技術領域：
本發(fā)明屬于充填采礦技術領域，具體涉及一種低成本早強膠凝材料配比決策方法。
背景技術：
充填法采礦能夠?qū)U渣、廢石、尾砂、廢水等廢棄物回填到地下采場，有效控制采場地壓和避免地表塌陷；同時還減少廢棄物排放，實現(xiàn)無廢或少廢綠色開發(fā)與資源綜合利用，從而保護環(huán)境和防治地質(zhì)災害。與其他采礦方法相比，充填法采礦回采工藝復雜、采礦生產(chǎn)能力低，經(jīng)濟效益差。通常用于有色或貴金屬礦體開采。隨著我國面臨越來越多的復雜難采礦體以及環(huán)保日趨嚴格，不僅有色貴礦體充填法開采逐步普及，充填法在大型鐵礦、煤礦等低價值礦體的開采中也得到越來越廣泛應用。
復雜難采礦體采用下向分層進路膠結充填法開采，在充填體假頂下安全作業(yè)，因此要求膠結充填體整體穩(wěn)定高，并對早期強度提出較高要求。目前充填采礦主要以水泥作為膠凝材料，以棒磨砂或尾砂等作為充填骨料，因此充填采礦成本高，經(jīng)濟效益差。同時，采選冶工程排放出大量廢石、尾砂、廢渣堆放；不僅污染環(huán)境，而且還造成二次資源浪費。水泥生產(chǎn)過程中排放出大量的co2，是造成霧霾天氣的因素之一。
技術實現(xiàn)要素：
針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種低成本早強膠凝材料配比決策方法，該方法利用冶煉廢渣開發(fā)膠凝材料，充填體的早期強度能夠得到保證，提高了固體廢棄物在充填采礦中資源化應用，降低采礦成本，提高采礦經(jīng)濟效益。
上述目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的：
一種低成本早強膠凝材料配比決策方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
(1)針對低活性冶金渣，選擇激發(fā)劑材料，開展各激發(fā)劑材料成分的膠結充填體28d強度正交試驗，根據(jù)正交試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體強度與復合激發(fā)劑配比的關系函數(shù)；根據(jù)下向分層進路式膠結充填采礦方法穩(wěn)定性要求，確定膠結充填體28d設計強度，以充填膠凝材料成本作為決策目標，以膠結充填體28d設計強度為約束條件，建立復合激發(fā)劑的配比的決策模型；求解復合激發(fā)劑的配比的決策模型，獲得復合激發(fā)劑的配比；
(2)選擇早強助磨劑材料，根據(jù)步驟(1)確定的激發(fā)劑的配比，開展各早強助磨劑材料成分和早強助磨劑添加量的膠結充填體3d強度和7d強度正交試驗，根據(jù)正交試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體3d、7d強度與早強助磨劑配比及添加量的函數(shù)關系；根據(jù)下向分層進路式膠結充填采礦方法穩(wěn)定性要求，確定膠結充填體3d和7d設計強度，以早強助磨劑材料成本作為決策目標，以膠結充填體3d和7d設計強度為約束條件，建立早強助磨劑配比與添加量的決策模型，獲得早強助磨劑的配比和添加量；
(3)根據(jù)步驟(1)確定的激發(fā)劑的配比，和步驟(2)確定的早強助磨劑的配比和添加量，開展不同比表面積及其對應的不同粉體細度的早強膠凝材料的膠結充填體3d、7d、28d強度試驗，根據(jù)試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體強度與膠凝材料比表面積的關系曲線；根據(jù)膠結充填體3d、7d、28d設計強度，確定早強膠凝材料的比表面積的最小值和粉體細度的最大值。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明的低成本早強膠凝材料配比決策方法利用冶煉廢渣開發(fā)膠凝材料，充填體的早期強度能夠得到保證，提高了固體廢棄物在充填采礦中資源化應用，降低了采礦成本，提高了采礦經(jīng)濟效益。
附圖說明
圖1為實施例的膠結充填體強度與膠凝材料比表面積的關系曲線。
具體實施方式
本發(fā)明的低成本早強膠凝材料配比決策方法包括以下步驟：
(1)針對低活性冶金渣，選擇激發(fā)劑材料，開展各激發(fā)劑材料成分的膠結充填體28d強度正交試驗，根據(jù)正交試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體強度與復合激發(fā)劑配比的關系函數(shù)；根據(jù)下向分層進路式膠結充填采礦方法穩(wěn)定性要求，確定膠結充填體28d設計強度，以充填膠凝材料成本作為決策目標，以膠結充填體28d設計強度為約束條件，建立復合激發(fā)劑的配比的決策模型；求解復合激發(fā)劑的配比的決策模型，獲得復合激發(fā)劑的配比；
(2)選擇早強助磨劑材料，根據(jù)步驟(1)確定的激發(fā)劑的配比，開展各早強助磨劑材料成分和早強助磨劑添加量的膠結充填體3d強度和7d強度正交試驗，根據(jù)正交試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體3d、7d強度與早強助磨劑配比及添加量的函數(shù)關系；根據(jù)下向分層進路式膠結充填采礦方法穩(wěn)定性要求，確定膠結充填體3d和7d設計強度，以早強助磨劑材料成本作為決策目標，以膠結充填體3d和7d設計強度為約束條件，建立早強助磨劑配比與添加量的決策模型，獲得早強助磨劑的配比和添加量；
(3)根據(jù)步驟(1)確定的激發(fā)劑的配比，和步驟(2)確定的早強助磨劑的配比和添加量，開展不同比表面積及其對應的不同粉體細度的早強膠凝材料的膠結充填體3d、7d、28d強度試驗，根據(jù)試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體強度與膠凝材料比表面積的關系曲線；根據(jù)膠結充填體3d、7d、28d設計強度，確定早強膠凝材料的比表面積的最小值和粉體細度的最大值。
下面用具體實施例對本發(fā)明進行進一步的解釋說明。
實施例1
(1)低活性冶金渣復合激發(fā)劑配比決策。選擇水泥熟料、脫硫石膏和硫酸鈉作為復合激發(fā)劑，開展膠結充填體28d強度正交試驗與配比決策。具體實施步驟如下：
①開展以下3個因素和3個水平的正交試驗：水泥熟料(添加量2％、3％、4％)、脫硫石膏(添加量4％、5％、6％)、硫酸鈉(添加量0％、0.5％、1.0％)，獲得9組復合激發(fā)劑正交方案的膠結充填體28d強度的試驗結果，{r28d}9×1；
②建立膠結充填體28d強度與復合激發(fā)劑配比的函數(shù)關系。根據(jù)膠結充填體強度正交試驗結果，采用多項式統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體28d強度與復合激發(fā)劑配比的關系函數(shù)：
r28d＝f28(x1，x2，x3)(1)
式中：r28d——膠結充填體28d抗壓強度，mpa；
f28(xi),(i＝1,2，3)——膠結充填體28d強度與復合激發(fā)劑配比的關系函數(shù)；
xi(i＝1,2，3)——水泥熟料、脫硫石膏和硫酸鈉的添加量，重量百分數(shù)。
③建立低活性冶金渣復合激發(fā)劑配比決策模型。根據(jù)下向分層進路式膠結充填采礦方法穩(wěn)定性要求，確定膠結充填體28d設計強度[r28d]。以充填膠凝材料成本作為決策目標，以膠結充填體設計強度作為約束條件，建立低活性冶金渣復合激發(fā)劑配比決策模型。
決策函數(shù)：
約束函數(shù)：
r28d＝f28(x1,x2,x3)＞[r28d]，(x1+x2+x3+x0＝100)(3)
式中：ct1——復合激發(fā)劑材料成本，元/t；
ci(i＝1,2，3)——水泥熟料、脫硫石膏和硫酸鈉激發(fā)劑成本，元/t；
c0，x0——分別為冶金渣材料成本(元/t)和礦渣添加量(重量百分數(shù))。
④求解膠凝材料復合激發(fā)劑配比決策模型。求解式2和3決策模型，獲得復合激發(fā)劑配方：水泥熟料3％，脫硫石膏5％，硫酸鈉1％和渣粉91％。
(2)低成本膠凝材料早強助磨劑配方開發(fā)。具體實施步驟如下：
①選擇早強助磨劑材料。選擇多元醇及三乙醇胺和工業(yè)鹽和自來水作為早強助磨劑材料。
②開展早強助磨劑配比正交試驗。選擇多元醇、三乙醇胺、工業(yè)鹽和助磨劑添加量4因素，進行3水平的早強助磨劑配比正交設計：多元醇的水平為40％、42％、44％，三乙醇胺的水平4％、6％、8％，工業(yè)鹽的水平為12％、14％、16％，助磨劑添加量的三個水平為0.05％、0.10％、0.15％，將獲得9組配方的早強助磨劑添加到低活性冶金渣中粉磨。在步驟(1)中獲得復合激發(fā)劑配方的基礎上，開展膠結充填體早期強度試驗，由此獲得膠結充填體3d和7d強度試驗結果，{r3d，r7d}9×2；
③建立膠結充填體早期強度與早強助磨劑配比決策模型。根據(jù)添加早強助磨的膠凝材料膠結充填體早強試驗結果，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立膠結充填體3d、7d強度與早強助磨劑配比的函數(shù)關系；
r3d＝f3(y1，y2，y3，y4)(4)
r7d＝f7(y1，y2，y3，y4)(5)
④建立低成本膠凝材料早強助磨劑配比與摻量決策模型。以低成本膠凝材料早強助磨劑材料成本作為決策目標，以下向分層進路式膠結充填采礦方法早期強度設計值[r3d]、[r7d]作為約束條件，建立早強助磨劑配比與摻量的決策模型：
決策函數(shù)：
約束條件：
r3d＝f3(y1,y2,y3,y4)＞[r3d](7)
r7d＝f7(y1,y2,y3,y4)＞[r7d]，(y1+y2+y3+y0＝100)(8)
式中：ct2——早強助磨劑材料成本，元；
di(i＝1,2，3)——多元醇、三乙醇胺、工業(yè)鹽成本，元/t；
yi(i＝1,2，3)——多元醇、三乙醇胺、工業(yè)鹽添量，重量百分數(shù)；
y0——早強助磨劑的自來水添加量，重量百分數(shù)；
y4——膠凝材料中的早強助磨劑添加量，重量百分數(shù)；
d0——自來水成本，元/t。
⑤求解低成本膠凝材料早強助磨劑配比與摻量決策模型。求解式(6)-(8)決策模型，獲得膠結充填體3d、7d強度的膠凝材料早強助磨劑配方和添加量分別為：三乙醇胺6％，多元醇40％，工業(yè)鹽12％，早強助磨劑的添加量為0.15％。
(3)低成本早強充填膠凝材料粉體細度決策。其具體實施步驟如下：
①不同粉體細度的膠凝材料生產(chǎn)。采用步驟(1)和步驟(2)獲得的膠凝材料激發(fā)劑配方和早強助磨劑配方進行低成本早強膠凝材料生產(chǎn)，獲得的早強膠凝材料的比表面積ak(k＝1,2,3)分別為450m2/kg、500m2/kg、550m2/kg，相應的粉體細度pk(k＝1,2,3)(45μm篩余量)分別為3％、1％、0％。
②膠結充填體強度試驗。根據(jù)三種比表面積的充填膠凝材料，進行相同膠砂比和水膠比的膠結充填體3d、7d、28d抗壓強度試驗，獲得膠結充填體強度試驗結果，rij(i＝1,2,3、j＝1,2,3)對應膠凝材料比表面積分別為450m2/kg、500m2/kg、550m2/kg和粉體細度分別為3％、1％、0％的膠結充填體3d、7d、28d強度。
③低成本早強充填膠凝材料比表面積確定。3種齡期膠結體強度與膠凝材料粉體細度的關系如圖1所示。根據(jù)下向分層進路膠結充填采礦法膠結充填體設計強度，確定早強膠凝材料的比表面積的最小值aop和粉體細度的最大值pop。
aop≥max(a3d，a7d，a28d)，pop≤min(p3d，p7d，p28d)
由此，獲得了低成本早強膠凝材料的激發(fā)劑配方、早強助磨劑配方及添加量、以及膠凝材料比表面積及粉體細度的決策。