骨料,并且采用标准筛分别配制最大粒径为9.5mm和12.0mm的混合粗骨料;胶凝材料选用由北京科技大学开发、甘肃金昌熙金节能建材有限公司生产的“固结粉”新型充填胶凝材料。3.3试验计划3.3.1表征参数选取为了更好地发挥骨料间的填充作用,以WeyMouth的粒子干涉理论为基础,通过控制次级粒径骨料的实积率来配制以12.0mm为最大粒径的5种级配以及以9.5mm为最大粒径的3种级配。最大粒径12.0mm的5种级配,选取其中一种作为标准实积率,编号Z根据表3,结合式(1)拟合各个级配的粒径分布曲线,可以得到相应的粒径分布函数F(x),进而可以得到粒径概率密度函数f(x),然后根据式(3)～(5)计算各个级配的表征参数平均粒径xˉ和粒径分散系数ε。计算结果见表4。3.3.2离析率测试根据跳桌稳定性试验测得上、中、下3层骨料粒径大于4.75mm的粗骨料的质量,然后根据式(9)计算混合骨料离析率S:式中:m3.3.3粗骨料屈服应力测试屈服应力是表征料浆稳定性的重要指标,与骨料的级配以及料浆离析性有关,如果骨料级配不良,无法实现最大密实度,那么料浆中的粗骨料就容易发生沉降,离析率大,相应的屈服应力反而较小当胶砂比为1:4和料浆质量分数为78%时,采用BrookfieldR/Splus型浆式流变仪测试料浆屈服应力,根据剪切速率-剪切应力曲线获得料浆屈服应力。料浆离析率及屈服应力试验结果如表5所示。4试验结果的分析4.1料浆屈服应力料浆离析率与屈服应力关系如图3所示,其回归方程为式中:X为料浆屈服应力,Pa;相关系数R对于高浓度充填料浆而言,不可能完全不发生离析,根据自密实混凝土离析率的规定,离析率不宜大于10%4.2充填料浆离析率影响因素的回归分析基于统计学基本原理建立的平均粒径和粒径分散系数能够很好地表征骨料级配情况,为了探究混合骨料级配对料浆离析的影响,需要建立骨料级配参数与离析率之间的关系。平均粒径与料浆离析率的关系如图4所示,其回归方程如下:式中:同样,结合表2和表3数据进行回归分析,建立平均粒径、粒径分散系数和离析率三者之间的关系,得出其回归方程为式中:ε为粒径分散系数;相关系数R²=0.9656。根据上述回归方程可知:随着平均粒径增大和粒径分散系数减小,充填料浆离析率增大。为了探究骨料级配对料浆离析的影响,必须对其进行定量分析,找出能够满足高浓度自流输送的条件的骨料平均粒径以及粒径分散系数,因此,根据粒径表征参数和料浆的离析率范围16.76%～21.55%,可以得出满足高浓度自流输送条件的平均粒径为4.99～5.39mm,粒径分散系数为1.42～1.45。5混合骨料优化设计验证实验5.1试验骨料级配选用金川矿山充填材料即最大粒径为13.2mm的废石与棒磨砂混合骨料以及固结粉胶凝材料进行验证试验。试验骨料级配Y如表6所示。根据各级粒径通过率进行拟合,并结合式(3)～(5)计算可得出级配Y骨料的平均粒径为5.41mm,粒径分散系数为1.40,不满足合理范围,因此,需要对级配进行调整。根据Fuller公式并结合上文拟合粒径分布曲线结果可知:N可取0.46和0.49,M近似为100,据此调整后级配T5.2分辨率测定和结果采用Y,T6废石、棒砂级配与料浆质量分数对离析率的影响1)以Wey-Mouth的粒子干涉理论为基础设计骨料连续级配,基于Fuller公式对设计的骨料级配进行函数拟合,以此建立骨料的粒径连续分布模型,采用统计学基本原理建立的平均粒径和粒径分散系数能够很好地表征骨料级配情况。2)单独使用废石和棒磨砂骨料很难满足矿山对充填体强度和料浆流动性的要求,废石和棒磨砂合理质量比为7:3。3)以屈服应力50～60Pa为约束条件时,满足金川矿山高浓度自流输