[发明专利]赤泥固废在富水矿山充填采矿中利用优化设计方法

权利要求书

1.一种赤泥固废在富水矿山充填采矿中利用优化设计方法，以赤泥和粉煤灰作充填材料，普通硅酸盐水泥作激发剂，对充填材料潜在的活性激发形成胶结充填体，实现对赤泥稳定固化以及安全充填法采矿，具体实施步骤如下：

S1，利用赤泥、粉煤灰和水泥制备赤泥基充填材料，设计配比范围分别为：赤泥60％～70％、粉煤灰15％～25％、普通硅酸盐水泥15％～5％，采用自来水制备充填料浆的质量浓度为58％～62％；

S2，根据S1所述的赤泥基充填材料，选择充填料浆质量浓度以及赤泥、粉煤灰和水泥的掺量作为设计变量，基于4因素3水平进行充填料浆配比正交方案设计，确定充填料浆配比试验方案；

S3，根据S2所述的赤泥基充填料浆配比试验方案，采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三联模具制备充填体试块；按照水泥胶砂强度检验方法GB/T17671-1999进行胶结充填体强度试验，获取充填体试块7d和28d的单轴抗压强度；同时将充填体试块在水中养护28d后强度，与在标准养护下强度之比，定义胶结充填体的抗水稳定性系数，由此开展充填体抗水稳定性系数测试；

S4，根据S2所述的赤泥基充填材料配比试验方案制备充填体试块，在标准养护条件下养护28d后在水中浸泡48h，按照GB/T 6920水质pH值测定的玻璃电极法，获取充填体试块浸出液的pH值；同时采用压汞法对养护28d试块进行最大可几孔径测试，获取充填体试块的最大可几孔径测试数据；

S5，根据S3所述的赤泥基充填体试块抗压强度测试数据进行多项式逐步回归分析，建立充填体7d和28d强度模型为：

R_7d＝f₁(x₁，x₂，x₃，x₄)、R_28d＝f₂(x₁，x₂，x₃，x₄)；其中，R_7d、R_28d分别代表试块7d、28d单轴抗压强度，MPa；f₁(x₁，x₂，x₃，x₄)、f₂(x₁，x₂，x₃，x₄)分别代表充填体试块7d、28d强度模型；x₁，x₂，x₃，x₄分别代表赤泥基充填料浆浓度以及赤泥、粉煤灰和水泥的掺量；

S6，根据S3所述的赤泥基充填体试块抗水稳定性系数测试数据，进行多项式逐步回归分析，建立胶结充填体试块的抗水稳定性数学模型为：其中，代表养护28d充填体试块的抗水稳定性系数；f₃(x₁，x₂，x₃，x₄)代表养护28d充填体试块的抗水稳定性数学模型；

S7，根据S4所述的赤泥基充填体试块浸出液的pH值和最大可几孔径测试数据，进行多项式逐步回归分析，分别建立充填体试块浸出液pH值和最大可几孔径的数学模型分别为：

pH＝f₄(x₁，x₂，x₃，x₄)，其中，pH、分别代表赤泥基充填体试块养护28d后浸泡液的pH值和充填体试块最大可几孔径，nm；f₄(x₁，x₂，x₃，x₄)、f₅(x₁，x₂，x₃，x₄)分别代表养护28d充填体试块浸出液pH值和最大可几孔径的数学模型；

S8，根据S2所述的赤泥基充填料浆配比正交试验方案，以及赤泥、粉煤灰、水泥和水的利用成本，建立赤泥基充填料浆成本模型为：C_T＝f₆(x₁，x₂，x₃，x₄)；其中，C_T代表赤泥基充填料浆成本，元/m³，f₆(x₁，x₂，x₃，x₄)代表赤泥基充填料浆成本模型；

S9，根据S5-S8所述的模型，以赤泥基充填料浆成本作为优化目标，以充填体单轴抗压强度、充填体试块抗水稳定性、试块浸出液pH值以及最大可几孔径作为约束条件，建立赤泥基充填料浆配比的优化设计模型：

优化设计目标：MinC_T＝Min f₆(C、X)

充填采矿条件：R_7d＝f₁(x₁,x₂,x₃,x₄)≥[R_7d]

R_28d＝f₂(x₁,x₂,x₃,x₄)≥[R_28d]

稳定抗水条件：

浸出液碱度条件：pH＝f₄(x₁，x₂，x₃，x₄)≤[pH]

充填体孔径条件：其中，C_T代表赤泥基充填料浆的利用成本，元/m³；C＝[c₁,c₂,c₃,c₄]^T分别代表赤泥、粉煤灰、水泥和水的利用成本，元/t；

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T分别代表单位体积充填料浆中赤泥、粉煤灰、水泥和水的添加量，t；[R_7d]、[R_28d]分别代表充填体7d和28d设计强度；代表充填体抗水稳定性设计值。[pH]代表充填体试块浸出液pH设计值；代表充填体最大可几孔径的设计值；

S10，根据S9所述赤泥基充填料浆配比的优化设计模型，采用MATLAB数学工具，对该优化设计模型进行求解，由此获得赤泥在富水矿山充填采矿中利用的充填料浆的优化配比。

2.根据权利要求1所述的赤泥固废在富水矿山充填采矿中利用优化设计方法，其所涉及的充填材料以及制备充填料浆的方法在于：

Sa，赤泥含水率为25％～30％；粉煤灰含水率小于5％，比表面积为360～380m²/kg；激发剂为42.5或52.5普通硅酸盐水泥；制备料浆采用自来水；

Sb，按照赤泥掺量60％～70％、粉煤灰掺量15％～25％、水泥掺量5％～25％和充填料浆质量浓度为58％～62％，按照正交设计方案制备赤泥基充填料浆；采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三联模具制备充填体试块，按照GB/T17671-1999规范进行试块养护，然后分别进行充填体试块的单轴抗压强度、抗水稳定性系数、浸出液pH值以及最大可几孔径等参数测试；

Sc，根据Sb所述的充填体试块单轴抗压强度、抗水稳定性系数、浸出液的pH值以及最大可几孔径的测试数据，进行多项式逐步回归分析，建立充填体抗压强度、抗水稳定性、浸出液pH以及最大可几孔径的数学模型；

Sd，根据赤泥基充填料浆正交试验方案以及充填材料的利用成本，计算每一方案的赤泥基充填料浆成本，然后进行多项式逐步回归分析，由此建立赤泥基充填材料成本模型；

Se，根据Sc和Sd所述的模型，以单位体积充填料浆成本作为优化目标、以胶结充填体强度、抗水稳定性、浸泡液pH值以及最大可几孔径作为约束条件，建立赤泥基充填料浆的优化设计模型；

Sf，根据富水充填矿山采矿方法安全生产要求，确定不同采矿方法的胶结充填体设计强度分别：阶段嗣后充填采矿法[R_7d]≥1.0MPa、[R_28d]≥2.5MPa；上向分层充填采矿法[R_7d]≥1.5MPa、[R_28d]≥3.0MPa、[R_28d]≥5.0MPa；

Sg，根据富水充填矿山采矿技术条件以及动水压力，确定满足富水矿山充填法采矿安全生产的充填体抗水稳定性的设计值：

Sh，根据富水充填矿山采矿技术条件，确定满足地下水环保要求的胶结充填体养护28d试块的浸出液pH设计值：[pH]≤8；

Si，根据富水矿山充填采矿技术条件，确定满足胶结充填体渗透性要求的充填体试块最大可几孔径的设计值：一般条件为：中等条件为：较复杂条件为：极复杂条件为：