陳 磊 趙 明 趙 健

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤礦高濃度膠結(jié)充填料漿流變特性試驗(yàn)研究?

陳 磊 趙 明 趙 健

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤礦高濃度膠結(jié)充填材料由煤矸石、粉煤灰、水泥等材料混合而成，為得到充填料漿的流變特性，采用旋轉(zhuǎn)流變儀，通過(guò)試驗(yàn)得到充填料漿的剪切速率-剪切應(yīng)力流變曲線圖，經(jīng)回歸分析確定了料漿的屈服應(yīng)力和粘度系數(shù)，確定了流變模型和流變方程。分析了流變參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到了管道輸送阻力損失算式，單位長(zhǎng)度的管道輸送阻力損失是管道內(nèi)徑、料漿輸送剪切速率和時(shí)間的函數(shù)，分析結(jié)果可以為充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。

高濃度膠結(jié)充填 充填料漿 流變特性

目前煤礦充填開采的主要方法有矸石充填、高水材料充填、膏體（似膏體）充填和膠結(jié)充填等。煤礦高濃度膠結(jié)充填以煤矸石、水泥、粉煤灰、水、外加劑等制成料漿，經(jīng)管道輸送至充填采煤工作面，填充采空區(qū)，充填材料凝結(jié)后支撐采空區(qū)頂板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防止地表塌陷的目的。充填料漿在管道中的流動(dòng)特性將影響料漿的輸送和充填效果，目前，許多學(xué)者對(duì)膠結(jié)材料特性、膠結(jié)充填料漿、全尾砂料漿等流變特性進(jìn)行了研究，這些研究重點(diǎn)考慮了料漿自身的性質(zhì)和輸送流量等因素，沒(méi)有充分考慮充填料漿的流變特性會(huì)隨時(shí)間變化而變化，本文以新陽(yáng)煤礦10203充填采煤工作面為工程背景，在分析高濃度膠結(jié)充填料漿基本物理化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究了充填料漿的流變特性以及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1　充填材料物化特性分析

煤礦高濃度膠結(jié)充填材料的骨料為煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥和粉煤灰。粉煤灰是燃煤電廠的固體排放物之一，是一種類似火山灰質(zhì)的混合材料，目前，對(duì)粉煤灰的研究和利用已經(jīng)非常廣泛，主要應(yīng)用于土木工程、水泥材料生產(chǎn)、土壤改良等方面。本試驗(yàn)用粉煤灰取自新陽(yáng)煤礦附近的燃煤電廠，經(jīng)能譜分析，本試驗(yàn)所用粉煤灰樣品主要由Ca、Fe、Si、Al、Ti、S、K等元素組成。通過(guò)能譜半定量分析可知，該粉煤灰樣品中SiO2含量為42.76%，CaO含量為23.63%，Al2O3含量為22.53%，同時(shí)還含有少量Fe2O3等。粉煤灰樣品中的Al2O3、SiO2是一種活性成分，具有一定的火山灰性質(zhì)，與水、水泥混合后，與水泥水化形成的Ca（OH）2再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式，新生成的物質(zhì)具有水硬膠凝性能，而且能夠在一定程度上增強(qiáng)料漿的強(qiáng)度和耐久性。

2　流變?cè)囼?yàn)

2.1試驗(yàn)材料

煤礦高濃度膠結(jié)充填材料粉煤灰的最佳含量在18%～20%范圍內(nèi)，充填料漿的理想質(zhì)量濃度應(yīng)控制在76%～80%的范圍內(nèi)，因此選擇77%、78%和79%這3種濃度的充填料漿進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，從而探尋出充填料漿的流變特性及其變化規(guī)律。為研究粉煤灰對(duì)料漿流變特性的影響，控制料漿濃度為78%時(shí)，選擇粉煤灰含量分別為18%、19%和20%的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。因此，試驗(yàn)樣本共分為5組，具體如表1所示。

表1　充填料漿試驗(yàn)樣本配比

試驗(yàn)過(guò)程中，每組試樣試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。本試驗(yàn)采用Anton Paar公司生產(chǎn)的Rheolab QC旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行剪切流變?cè)囼?yàn)，通過(guò)測(cè)定充填料漿的剪切應(yīng)力和塑性粘度與剪切速率的關(guān)系，找出其變化規(guī)律，從而確定料漿的流變模型。

2.2試驗(yàn)方案和步驟

新陽(yáng)煤礦充填開采工作面設(shè)計(jì)的充填管道長(zhǎng)度為3500 m，設(shè)計(jì)的料漿在管道中的流速為1.65 m/s，則充填料漿在管道中流動(dòng)的時(shí)間:

式中:T——料漿在管道中的流動(dòng)時(shí)間，min；

L——充填管道總長(zhǎng)度，取3500 m；

v——料漿流速，取1.65 m/s。

將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得充填料漿在管道中流動(dòng)時(shí)間約為36 min。

由于充填料漿中含有水泥、粉煤灰等膠凝材料，在管道輸送過(guò)程中，料漿的流變參數(shù)會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，因此在長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中，要研究不同時(shí)間段的流變參數(shù)。為了與工程實(shí)際相吻合，分別測(cè)定了放置0 min的充填料漿、放置20 min的充填料漿和放置40 min的充填料漿的流變參數(shù)。

試驗(yàn)中設(shè)定初始剪切速率為10 s-1，末速率為120 s-1，共采集90個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。按照特定的材料配比方案，將適量的煤矸石、水泥、粉煤灰和水放入攪拌桶中，攪拌均勻制成充填料漿，立即倒入流變儀桶中進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后將料漿再倒回至攪拌桶繼續(xù)攪拌，20 min后倒入流變儀桶中測(cè)量流變參數(shù)。重復(fù)上述步驟，測(cè)量40 min后料漿流變參數(shù)。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

將每組樣品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系。以3#樣品為例，給出了3#樣品在分別在0 min、20 min和40 min時(shí)試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖1，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，剪切應(yīng)力與剪切速率之間滿足線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，擬合效果較好。

表2列出了所有試驗(yàn)樣品的剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系，表中數(shù)據(jù)顯示，剪切應(yīng)力與剪切速率均呈線性關(guān)系，其中3#、4#和5#樣本的線性相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.93以上。

圖1　3#樣本剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系

表2　充填料漿樣品剪切應(yīng)力與剪切速率擬合關(guān)系試驗(yàn)

在不同的放置時(shí)間下，料漿的表觀粘度與剪切速率之間也有一定的關(guān)系，如圖2所示。從圖2中可以看出，在3種不同的放置時(shí)間上，料漿的粘度變化過(guò)程呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。隨著剪切速率的增加，充填料漿的表觀粘度在減?。浑S著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，充填料漿的表觀粘度在增加。充填料漿放置40 min后，粘度隨剪切速率變化的曲線比較明顯，有比較明顯的不穩(wěn)定階段、過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段3個(gè)過(guò)程，說(shuō)明該段時(shí)間內(nèi)，料漿內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)，產(chǎn)生了絮狀的懸浮物質(zhì)，影響了料漿的粘度。

圖2　料漿粘度與剪切速率的關(guān)系

3　充填料漿的流變模型

煤礦高濃度膠結(jié)充填料漿為非牛頓流體，其流變行為可以近似用賓漢模型表示，模型表達(dá)式為:

式中:τs——充填料漿的剪切應(yīng)力，Pa；

τy——料漿的屈服應(yīng)力，Pa；

μb——料漿的賓漢塑性粘度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1。

以3#試驗(yàn)樣品為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如圖1所示，剪切應(yīng)力與剪切速率之間為線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。因此，可以得到放置時(shí)間分別為0 min、20 min和40 min的料漿流變模型，分別如式（3）、式（4）和式（5）所示:

將式（2）與式（3）的相關(guān)對(duì)應(yīng)項(xiàng)比較可知，充填料漿在放置0 min即初次攪拌均勻時(shí)的屈服應(yīng)力為113.82 Pa，賓漢塑性粘度為4.8794 Pa·s，而且方程的擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9731。同樣的，4#、5#試驗(yàn)樣本試驗(yàn)結(jié)果的擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，具體如表3所示。

以3#樣本為例，分析充填料漿流變參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)表3可知，放置20 min后，料漿的屈服應(yīng)力和賓漢塑性粘度均發(fā)生了變化，屈服應(yīng)力減小了5.14 Pa，賓漢塑性粘度卻增加了0.2002 Pa·s。當(dāng)料漿放置40 min后，屈服應(yīng)力比初始值減小了10.51 Pa，賓漢塑性粘度增加了0.4141 Pa·s。這表明時(shí)間對(duì)料漿的流變參數(shù)有一定的影響，說(shuō)明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，料漿各成分之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，改變了料漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3#試驗(yàn)樣本屈服應(yīng)力、賓漢塑性粘度與時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

表3　屈服應(yīng)力與賓漢塑性粘度

圖3　3#樣本屈服應(yīng)力、塑性粘度與時(shí)間關(guān)系曲線

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，屈服應(yīng)力與放置時(shí)間之間呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系，賓漢塑性粘度與放置時(shí)間之間也呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。分析4#、5#試驗(yàn)樣本，屈服應(yīng)力、賓漢塑性粘度與時(shí)間的關(guān)系也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，擬合方程和相關(guān)系數(shù)如表4所示。

表4　屈服應(yīng)力τy、塑性粘度μb與時(shí)間t的關(guān)系函數(shù)

4　管道輸送阻力損失計(jì)算

通過(guò)試驗(yàn)確定了高濃度膠結(jié)充填料漿剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，可以計(jì)算料漿管道輸送系統(tǒng)的沿程阻力損失，為料漿輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。由于充填料漿采用的是管道輸送的方式，料漿在輸送方向上的剪切應(yīng)力計(jì)算:

式中:Δp——輸送管道兩點(diǎn)之間的壓力差；

L——管道兩點(diǎn)之間的距離；

D——管道內(nèi)徑。

將式（6）進(jìn)行簡(jiǎn)單變換，得到管道輸送沿程阻力損失:

以3#試驗(yàn)樣本為例，確定充填料漿管道輸送沿程阻力的計(jì)算方法，將式（2）帶入式（7），可得:

由表4可知，τy、μb均為時(shí)間的函數(shù)，將表4中相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（8）可得:

由式（9）可知，輸送管道的沿程阻力損失大小是管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)徑、剪切速率以及料漿在管道中的流動(dòng)時(shí)間函數(shù)，當(dāng)管道內(nèi)徑一定時(shí)，單位長(zhǎng)度輸送阻力損失與料漿流動(dòng)時(shí)間、剪切速率有關(guān)。在進(jìn)行充填管路設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮管道內(nèi)徑，還要充分考慮料漿的流速以及料漿在管道中流動(dòng)的時(shí)間，以保證充填料漿安全、高效地送達(dá)充填工作面。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)高濃度膠結(jié)充填料漿進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，對(duì)粉煤灰含量為20%時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可知，剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

（2）高濃度膠結(jié)充填料漿為非牛頓流體，其流變模型為賓漢模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到屈服應(yīng)力、賓漢塑性粘度等流變參數(shù)。

（3）高濃度膠結(jié)充填料漿管道輸送阻力損失量是管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)徑、剪切速率以及料漿在管道中的流動(dòng)時(shí)間函數(shù)，在進(jìn)行充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮料漿在管道中的輸送時(shí)間因素。

［1］ 楊寶貴，王俊濤，李永亮等.煤礦井下高濃度膠結(jié)充填開采技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（8）

［2］ 陳磊，李京.高濃度膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究［J］.煤礦安全，2016（3）

［3］ 王曉東.煤礦采空區(qū)砂質(zhì)膠結(jié)充填材料特性試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2015（8）

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［7］ 張曉華，孟云芳，賈軍等.粉煤灰、礦粉與再生粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)研究 ［J］.混凝土，2014（6）

［8］ 趙有生.新陽(yáng)煤礦高濃度膠結(jié)充填料漿輸送特性研究［D］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2014

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Experimental study of rheological properties of cemented filling slurry with high concentration

Chen Lei，Zhao Ming，Zhao Jian
（College of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Cemented filling materials with high concentration for mines were composed of coal gangue，fly ash，cement and other materials，in order to study rheological properties of the cemented filling slurry，rotational rheometer was used to obtain shear rate-shear stress rheological curve of filling slurry by experiments，yield stress and viscosity coefficient were determined by regression analysis，and rheological model and rheological equation were achieved.Variation law of rheological parameters with time was analyzed，and expression for calculating resistance loss of pipeline transportation was obtained.The pipe conveying resistance loss per unit length was a function of the pipe diameter，the shear rate and the time of the slurry transportation.The analysis results could provide technical parameters and basis for design of filling system.

high concentration cemented filling，filling slurry，rheological property

TD823.7

A

?“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAB48B02），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2014QZ03）

陳磊（1982-），男，安徽太和人，講師，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)槊旱V充填開采、礦山壓力與巖層控制。