采用充填法进行地下开采，不仅有利于安全开采、防止地表塌陷沉降，而且能减少开采活动对环境造成的污染，符合我国对绿色矿山建设的要求。根据充填工艺和方式，将充填采矿法划分为干式充填法、浆体充填法和膏体充填法（李亮等，2016；阳京平，2021）。其中，膏体充填法以其不分层、不沉淀和泌水少的优良特性，在各国矿山充填中得到了试验和应用（李夕兵等，2018）。1979年，德国Bad Grund铅锌矿山成功试验了膏体充填技术；1996年，我国金川镍矿首次成功应用了全尾砂膏体充填技术；2000年，膏体充填技术在加拿大得到了推广应用。在此之后，我国会泽铅锌矿和伽师铜矿等多个矿山将膏体充填技术应用于地下开采中（吴爱祥等，2016）。虽然膏体充填能够在使用少量胶结剂的情况下达到很高的强度，但在其应用过程中出现的管道磨损和堵管问题也不能忽视。通过对充填材料配比进行优化，可获得经济合理、便于管道输送及符合矿山充填要求的充填料浆，是矿山能够成功运用膏体充填采矿法进行地下开采的关键所在。

在充填配比优化方面，最常用的方法是正交试验法，即通过研究不同灰砂比和不同质量浓度的充填料浆对料浆流变特性及充填体强度的影响，获得全尾砂胶结充填最优配比（饶运章等，2014；王新民等，2015；梁冰等，2015）。这种方法在因素较少的试验中可以取得良好的效果，但是当考虑的影响因素较多时，难免要进行大量的试验，为了提高试验的精度，降低试验成本，一些学者采用试验设计与数学模型（如：博弈树分析方法和满意度函数的响应面法）相结合的方式进行充填配比优化，取得了显著效果（李夕兵等，2004；陈国梁等，2016；吴浩等，2017）。随着计算机技术的快速发展，更多学者倾向于应用算法对充填配比进行优化，BP神经网络具有多层次、不受非线性模型限制，以及能较好地解决少数据、贫信息和不确定性问题的优势，在充填配比优化研究中得到很好的应用（张钦礼等，2013；杨啸等，2016）。此外，人工智能技术也被应用至充填配比优化中，通过建立单轴抗压强度因素、料浆流动性能参数与水力胶结充填体参数的遗传编程（GP）模型，然后利用粒子群优化（PSO）算法，以充填体强度、料浆流动性能和充填成本为目标，获得最低成本下的最优灰砂比和料浆质量浓度（Sadrossadat et al.，2020）。

上述基于不同方法和充填配料的充填料浆优化配比研究均取得了较好的效果。但是，全尾砂胶结充填膏体是一种多相复合材料（包括全尾砂、胶凝材料、气泡、微孔隙和孔隙水），在进行充填时，全尾砂粒径级配、物化性质以及各个矿山充填时的目的和要求均不同，学者们进行研究时考察的因素也不尽相同。因此，在进行全尾砂膏体充填时，全尾砂膏体料浆的最优配比方案不能生搬硬套。为了获得某新建铅锌矿全尾砂膏体充填的最优配比，本文在使用新建铅锌矿山全尾砂的基础上，采用正交组合设计方法进行“两因素四水平”的全尾砂膏体充填配比试验。通过对试验数据进行极差分析和回归分析，探究了灰砂比和料浆浓度对料浆流动性能及充填体强度性能的影响。经过多元线性回归方程组寻优后，得到了满足矿山充填要求的全尾砂膏体充填最优配比，从而为矿山实现全尾砂膏体充填奠定了基础。

由该矿选厂提供的全尾砂基本物理性质见表1。采用BT-2002 型激光粒度分析仪（湿法）对全尾砂样品粒级组成进行分析，其粒径分析结果见表2，粒径分布曲线如图1所示。根据表2和图1，计算该矿全尾砂加权平均粒径为57.904μm，不均匀系数为24.837。全尾砂20μm以下的极细颗粒占比为37.26%，可以满足全尾砂膏体制备的条件。

运用X射线衍射仪和ICP-MS质谱仪对全尾砂样品的化学成分进行分析，结果表明全尾砂样品的主要矿物成分为Si、Fe、Mn、Mg和Al等氧化物（表3）。

全尾砂充填配比寻优采用回归正交组合设计方法。回归正交组合设计是一种将回归分析与正交设计组合起来的试验方法，可以在因素试验范围内选出合适的试验点，用较少的试验建立回归方程，并能获得试验的优化解。

试验选定的考察因素为灰砂比和料浆质量浓度，每个因素取4个水平值。两因素四水平的正交试验设计方案见表4。

试验所用水泥为普通硅酸盐建筑水泥（PC32.5），按照表4中的方案，称量配比每组全尾砂、水泥和水，并搅拌均匀。试验步骤如下：

（1）将各组制备好的充填料浆浇筑到边长分别为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm标准三联试模中，养护72 h后进行脱模，每做完一组，编上组号和日期，再送至恒湿（95%）和恒温（20 ℃）养护箱中养护。

（2）将各组制备好的剩余料浆分别加入坍落度筒、稠度仪和分层度筒中，测定其塌落度、稠度和分层前稠度（记为稠度1）。

（3）将各组分层后的料浆搅拌均匀后加入稠度仪中，测定其分层后稠度（记为稠度2）。完成测定后，将剩余料浆搅拌均匀后浇筑到标准三联试模中。

（4）将完成养护的充填试块加入RMT-150C型岩石力学伺服压力机中，测定其抗压强度、抗拉强度、弹性模量和内聚力。

将配比好的各组试验料浆加入塌落度筒、稠度仪和分层度筒中进行测定，试验结果如表5所示。使用标准三联试模浇注各种配比充填体60个，经过72 h料浆凝固后脱模。将充填体加入温度为（20±2）℃、湿度为（95%±2%）的标准养护箱进行28 d的养护。养护后，使用RMT-150C型岩石力学伺服压力机对16组全尾砂充填体试件进行单轴抗压强度试验、抗拉强度试验和抗剪强度试验。每个充填体试件在进行抗压或抗剪试验前，需用粗砂纸将养护好的充填体端部打磨平整，然后放入加载轴线上进行预加载。3种试验的加载方式均采用位移控制，试件加载速率为0.005 mm/s，试件破坏后停止加载，试验结果如表6所示。

流动性是料浆的固有性质，能够使料浆在自重或泵压作用下向某个方向保持稳定且均匀的流动状态。对于使用管道输送的全尾砂膏体料浆来说，料浆本身是否具有良好的可泵性是决定料浆能否成功泵送的关键因素。塌落度和分层度是判定充填料浆在管道中可泵性和流动性能的重要指标。塌落度值与料浆的流动性成正比，塌落度值越小，充填体达到规定强度的时间越短。如果塌落度值和分层度值过大，则料浆的保水性越差，越容易造成砂浆离析、泌水、分层或水分流失过快。根据国内外对膏体的定义，膏体料浆塌落度在15~25 cm之间，分层度小于2 cm，屈服应力大于（200±25）Pa；当塌落度在23~25 cm之间时，能够基本满足膏体自流输送的要求。充填料浆的质量浓度是制约充填效率的重要因素之一，决定着料浆的管道输送性能、充填能力和充填体的力学强度（魏微等，2013；Li et al.，2020）。在矿山充填过程中，当塌落度在23~27.5 cm之间时，能够基本满足膏体自流输送的要求（邓代强等，2009；高谦等，2019；吴浩等，2019；赖伟等，2014）。

根据试验结果，绘制灰砂比、料浆质量浓度与流动性能参数之间的关系曲线图（图2）。由图2（a）可知，在相同灰砂比条件下，塌落度值随着料浆质量浓度的增大而明显减小。由图2（b）可知，当料浆质量浓度为70%时，塌落度值随着灰砂比的减小而逐渐增大；当料浆质量浓度为73%时，塌落度值随着灰砂比的减小呈现出先减小后增大的变化趋势；当料浆质量浓度为76%时，灰砂比由1∶4减小至1∶6时塌落度值增大，灰砂比由1∶6减小至1∶20时塌落度值减小；当料浆质量浓度为79%时，灰砂比由1∶4减小至1∶10时塌落度值增大，灰砂比由1∶10减小至1∶20时塌落度值减小。由图2（c）可知，在相同灰砂比条件下，稠度随着料浆质量浓度的增加而减小，但料浆质量浓度为73%时，灰砂比1∶10的稠度小于灰砂比1∶6的稠度。由图2（d）可知，当灰砂比为1∶4、1∶6、1∶20时，料浆质量浓度由76%增大至79%的分层度下降幅度，相比于料浆质量浓度由73%增大至76%时有所减缓。但4种灰砂比条件下，随着料浆质量浓度的增大，分层度均呈现出下降的趋势，说明料浆质量浓度越大，料浆自流输送时越不易产生离析分层现象。结合图2（a）和图2（c）可知，在不同灰砂比条件下，塌落度和稠度均随着料浆质量浓度的增大而减小，说明随着料浆质量浓度的增加，料浆会变稠，从而增加了颗粒间的摩擦力和料浆的黏聚力，使料浆的流动性降低，塌落度值变小。塌落度值在反映浆体塑性上也具有相同的原理，对于相同质量的浆体，当料浆质量浓度较低时，浆体中的含水量较大，会引起流动，降低塑性。相比之下，当料浆质量浓度较高时，浆体中的含水量相对较少，导致颗粒间的内摩擦力增大，使颗粒很难甚至不可能滑动，失去可塑性（Li et al.，2019）。结合图2（a）和图2（b）可知，灰砂比为1∶4、料浆质量浓度为76%与灰砂比为1∶10、料浆质量浓度为79%，能够同时满足膏体充填和自流输送的要求。但在膏体自流输送的过程中也应保证膏体料浆的稳定性（Deng et al.，2018；Cheng et al.，2020），当料浆质量浓度为73%及以下时，料浆离析严重。

综上所述，在不同配比条件下，塌落度、稠度和分层度随着料浆质量浓度的变化均呈现出明显的下降趋势，但是在相同料浆质量浓度条件下，塌落度随着灰砂比的减小并未呈现明显的变化趋势。因此，在2种因素中，料浆质量浓度对塌落度的影响起主要作用，而灰砂比次之。

膏体料浆灰砂比和料浆质量浓度是预测单轴抗压强度的最重要因素（Qi et al.，2019）。因此，本文利用MATLAB R2016a软件对正交试验强度参数的所有试验数据进行极差分析，得到灰砂比和料浆质量浓度对充填体抗压强度、弹性模量、内聚力和泊松比的敏感性。极差反映的是一组数据的波动范围，极差越大，离散程度越大，反之，离散程度越小。本研究所得极差分析结果如图3所示，由图3可知，充填体抗压强度、弹性模量、内聚力和泊松比的敏感性随着灰砂比和料浆质量浓度的增加而增加。其中，灰砂比对强度敏感性程度的波动范围较大，而料浆质量浓度对强度敏感性程度的波动范围较小。

由图3可见，充填体抗压强度、弹性模量和内聚力的敏感性与灰砂比、料浆质量浓度之间的关系具有相似变化规律。以图3（a）为例，随着灰砂比的增加，充填体抗压强度的敏感性程度先呈现缓慢递增的趋势；当灰砂比由1∶6增大至1∶4时，充填体单轴抗压强度和强度敏感性显著增大。从表6中也可以发现，当料浆配比为1∶6-70%（灰砂比为1∶6，料浆质量浓度为70%）时，充填体单轴抗压强度为1.352 MPa；当料浆配比为1∶4-70%时，充填体单轴抗压强度为4.862 MPa，单轴抗压强度增加了近3.6倍；而当料浆配比由1∶20-70%调整为1∶10-70%和由1∶10-70%调整为1∶6-70%时，单轴抗压强度分别增加了2.3倍和2.7倍。充填体抗压强度的敏感性随着料浆质量浓度的增大而逐渐增加，其原因是水泥中的胶凝剂含量过少，充填体中的孔隙间隙较大，导致充填体强度偏低。而胶凝剂水泥含量达到一定数值时，会对充填体强度产生一个“由量变引起质变”的效应，使充填体强度大幅增加（赵康等，2020；Sun et al.，2020）。一般认为，水泥用量越多则胶凝材料含量越高，其水化产物越多，从而表现出越好的胶凝性能。充填体内部有更多的水化产物如针状或网状C-S-H凝胶黏附在颗粒上，以加强骨料颗粒之间的连接，并填充更多的空隙（如微孔和微裂纹），从而使充填体结构致密化，充填体内部结构越稳定，表现出更好的强度性能（Wu et al.，2020）。当充填料浆中水分较大时，在充填体中将形成胶结分层现象，影响充填体强度（徐文峰等，2019）。在图3（d）中，随着灰砂比的增加，泊松比的敏感性基本呈线性增加，而随着料浆质量浓度的增大，泊松比的敏感性呈现出先增强后减弱的变化趋势。例如：在料浆配比为1∶20-73%条件下，充填体泊松比为0.126；在料浆配比为1∶20-76%条件下，充填体泊松比为0.147；在料浆配比为1∶20-79%条件下，充填体泊松比为0.139。

综上所述，灰砂比对充填体抗压强度、弹性模量、内聚力和泊松比的影响最大，而料浆质量浓度的影响次之。根据矿山生产需求，膏体充填体的抗压强度需大于等于1.5 MPa。当料浆质量浓度为79%时，灰砂比为1∶10和1∶20的充填体抗压强度分别为1.362 MPa和1.253 MPa，未达到矿山要求；灰砂比为1∶4的充填体强度均能满足矿山要求；而灰砂比为1∶6的充填体强度只有部分能满足矿山要求。在充填配比为1∶6-70%条件下，充填体单轴抗压强度为1.352 MPa，小于1.5 MPa。因此，初步判断最优灰砂比在1∶10~1∶4之间。

以往研究表明，全尾砂膏体充填成本占采矿总成本的20%，在全尾砂膏体充填中添加1%水泥用量的成本为1美元/t，如此高的水泥成本给矿山带来了巨大的经济压力。因此，在满足充填强度要求的前提下，减少水泥用量，有助于提高矿山的经济效益。鉴于此，本文使用MATLAB R2016a软件，将灰砂比（x₁）和料浆质量浓度（x₂）作为输入因子，以充填体单轴抗压强度、弹性模量和塌落度作为输出因子，进行多项式线性回归分析。

（1）28 d充填体抗压强度的多元线性回归方程如下：

（2）28 d充填体弹性模量的多元线性回归方程如下：

（3）充填料浆塌落度多元线性回归方程如下：

查表得到F0.0052,13=8.19，给定检验水平α=0.005，则有F>F0.052,14，回归方程（1）~（3）的回归效应显著。

在上述试验基础上，为进一步寻找充填料浆的最优配合比，根据矿山生产需求，对充填体抗压强度y1、弹性模量y2和塌落度y3，提出以下优化要求，即：y1≥1.5MPa，y2≥0.2GPa，y3∈23,25cm，根据3个多元线性回归方程，利用数值软件求解该组联立不等式。

通过MATLAB编程，在电脑上完成最优值寻找工作。在Z_j的取值区间［-1，1］，以一定步长Δj（Δ灰砂比=0.01，Δ料浆质量浓度=0.01）进行全面搜索，获得灰砂比和料浆质量浓度在取值区间内的较优区域［0.13，0.25］，［0.72，0.77］，最终输出所有满足上述力学指标的最优充填配比。同时，获得既满足全尾砂膏体制备要求又符合矿山安全生产需求的最优充填配比，即灰砂比为13%、充填料浆质量浓度为77%，此时全尾砂、水泥和水的用量分别占所需全尾砂膏体质量的68.14%、8.86%和23%。在该配比条件下，28 d养护龄期后的抗压强度为2.6279 MPa，弹性模量为205.2 MPa，塌落度为23.7 cm，在减少水泥用量的前提下，满足了矿山充填的需求，降低了充填成本。

运用全尾砂进行膏体充填，可以达到“一废治两害”的效果。为了降低矿山在膏体制备和输送过程中的充填成本，本文在料浆流动性试验和充填体强度试验的基础上，运用MATLAB配比优化程序，以抗压强度、流动性能和充填成本为目标，得出满足该矿充填体强度要求、有利于管道输送且水泥用量较少的配比方案，即灰砂比为13%、充填料浆质量浓度为77%，在该配比条件下，28 d养护龄期后的充填体抗压强度为2.6279 MPa、塌落度为23.7 cm。

本文试验结果对矿山实现全尾砂膏体充填具有一定的指导意义。在膏体流动性研究中，屈服应力和黏度是2个至关重要的参数。本研究应用塌落度试验只能大致判断料浆流动性能，而无法准确获得料浆的黏度参数，试验数据也不能用于输送阻力计算和管道设计。因此，为了提供更接近生产实际的充填方案，今后将继续使用充填环管测试系统对全尾砂膏体进行流动输送特性研究。