劉斯忠 王洪江 吳愛(ài)祥 彭乃兵 楊鵬

（北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083）

0 引 言

膏體充填技術(shù)用于礦山井下充填具有水泥耗量低、充填體接頂性能和充填體整體性能良好等優(yōu)點(diǎn)［1］.與傳統(tǒng)的尾礦處置方式相比，尾礦膏體處置技術(shù)還具有節(jié)約水資源、減少污染、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)勢(shì).此外，膏體充填使礦山產(chǎn)生的尾砂得到完全回收利用成為可能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的變廢為寶，這將大幅降低尾砂處置和充填采空區(qū)的費(fèi)用.綜上原因，膏體充填越來(lái)越受到人們的青睞［2-5］.本研究以新疆某銅礦尾砂為原料，研究泵送劑摻量、摻加泵送劑條件下質(zhì)量分?jǐn)?shù)及廢石添加量對(duì)膏體流變性能影響.并以恒剪切速率攪拌模擬膏體管道輸送過(guò)程，探析摻加泵送劑膏體現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果.

1 泵送劑作用機(jī)理

水泥在與水接觸后，漿體內(nèi)部的各種顆粒之間由于異性電荷相吸引、熱運(yùn)動(dòng)、相互碰撞吸附、范德華引力等原因引起的絮凝，形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)，限制了漿體的流變性［6］.泵送劑使表面活性劑分子定向吸附，使?jié){體中的各種顆粒質(zhì)點(diǎn)表面上帶有相同符號(hào)的電荷，于是在靜電測(cè)力的作用下，不但使體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，并使懸凝狀結(jié)構(gòu)分散解體，絮凝體包裹的拌合水逐漸釋放出來(lái).

同時(shí)，泵送劑可使水泥顆粒有效的分散，增加潤(rùn)濕面積，從而加快水化速度.此外，親水集團(tuán)吸附于水泥顆粒表面形成溶劑化水膜，起潤(rùn)滑作用，也達(dá)到了增大流動(dòng)和減水作用.泵送劑還能引入一定量的微細(xì)氣泡，氣泡被分子膜所包圍，與水泥顆粒吸附膜的電性相同.在電性斥力的作用下，氣泡與氣泡、氣泡與水泥顆粒間的相互分散，增加了顆粒間的滑動(dòng)能力.因此，膏體料漿中添加泵送劑可以達(dá)到改善流變性能的效果.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

1）尾砂 尾砂基本物理性質(zhì)和粒級(jí)組成見(jiàn)表1和2.

表1 全尾砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 全尾砂粒級(jí)組成

尾砂是由大小不同的顆粒所組成，可用不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)CC表征該物料粒級(jí)組成的均勻程度，計(jì)算得全尾砂不均勻系數(shù)CU為18.36，曲率系數(shù)CC為1.62，可以看出尾砂粒級(jí)分布范圍較大，尾砂粒徑連續(xù)狀況較好.

國(guó)外普遍認(rèn)為，膏體中-20μm 的顆粒含量應(yīng)不應(yīng)少于15%［7］，但-20μm 的顆粒含量過(guò)多，會(huì)使膏體脫水困難、管道輸送阻力增大，因此-20μm 的顆粒含量也不宜過(guò)多.該礦全尾砂中-20μm 的細(xì)顆粒含量高達(dá)29.8%，在添加粗顆粒骨料后預(yù)期能夠制備出理想的充填膏體.

2）粗骨料和水泥 粗骨料為已破碎廢石（粒徑小于10mm），測(cè)得平均粒徑為3mm，相對(duì)密度為2.663t／m3；水泥為普通32.5R硅酸鹽水泥.

2.2 儀器

本次實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為R／S 型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀，此設(shè)備的測(cè)試原理是和扭矩測(cè)量頭相連的四葉槳式轉(zhuǎn)子浸入所要測(cè)試的料漿中，以可變化的剪切速率旋轉(zhuǎn)，通過(guò)在附RHEO3000軟件界面設(shè)置流變參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出剪切應(yīng)力-剪切速率曲線，并可做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理.

2.3 流變特性測(cè)試原理

Bingham 模型公式如下.

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，Pa；μΡ為表觀粘度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摻加／不摻加泵送劑對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)選用了云南某鉛鋅礦的尾砂做對(duì)照，其基本物理性質(zhì)如表3所列.膏體配比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)76%、灰砂質(zhì)量比1∶5、廢石添加量20%.共進(jìn)行了云南某鉛鋅礦／新疆某銅礦不加泵送劑及新疆摻加泵送劑流變參數(shù)測(cè)試試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

表3 云南某鉛鋅礦全尾砂基本物理性質(zhì)

圖1 對(duì)比試驗(yàn)流變測(cè)試結(jié)果

3.2 泵送劑摻量對(duì)膏體流變特性的影響

試驗(yàn)對(duì)象為質(zhì)量分?jǐn)?shù)76%、灰砂比1：6、廢石添加量為20%的膏體，考核指標(biāo)為屈服應(yīng)力.將泵送劑的試驗(yàn)范圍定為0.5%～2.5%.膏體外加劑按照0.5為一個(gè)增量進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 屈服應(yīng)力隨泵送劑摻量變化曲線

由圖2可見(jiàn)，膏體屈服應(yīng)力隨著泵送劑添加量的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且幅度逐漸減小.尤其當(dāng)添加量從2%增加至2.5%，圖2中屈服應(yīng)力變化曲線趨于水平，對(duì)流變性能改善效果不明顯.隨著泵送劑摻量的增加，其吸附、分散作用逐漸增加，使得砂漿中絮凝體逐漸解體，絮凝體包裹拌合水逐漸釋放出來(lái).而在泵送劑達(dá)到飽和摻量后，其摻量的增大已經(jīng)不能增加自由水量，膏體的流變參數(shù)達(dá)到最小值.綜合考慮添加效果及充填成本，應(yīng)將摻加量控制在2%以下.

3.3 摻加泵送劑后質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膏體流變特性的影響

對(duì)5組不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（廢石添加量20%、灰砂比1∶6、泵送劑摻量2%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)74%～78%）的膏體料漿進(jìn)行流變參數(shù)測(cè)試，其屈服應(yīng)力及塑性粘度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線見(jiàn)圖3.

圖3 膏體料漿流變參數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖3可知，添加一定量的泵送劑后，膏體屈服應(yīng)力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，塑性粘度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈二次函數(shù)增長(zhǎng).宏觀方面表現(xiàn)為隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，漿體容重增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服更大的外界應(yīng)力；微觀方面則表現(xiàn)為細(xì)顆粒的增加導(dǎo)致絮團(tuán)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增多且絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)更緊固了，具備更強(qiáng)的抗剪能力.

3.4 摻加泵送劑后廢石添加量對(duì)膏體流變特性的影響

考察相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（75%）和灰砂質(zhì)量比（1∶6）條件下，摻加等量泵送劑時(shí)廢石添加量對(duì)膏體流變性能的影響.圖4 為廢石添加量為10%～30%時(shí)膏體流變性能變化情況.

圖4 廢石添加量對(duì)膏體流變性能的影響

從圖4可知，膏體屈服應(yīng)力隨廢石添加量的增多而減小，這是由于粗骨料加得越多，顆粒越粗，則混合料的比表面積越小，顆粒之間相互作用的數(shù)目減少，隔開(kāi)顆粒的水泥漿層越厚，從而導(dǎo)致屈服應(yīng)力下降.而塑性粘度卻不存在明顯的變化規(guī)律，因?yàn)橛绊憹{體粘性的因素很多，不僅包括分子間的附著力、吸引力及使分子脫離流體微團(tuán)所需要的力，還有固體顆粒的大小、分布、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固體顆粒與液體分子間的動(dòng)量交換等因素.

4 模擬現(xiàn)場(chǎng)效果

摻加泵送劑雖然可以提高料漿流變性和降低用水量，但是由于膏體初始水灰比低，同時(shí)水泥的分散度又比其他固體物料大得多，所以隨著水泥水化的進(jìn)行，結(jié)合水會(huì)增多，游離水會(huì)減少，漿體的流動(dòng)性可能很快降低.同時(shí)，由于摻加泵送劑之后，破壞了C3A 與可溶性硫酸鹽之間的平衡，可能引起不同程度的閃凝、快凝現(xiàn)象［8］.因此，設(shè)計(jì)了一組恒剪切速率長(zhǎng)時(shí)間攪拌試驗(yàn)，料漿配比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)78%、灰砂質(zhì)量比1∶7、廢石添加量20%，測(cè)試時(shí)間為1h.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)推薦料漿輸送速度，計(jì)算得管道壁對(duì)漿體的剪切速率為53（1／s），因此試驗(yàn)控制剪切速率恒為53（1／s）.試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 恒剪切速率情況下剪切應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

從圖5可知，恒剪切速率情況下，剪切應(yīng)力隨時(shí)間呈先減小后增大的趨勢(shì)，可理解為試驗(yàn)前期剪切變稀作用大于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的料漿凝結(jié)作用，而后期則剛好相反.該礦山最長(zhǎng)輸送距離為2300m，按輸送速度1m／s計(jì)算得到料漿在管道中最長(zhǎng)停留時(shí)間為2300s，從圖中觀察到料漿在攪拌后2300s處仍具有最初的流變性能，而在此點(diǎn)之前由于剪切變稀的作用料漿一直保持著良好的流變性能，因此添加泵送劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道輸送不產(chǎn)生負(fù)面影響.

5 結(jié) 論

1）膏體屈服應(yīng)力隨泵送劑摻量的增加而減小，且減小幅度逐漸下降，尤其當(dāng)摻量從2%增加到2.5%時(shí)，膏體流變性能改善效果不明顯.鑒于成本方面的考慮，建議將泵送劑摻量控制在2%以下.

2）摻加泵送劑后，膏體屈服應(yīng)力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，塑性粘度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈二次函數(shù)增長(zhǎng).

3）廢石添加量越大，膏體屈服應(yīng)力越小.但是膏體的塑性粘度對(duì)于廢石添加量的不同并未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律

4）以一恒剪切速率模擬膏體料漿在充填管道中的輸送過(guò)程，發(fā)現(xiàn)膏體流入采空區(qū)后仍能保持初始的流變性能.說(shuō)明泵送劑對(duì)該礦山膏體管道輸送無(wú)負(fù)面影響，可放心使用.

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