李金鑫，孫 偉，張盛友，劉衛(wèi)東

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；3.金川集團(tuán)股份有限公司三礦區(qū)，甘肅 金昌 737103)

全尾砂膏體充填能有效解決深部金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中的安全問(wèn)題，減少工業(yè)固體廢料排放，有效控制地表沉降[1-2]。與以往的膠結(jié)充填技術(shù)相比，膏體充填具有更好的穩(wěn)定性和可塑性，充填強(qiáng)度高、不離析、不沉淀、接頂效果好、對(duì)地下水污染小等優(yōu)勢(shì)，在深部金屬礦山開(kāi)采中具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。屈服應(yīng)力是膏體的重要流變參數(shù)，屈服應(yīng)力越大，膏體越黏稠，越不易流動(dòng)，只能采用泵壓的方式通過(guò)管道將充填料漿送入采空區(qū)，所以如何在不影響充填體強(qiáng)度的情況下，增大料漿流速且不容易損傷管道是井下充填技術(shù)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵難題[5]。很多學(xué)者經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)減水劑的加入可以改善料漿的流動(dòng)性、縮短凝結(jié)時(shí)間。李宏泉等[6]通過(guò)長(zhǎng)距離環(huán)管試驗(yàn)，得到泵送減阻劑的加入會(huì)增加料漿的流動(dòng)性，降低膏體在管道輸送過(guò)程中的阻力。薛杉杉等[7]使用流變儀分析了萘系減水劑及BF高效減水劑對(duì)料漿流動(dòng)性的影響。鄭娟蓉等[8]通過(guò)壓汞測(cè)孔法，表明減水劑的加入可以降低充填體的總孔隙率，從而提高充填體的抗壓強(qiáng)度。

本文通過(guò)塌落度實(shí)驗(yàn)，研究不同減水劑(聚羧酸減水劑、萘系減水劑、三聚氰胺減水劑)及添加量對(duì)料漿塌落度的影響， 并引入塌落度-屈服應(yīng)力計(jì)算模型求解料漿的屈服應(yīng)力。

1 塌落度-屈服應(yīng)力模型構(gòu)建

塌落度主要是指混凝土的和易性，用一種上下開(kāi)口的塌落度桶來(lái)測(cè)定，測(cè)試方法如圖1所示[9]。MURATE在1984年首次構(gòu)建了無(wú)量綱圓錐模型用以表示塌落度和屈服應(yīng)力之間的關(guān)系[10-11]。PASHIAS等[12]在1996年首次提出了無(wú)量綱圓柱模型，雖然計(jì)算準(zhǔn)確性有所提高，但模型計(jì)算公式比較復(fù)雜，而且小型圓柱型塌落度桶對(duì)骨料粒徑要求較高，不適合做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[13]。本文主要依據(jù)MURATE模型理論，構(gòu)建圓錐模型，其研究方法與分析原理如圖2所示[14]。

圖1 塌落度測(cè)試原理圖

圖2 塌落前后應(yīng)力分布

以標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶上部開(kāi)口中心線為y軸，水平方向?yàn)閤軸建立直角坐標(biāo)系(圖2)，由于密度為ρ的充填料漿在標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶內(nèi)只受到重力作用(g取10 m/s2)，則高度z處所受上覆料漿的壓力PZ見(jiàn)式(1)。

(1)

在根據(jù)三角形相似原理結(jié)合圖2，可將式(1)轉(zhuǎn)化為式(2)。

(2)

由于標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶的上口直徑與下口直徑之比為1∶2，所以z處最大剪切應(yīng)力等于Pz的一半，見(jiàn)式(3)。

(3)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提起塌落度桶，當(dāng)料漿層的剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，料漿層不塌落；當(dāng)料漿層的剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，料漿層塌落；直到料漿層的剪切應(yīng)力與屈服應(yīng)力相等時(shí)，料漿層停止塌落。如圖2(b)所示，假定該充填料漿不可壓縮，則屈服變形段每層充填料漿的體積不變，z層料漿由半徑rz和厚度dz形變后變?yōu)閞z1和dz1。因?yàn)榍冃味蔚牧蠞{層體積沒(méi)有發(fā)生變化，所以上覆料漿的重力不變。變化前后的關(guān)系見(jiàn)式(4)。

(4)

(5)

(6)

(7)

2 儀器、原材料、實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用的儀器主要有標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶、直尺、三角尺、鐵鍬、抹刀、搗棒、攪拌機(jī)等。

2.2 試驗(yàn)原料

使用某礦全尾砂作為實(shí)驗(yàn)原料，尾砂密度為2.79～2.81 t/m3，平均為2.80 t/m3；松散密度在1.123～1.134 t/m3之間，平均為1.130 t/m3；密實(shí)堆積密度在1.433～1.465 t/m3之間，平均為1.445 t/m3；尾砂松散孔隙率平均為59.64%，密實(shí)孔隙率平均為48.43%，全尾砂粒級(jí)組成詳見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)所用膠凝材料為普通硅酸鹽P.O42.5水泥。

表1 水篩分全尾砂粒級(jí)組成

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及目的

為滿足充填體的強(qiáng)度需求設(shè)置質(zhì)量濃度為73%，灰砂比為1∶4，設(shè)置一組不添加減水劑的實(shí)驗(yàn)組作為對(duì)照組。減水劑摻量設(shè)計(jì)為：聚羧酸減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%，萘系減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.50%，三聚氰胺減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.50%。將試驗(yàn)所得塌落度值帶入式(6)和式(7)計(jì)算料漿的屈服應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泥加水?dāng)嚢韬?，由于水泥顆粒的水化作用，使顆粒表面形成一種溶劑化水膜，并且其表面帶有異性電荷，使流動(dòng)的水泥漿體形成絮凝結(jié)構(gòu)。一部分拌合水被水泥顆粒包裹不能參與潤(rùn)滑和自由流動(dòng)，從而影響了充填料漿的流動(dòng)性。當(dāng)加入一定比例的減水劑后，減水劑分子吸附在水泥顆粒表面，使水泥顆粒帶同種電荷，水泥顆粒相互分開(kāi)，絮凝結(jié)構(gòu)解體，包裹的自由水被釋放參與流動(dòng)從而增加了充填料漿的流動(dòng)性。不同減水劑對(duì)料漿流動(dòng)性影響不同，料漿的流動(dòng)性與減水劑摻量及種類有關(guān)。每種減水劑都存在某一臨界值，超過(guò)該臨界值將影響高質(zhì)量充填料漿的形成。固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加聚羧酸減水劑料漿，其塌落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，不加入減水劑的情況下，料漿的屈服應(yīng)力達(dá)到380 Pa，不利于井下料漿輸送，容易發(fā)生堵管。加入聚羧酸減水劑的料漿，隨著減水劑的增加，料漿的屈服應(yīng)力呈直線下降，聚羧酸減水劑添加量為0.05%時(shí)為應(yīng)力拐點(diǎn)，此時(shí)料漿的屈服應(yīng)力小于60 Pa，比較適合井下料漿輸送。超過(guò)0.05%時(shí)，料漿塌落度、擴(kuò)展度基本不發(fā)生變化，如圖3(b)所示。 當(dāng)聚羧酸減水劑添加量為0.2%時(shí)，料漿開(kāi)始發(fā)生離析。

圖3 聚羧酸減水劑對(duì)料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加萘系減水劑料漿，其塌落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。隨著萘系減水劑的增加，料漿的塌落度及擴(kuò)展度逐漸上升，當(dāng)減水劑摻量從0.05%增至0.10%時(shí)，料漿的塌落度及擴(kuò)展度基本不發(fā)生變化，因此萘系減水劑對(duì)用水量的敏感性弱于聚羧酸減水劑。當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時(shí)，萘系減水劑摻量的臨界值為0.5%，此時(shí)料漿的屈服應(yīng)力小于60 Pa，繼續(xù)增加萘系減水劑，料漿的流動(dòng)性基本不發(fā)生變化，只會(huì)增加充填成本。

圖4 萘系減水劑對(duì)料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加三聚氰胺減水劑料漿，其塌落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著三聚氰胺減水劑的增加，料漿的塌落度及擴(kuò)展度逐漸上升，屈服應(yīng)力呈直線下降。當(dāng)減水劑添加量為0.05%、0.10%時(shí)，與不添加減水劑時(shí)相比，料漿的塌落度及擴(kuò)展度相差不大，其臨界值為0.50%，此時(shí)料漿的屈服應(yīng)力可滿足礦山自流輸送需求。

圖5 三聚氰胺減水劑對(duì)料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

3 經(jīng)濟(jì)成本分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)配比計(jì)算出1 m3料漿的質(zhì)量為1 880.82 kg，水泥的質(zhì)量為343.25 kg，尾砂的質(zhì)量為1 029.75 kg，水的質(zhì)量為507.82 kg。減水劑摻量為水泥質(zhì)量的百分比(表2)。 由表2可知， 聚羧酸減水劑與另外兩種減水劑相比經(jīng)濟(jì)成本低，使用效果好，因此可以選用聚羧酸減水劑作為提高料漿流動(dòng)性的外加劑。

表2 減水劑用量及減水劑成本

4 結(jié) 論

1) 加入減水劑的充填料漿與未加入減水劑的充填料漿相比，減水劑的加入可以大幅度降低充填料漿的屈服應(yīng)力，提高料漿在管道中的流動(dòng)性，避免堵管現(xiàn)象發(fā)生；減水劑的添加量要控制在一定范圍之內(nèi)，當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時(shí)，聚羧酸減水劑為0.05%、萘系減水劑為0.50%、三聚氰胺減水劑為0.50%，此時(shí)料漿的流動(dòng)性達(dá)到最優(yōu)，均能滿足自流輸送的要求。

2) 每種減水劑對(duì)料漿流動(dòng)性的影響程度不同，聚羧酸減水劑對(duì)用水量十分敏感，因此使用過(guò)程中要嚴(yán)格控制減水劑用量。萘系減水劑及三聚氰胺減水劑對(duì)用水量的敏感性遠(yuǎn)不如聚羧酸減水劑，添加少量萘系減水劑及三聚氰胺減水劑對(duì)料漿的流動(dòng)性基本沒(méi)有影響。

3) 結(jié)合成本要求及是否滿足自流輸送等綜合考慮，當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時(shí)，建議選用添加量為0.05%的聚羧酸減水劑。