技术领域：
本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种低成本早强胶凝材料配比决策方法。
背景技术：
充填法采矿能够将废渣、废石、尾砂、废水等废弃物回填到地下采场，有效控制采场地压和避免地表塌陷；同时还减少废弃物排放，实现无废或少废绿色开发与资源综合利用，从而保护环境和防治地质灾害。与其他采矿方法相比，充填法采矿回采工艺复杂、采矿生产能力低，经济效益差。通常用于有色或贵金属矿体开采。随着我国面临越来越多的复杂难采矿体以及环保日趋严格，不仅有色贵矿体充填法开采逐步普及，充填法在大型铁矿、煤矿等低价值矿体的开采中也得到越来越广泛应用。
复杂难采矿体采用下向分层进路胶结充填法开采，在充填体假顶下安全作业，因此要求胶结充填体整体稳定高，并对早期强度提出较高要求。目前充填采矿主要以水泥作为胶凝材料，以棒磨砂或尾砂等作为充填骨料，因此充填采矿成本高，经济效益差。同时，采选冶工程排放出大量废石、尾砂、废渣堆放；不仅污染环境，而且还造成二次资源浪费。水泥生产过程中排放出大量的co2，是造成雾霾天气的因素之一。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种低成本早强胶凝材料配比决策方法，该方法利用冶炼废渣开发胶凝材料，充填体的早期强度能够得到保证，提高了固体废弃物在充填采矿中资源化应用，降低采矿成本，提高采矿经济效益。
上述目的是通过下述技术方案实现的：
一种低成本早强胶凝材料配比决策方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)针对低活性冶金渣，选择激发剂材料，开展各激发剂材料成分的胶结充填体28d强度正交试验，根据正交试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体强度与复合激发剂配比的关系函数；根据下向分层进路式胶结充填采矿方法稳定性要求，确定胶结充填体28d设计强度，以充填胶凝材料成本作为决策目标，以胶结充填体28d设计强度为约束条件，建立复合激发剂的配比的决策模型；求解复合激发剂的配比的决策模型，获得复合激发剂的配比；
(2)选择早强助磨剂材料，根据步骤(1)确定的激发剂的配比，开展各早强助磨剂材料成分和早强助磨剂添加量的胶结充填体3d强度和7d强度正交试验，根据正交试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体3d、7d强度与早强助磨剂配比及添加量的函数关系；根据下向分层进路式胶结充填采矿方法稳定性要求，确定胶结充填体3d和7d设计强度，以早强助磨剂材料成本作为决策目标，以胶结充填体3d和7d设计强度为约束条件，建立早强助磨剂配比与添加量的决策模型，获得早强助磨剂的配比和添加量；
(3)根据步骤(1)确定的激发剂的配比，和步骤(2)确定的早强助磨剂的配比和添加量，开展不同比表面积及其对应的不同粉体细度的早强胶凝材料的胶结充填体3d、7d、28d强度试验，根据试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体强度与胶凝材料比表面积的关系曲线；根据胶结充填体3d、7d、28d设计强度，确定早强胶凝材料的比表面积的最小值和粉体细度的最大值。
本发明的有益效果：
本发明的低成本早强胶凝材料配比决策方法利用冶炼废渣开发胶凝材料，充填体的早期强度能够得到保证，提高了固体废弃物在充填采矿中资源化应用，降低了采矿成本，提高了采矿经济效益。
附图说明
图1为实施例的胶结充填体强度与胶凝材料比表面积的关系曲线。
具体实施方式
本发明的低成本早强胶凝材料配比决策方法包括以下步骤：
(1)针对低活性冶金渣，选择激发剂材料，开展各激发剂材料成分的胶结充填体28d强度正交试验，根据正交试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体强度与复合激发剂配比的关系函数；根据下向分层进路式胶结充填采矿方法稳定性要求，确定胶结充填体28d设计强度，以充填胶凝材料成本作为决策目标，以胶结充填体28d设计强度为约束条件，建立复合激发剂的配比的决策模型；求解复合激发剂的配比的决策模型，获得复合激发剂的配比；
(2)选择早强助磨剂材料，根据步骤(1)确定的激发剂的配比，开展各早强助磨剂材料成分和早强助磨剂添加量的胶结充填体3d强度和7d强度正交试验，根据正交试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体3d、7d强度与早强助磨剂配比及添加量的函数关系；根据下向分层进路式胶结充填采矿方法稳定性要求，确定胶结充填体3d和7d设计强度，以早强助磨剂材料成本作为决策目标，以胶结充填体3d和7d设计强度为约束条件，建立早强助磨剂配比与添加量的决策模型，获得早强助磨剂的配比和添加量；
(3)根据步骤(1)确定的激发剂的配比，和步骤(2)确定的早强助磨剂的配比和添加量，开展不同比表面积及其对应的不同粉体细度的早强胶凝材料的胶结充填体3d、7d、28d强度试验，根据试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体强度与胶凝材料比表面积的关系曲线；根据胶结充填体3d、7d、28d设计强度，确定早强胶凝材料的比表面积的最小值和粉体细度的最大值。
下面用具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。
实施例1
(1)低活性冶金渣复合激发剂配比决策。选择水泥熟料、脱硫石膏和硫酸钠作为复合激发剂，开展胶结充填体28d强度正交试验与配比决策。具体实施步骤如下：
①开展以下3个因素和3个水平的正交试验：水泥熟料(添加量2％、3％、4％)、脱硫石膏(添加量4％、5％、6％)、硫酸钠(添加量0％、0.5％、1.0％)，获得9组复合激发剂正交方案的胶结充填体28d强度的试验结果，{r28d}9×1；
②建立胶结充填体28d强度与复合激发剂配比的函数关系。根据胶结充填体强度正交试验结果，采用多项式统计回归分析方法，建立胶结充填体28d强度与复合激发剂配比的关系函数：
r28d＝f28(x1，x2，x3)(1)
式中：r28d——胶结充填体28d抗压强度，mpa；
f28(xi),(i＝1,2，3)——胶结充填体28d强度与复合激发剂配比的关系函数；
xi(i＝1,2，3)——水泥熟料、脱硫石膏和硫酸钠的添加量，重量百分数。
③建立低活性冶金渣复合激发剂配比决策模型。根据下向分层进路式胶结充填采矿方法稳定性要求，确定胶结充填体28d设计强度[r28d]。以充填胶凝材料成本作为决策目标，以胶结充填体设计强度作为约束条件，建立低活性冶金渣复合激发剂配比决策模型。
决策函数：
约束函数：
r28d＝f28(x1,x2,x3)＞[r28d]，(x1+x2+x3+x0＝100)(3)
式中：ct1——复合激发剂材料成本，元/t；
ci(i＝1,2，3)——水泥熟料、脱硫石膏和硫酸钠激发剂成本，元/t；
c0，x0——分别为冶金渣材料成本(元/t)和矿渣添加量(重量百分数)。
④求解胶凝材料复合激发剂配比决策模型。求解式2和3决策模型，获得复合激发剂配方：水泥熟料3％，脱硫石膏5％，硫酸钠1％和渣粉91％。
(2)低成本胶凝材料早强助磨剂配方开发。具体实施步骤如下：
①选择早强助磨剂材料。选择多元醇及三乙醇胺和工业盐和自来水作为早强助磨剂材料。
②开展早强助磨剂配比正交试验。选择多元醇、三乙醇胺、工业盐和助磨剂添加量4因素，进行3水平的早强助磨剂配比正交设计：多元醇的水平为40％、42％、44％，三乙醇胺的水平4％、6％、8％，工业盐的水平为12％、14％、16％，助磨剂添加量的三个水平为0.05％、0.10％、0.15％，将获得9组配方的早强助磨剂添加到低活性冶金渣中粉磨。在步骤(1)中获得复合激发剂配方的基础上，开展胶结充填体早期强度试验，由此获得胶结充填体3d和7d强度试验结果，{r3d，r7d}9×2；
③建立胶结充填体早期强度与早强助磨剂配比决策模型。根据添加早强助磨的胶凝材料胶结充填体早强试验结果，采用统计回归分析方法，建立胶结充填体3d、7d强度与早强助磨剂配比的函数关系；
r3d＝f3(y1，y2，y3，y4)(4)
r7d＝f7(y1，y2，y3，y4)(5)
④建立低成本胶凝材料早强助磨剂配比与掺量决策模型。以低成本胶凝材料早强助磨剂材料成本作为决策目标，以下向分层进路式胶结充填采矿方法早期强度设计值[r3d]、[r7d]作为约束条件，建立早强助磨剂配比与掺量的决策模型：
决策函数：
约束条件：
r3d＝f3(y1,y2,y3,y4)＞[r3d](7)
r7d＝f7(y1,y2,y3,y4)＞[r7d]，(y1+y2+y3+y0＝100)(8)
式中：ct2——早强助磨剂材料成本，元；
di(i＝1,2，3)——多元醇、三乙醇胺、工业盐成本，元/t；
yi(i＝1,2，3)——多元醇、三乙醇胺、工业盐添量，重量百分数；
y0——早强助磨剂的自来水添加量，重量百分数；
y4——胶凝材料中的早强助磨剂添加量，重量百分数；
d0——自来水成本，元/t。
⑤求解低成本胶凝材料早强助磨剂配比与掺量决策模型。求解式(6)-(8)决策模型，获得胶结充填体3d、7d强度的胶凝材料早强助磨剂配方和添加量分别为：三乙醇胺6％，多元醇40％，工业盐12％，早强助磨剂的添加量为0.15％。
(3)低成本早强充填胶凝材料粉体细度决策。其具体实施步骤如下：
①不同粉体细度的胶凝材料生产。采用步骤(1)和步骤(2)获得的胶凝材料激发剂配方和早强助磨剂配方进行低成本早强胶凝材料生产，获得的早强胶凝材料的比表面积ak(k＝1,2,3)分别为450m2/kg、500m2/kg、550m2/kg，相应的粉体细度pk(k＝1,2,3)(45μm筛余量)分别为3％、1％、0％。
②胶结充填体强度试验。根据三种比表面积的充填胶凝材料，进行相同胶砂比和水胶比的胶结充填体3d、7d、28d抗压强度试验，获得胶结充填体强度试验结果，rij(i＝1,2,3、j＝1,2,3)对应胶凝材料比表面积分别为450m2/kg、500m2/kg、550m2/kg和粉体细度分别为3％、1％、0％的胶结充填体3d、7d、28d强度。
③低成本早强充填胶凝材料比表面积确定。3种龄期胶结体强度与胶凝材料粉体细度的关系如图1所示。根据下向分层进路胶结充填采矿法胶结充填体设计强度，确定早强胶凝材料的比表面积的最小值aop和粉体细度的最大值pop。
aop≥max(a3d，a7d，a28d)，pop≤min(p3d，p7d，p28d)
由此，获得了低成本早强胶凝材料的激发剂配方、早强助磨剂配方及添加量、以及胶凝材料比表面积及粉体细度的决策。