基于DPS优化分析的矸石膏体充填材料配比试验研究.pdf
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1、收稿日期:作者简介:李超(),男,陕西西安人,硕士,工程师,现从事矿业工程新材料技术与管理方面的工作。基于 优化分析的矸石膏体充填材料配比试验研究李超,何军,卫琛浩,唐仁龙,田创,李茂庆(陕西煤业化工技术研究院有限公司,陕西 西安 ;榆林市榆阳区常兴煤矿,陕西 榆林 ;西安科技大学 能源学院,陕西 西安 )摘要:为探明因素交互作用对矸石膏体充填材料强度特性的影响,以矸石耗量、水泥耗量、粉煤灰耗量和级配 指数为自变量影响因子,不同养护龄期的充填体单轴抗压强度为目标值,采用均匀试验设计方法进行试验,采用 算法对试验平均值进行网格化处理,使用 软件对试验结果进行三维可视化分析,通过 分析系统对试验结
2、果进行多元回归分析,最终得出满足工程需要的最优配比。研究表明,充填体强度与养护龄期、粉煤灰耗量、水泥耗量均表现出正相关关系。不同水平的充填体强度与骨料颗粒级配 指数 的拟合结果均为二项分布,并均在 附近取得最大值。最优配比为当 指数 取 ,矸石 粉煤灰 水泥 ,固体质量浓度为 ,此时的单轴抗压强度可以满足充填开采基本要求。回归分析方程的预测值与实测值接近,证实所建模型精度高、可靠性强,研究结果为充填材料配比优化设计提供一种新的方法。关键词:充填材料;膏体充填;矸石级配;抗压强度;多目标优化中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,第 期李超何军卫琛浩等基于 优化分析的矸石膏体充
3、填材料配比试验研究 :;引言建设绿色矿山、发展绿色矿业成为中国矿业界共同的行为纲领和发展目标 。充填采矿法作为一种资源回收率高,矿石损失贫化率低的绿色采矿方法 ,将矸石等固体废弃物充填至采空区既可有效解决矸石地面堆积、环境污染难题,又可支撑采场围岩,控制围岩变形和顶板沉陷从而实现煤炭绿色开采 。然而充填料浆的配比直接决定充填体的强度和充填成本,因此合理的充填配比是提高矿山经济效益和环境效益的关键。国内外学者针对充填材料配比及充填体强度开展了大量研究。等 基于试验方法研究充填工艺及材料配比对充填体强度的影响。等 对 的配比进行研究,明确水含量是影响 凝结时间和强度发展的主要因素。周科平 将灰色理
4、论应用于充填配比的优化。张钦礼等 基于 神经网络方法建立充填体强度检验模型。韩斌等 基于正交试验对充填料浆配比进行研究。高谦等 基于响应面法研究固体质量分数、胶砂比、混合骨料配比对于充填体强度的影响规律。温震江等 基于多目标模糊综合评判的方法优化充填体配比。数据处理系统是集数值计算、统计分析、模型模拟以及画线制表等功能为一体的数据处理工作平台,与国内外同类专业统计分析软件系统相比,系统具有操作简便,功能齐全,易于掌握等优点。于洋等 基于 分析系统研究厚朴提取物对葡萄座腔菌、细交链孢菌、污斑拟盘多毛孢菌及香蕉褐缘灰病菌 种病原真菌的抑制作用。孟艺玮等 基于 分析系统研究玉米秸秆板的保温性能。上述
5、研究结果一定程度上推动了矿山充填材料的发展,对胶结充填材料配比优化的探索取得重大进步,但未见基于 分析系统进行充填材料配比优化研究的相关内容。在现有研究的基础上通过均匀试验设计方法研究矸石耗量、水泥耗量、粉煤灰耗量和级配 指数等因素对于充填体不同养护龄期的强度的影响规律及各因素交互作用对充填体强度的影响,并通过 分析系统优化分析确定最优配比。矸石充填配比试验设计方法及方案 试验设计方法本次矸石充填配比试验采用均匀试验设计,均匀试验设计是根据数论在多维数值积分中的应用原理,构造的一套均匀设计表,用来进行均匀试验设计,其相比于全面试验和正交试验具有试验量少、精度高、预测性好等优点 。比如 因素 水
6、平即 试验,如果进行全面试验需做 次试验,利用正交表 ()安排试验至少要做 次试验,但用均匀设计表()安排试验,只需做 次试验即可。因此,对于试验因素较多,特别是对于因素的水平多而又希望试验次数少的试验,对于筛选因素或收缩试验范围进行逐步择优的场合或对于复杂数学试验的择优计算等,均匀试验设计是非常有效的试验设计方法。骨料粒径组成分析为了探讨矸石颗粒粒径分布对膏体充填体力学特性和结构性能的影响,并获得最佳矸石颗粒粒径分布,需要对不同质量比 的矸石膏体充填体试样进行试验。这样就需要制作极大量级的矸石膏体充填体试样,且需要在七维空间(、)中搜索试样力学强度的最优值,由此造成维数灾难,为了克服这一困难
7、采用 级配理论描述矸石颗粒的粒径分布。级配理论简单便捷可用于解决粒径连续分布而导致的数据空间维数过大问题 。根据 级配理论,试样中粒径的矸石颗粒质量与总质量 的比值 为 ()()式中,为矸石颗粒的最大粒径;为级配 指数。根据式(),粒径介于(,)区间的矸石颗粒质量 为 ()()()根据式()可以得到不同级配 指数各粒径区间骨料颗粒的质量。所有骨料颗粒均按照表 配制。在图 给出的骨料颗粒质量分布中,可以发现级配 指数越小的骨料颗粒所含有的小颗粒含陕西煤炭 年量越多,对应的大颗粒含量则越少。表 不同级配 指数各粒径区间矸石的质量 各粒径区间骨料矸石的质量?图 不同级配 指数各粒径区间矸石的质量 试
8、验方案设计以曹家滩煤矿矸石、华电电厂粉煤灰和 普通硅酸盐水泥做试验原材料,制备具有一定强度的充填膏体。为了得到最优配比,考察了矸石耗量()、水泥耗量()、粉煤灰耗量()和级配 指数 共 个因素。根据试验原材料的性能,结合参考文献和相关试验经验,设置 个试验水平,见表 。表 配比试验因素水平表 水平矸石耗量()粉煤灰耗量()水泥耗量()级配 指数 试验结果分析 单轴抗压强度结果分析养护龄期在 、和 时,其对应的第 水平矸石膏体充填体单轴抗压强度如图 所示。结果表明:随着养护龄期的增加,矸石膏体充填体的单轴抗压强度均呈递增趋势。这是由于养护时间增加,充填材料内部水化反应及火山灰反应过程中的毛细孔减
9、少(毛细孔是孔隙水不断消耗、自身蒸发而遗留的空间),凝胶孔增多(凝胶孔是反应生成物 凝胶和钙矾石结构内的空间,孔径较小),总体孔隙率呈下降趋势,使得充填体结合更加紧密 ,抗压强度明显增加。在不同的养护期内,第 水平的单轴抗压强度结果均表现最好,同时,第 水平较第 、水平结果表现好、第 水平较第 、水平结果表现好,这与第 、水平粉煤灰耗量和水泥耗量有关,粉煤灰耗量和水泥耗量越大其对应的水化反应和火山灰反应产物就越多,使得更多的微孔隙被填充,外在表现就是抗压强度的增加。在水泥耗量相同时,其他因素对试件各龄期的单轴抗压强度影响也较大,如水泥耗量相同的第、水平,第 、水平试件养护 单轴抗压强度均小于
10、,第 水平养护 单轴抗压强度为 。这是由于随着 的增加粗颗粒矸石的含量增加,在其强度发育过程中可以形成完善的支撑网络体系,从而使得强度增加,见表 。煤矸石颗粒集配优化分析胶结材料含量的增大必然强化材料的粘结特性和内摩擦特性。需要关注的是骨料颗粒粒径分布对胶结充填材料粘结特性和内摩擦特性的影响,不同粒径骨料颗粒的空间分布不会影响胶结材料的水化过程,这不涉及到任何化学因素,也不会影响水化产第 期李超何军卫琛浩等基于 优化分析的矸石膏体充填材料配比试验研究?图 试件单轴抗压强度试验 物的总量。表 试件单轴抗压强度试验结果 水平单轴抗压强度 养护时间 养护时间 养护时间 养护时间 第 、水平骨料颗粒级
11、配 指数分别为 、,由于这 个水平的水泥耗量及矸石耗量相同,对这 组试件养护 单轴抗压强度试验结果进行骨料颗粒级配 指数分布拟合,拟合方程为 ()拟合方程的复相关系数 ,决定系数 ,复合相关系数和决定系数均大于 ,为有效拟合。第 、水平骨料颗粒级配 指数分布拟合结果如图 所示,其分布为开口向下的二项分布,在级配 指数取 处取到最大值。第 、水平骨料颗粒级配 指数分别为 、,由于这 个水平的水泥耗量及矸石耗量相同,对这 组试件养护 单轴抗压强度试验结果进行骨料颗粒级配 指数分布拟合,拟合方程为 ()拟合方程的复相关系数 ,决定系数 ,复合相关系数大于 ,决定系数大于 ,为有效拟合。第 、水平骨料
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