周 瑤，謝志清，劉長友，潘海洋，趙 明

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，徐州 221116)

0 引 言

煤矸石是最大的工業(yè)廢渣之一，約占原煤產(chǎn)量的10%～15%[1]。我國煤矸石的利用率較低[2]，大部分以簡單堆存的方式處理[3]，存在惡化礦區(qū)環(huán)境、危害礦山安全生產(chǎn)和造成經(jīng)濟損失等風(fēng)險。利用煤矸石進行充填開采，既能提高煤矸石的利用率，減輕環(huán)境污染及“碳減排”的壓力，又能緩解地層沉降。為提高煤矸石活性，一般采用高溫煅燒、機械研磨、化學(xué)激發(fā)、微波處理和復(fù)合活化等方法處理煤矸石。如李先海等[4]探究了煅燒溫度對煤矸石膠凝材料的影響，發(fā)現(xiàn)煤矸石活性在500～800 ℃時達到最大。丁莎等[5]發(fā)現(xiàn)機械研磨破壞了煤矸石的層狀結(jié)構(gòu)，提高了其表面活性。王瑩瑩等[6]采用復(fù)合熱液蝕變法制作了煤矸石蝕變物料，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了似膏體充填膠凝材料。張長森等[7]發(fā)現(xiàn)微波輻照可以提高煤矸石活性及其膠凝性能。以上研究中的處理方法尤其是微波處理，在技術(shù)上是可行的，可以提高煤矸石的膠凝性能，使材料具有一定的強度，但是成本比較高，離規(guī)模化生產(chǎn)還有一定的差距。

煤矸石的原位利用是近年來興起的概念，具有能耗少、對環(huán)境污染小和更容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)勢。郭立斌[8]基于中裕煤礦的礦井條件及采掘布置，設(shè)計了井下分選及井下充填系統(tǒng)，有望實現(xiàn)煤矸石不出井即可解決井下矸石排放的問題。胡伯[9]基于小保當(dāng)煤礦的地質(zhì)條件、開采情況和煤矸石產(chǎn)量，提出了充填方案，指明了單一的矸石和礦井水混合作為充填巷道或采空區(qū)充填材料的方向。佟強等[10]在翟鎮(zhèn)煤礦建立了礦井充填開采地面矸石垂直投料系統(tǒng)，可以將地面煤矸石破碎成小塊煤矸石，經(jīng)投料井直接投到井下進行充填。張吉雄等[11]構(gòu)建了煤礦矸石井下分選協(xié)同原位充填開采模式，為煤矸石處理集約化提供了技術(shù)借鑒。此外，Zha等[12]研究了粒徑對煤矸石抗壓特性的影響規(guī)律；Huang等[13]研究了顆粒級配和圍壓條件對破碎煤矸石試樣變形破碎特性的影響；Wu等[14]通過物理壓縮試驗及顆粒流動數(shù)值模擬，分析了不同粒徑煤矸石的壓實變形破壞規(guī)律，為煤矸石原位利用的深入研究打下了基礎(chǔ)。煤矸石的原位利用技術(shù)具有很高的經(jīng)濟價值，但目前該技術(shù)還處于試驗階段，對于其粒徑級配、合理配比和制漿工藝等制漿參數(shù)，以及制備的煤矸石漿液的流動性、穩(wěn)定性和沉積特性等性能，都需要進一步的研究。

基于此，本文以門克慶煤礦的洗選煤矸石為原料，破碎成不同粒徑(100目、150目、200目、250目、300目分別對應(yīng)150 μm、106 μm、74 μm、58 μm和48 μm)的樣品，配制成不同粒徑的煤矸石漿液，測試新鮮漿液的流變性能、流動度和流動時間，探究粒徑及水矸比對漿液流變性能的影響規(guī)律，為尋找煤矸石的最優(yōu)工作粒徑及水矸比提供數(shù)據(jù)參數(shù)，推進煤矸石原位利用的規(guī)?；a(chǎn)進程。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用煤矸石取自內(nèi)蒙古門克慶煤礦的洗矸現(xiàn)場。將原狀煤矸石破碎成5～20 cm的粒狀煤矸石，然后在環(huán)境溫度25 ℃、干燥的條件下將粒狀煤矸石粉磨24 h，并通過篩分法，篩選出粒徑為100目、150目、200目、250目和300目的煤矸石粉末備用。原狀煤矸石的化學(xué)組成如表1所示。煤矸石的礦物以方解石、石英和黏土礦物為主，礦物組成如表2所示。經(jīng)工業(yè)分析，煤矸石中水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的質(zhì)量分數(shù)分別為1.22%、79.20%、65.60%和7.16%。

表1 煤矸石的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of coal gangue

表2 煤矸石的礦物組成Table 2 Mineral composition of coal gangue

1.2 煤矸石漿液的制備

試驗以已完工的門克慶煤礦覆巖離層注漿充填開采工程[15]為基礎(chǔ)，進一步探究粒徑與水矸比對漿液流變性能的影響。該工程中選用的煤矸石粒徑為120～140目(124～104 μm)，水矸比為2.0。為進一步增加漿液的濃度，提高煤矸石的處置量，并在此基礎(chǔ)上進行粒徑影響的研究，本試驗設(shè)置煤矸石的粒徑和水矸比2個變量，采用單一變量法設(shè)計了15組配合比。其中試驗設(shè)計水矸比為1.0、1.5、2.0，煤矸石粒徑為100目、150目、200目、250目、300目，制備漿液的編號記為CGX-Y，X代表煤矸石粒徑目數(shù)，Y代表水矸比。測試流變性能、黏度時變性、流動度及流動時間4個指標(biāo)，共進行60組試驗。制漿前，先將室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到約25 ℃，然后按比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的煤矸石和水，并將煤矸石樣品緩慢倒入水中。制漿時，采用GJSS-B12K型變頻高速攪拌機，在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌漿液20 min，制成粉末均勻分散的不同粒徑煤矸石漿液備用。

1.3 分析和測試

1.3.1 流變性能測試

采用MK-ZN12S型數(shù)顯黏度計測試新鮮煤矸石漿液的流變性能。取350 mL的新鮮漿液倒入樣品杯中，調(diào)節(jié)流變儀的轉(zhuǎn)速為600 r/min，高速剪切漿液1 min，使?jié){液在流變測試前具有相同的剪切狀態(tài)。然后選擇流變測量，設(shè)定轉(zhuǎn)速從600 r/min降至0 r/min，設(shè)置參數(shù)為：定時20 s、間隔轉(zhuǎn)速20 r/min、讀數(shù)間隔20 s，共采集36個數(shù)據(jù)點。隨后調(diào)節(jié)流變儀為常規(guī)測量，采用轉(zhuǎn)速為300 r/min，持續(xù)攪拌漿液20 min，獲得在固定剪切速率下漿液絕對黏度的變化規(guī)律。

1.3.2 流動度及流動時間測試

流動度：煤矸石漿液的流動度測試參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077—2012)，采用截錐圓模(上口直徑為36 mm，下口直徑為60 mm，高度為60 mm)及玻璃板進行試驗。將新鮮漿液迅速注入截錐圓模內(nèi)，然后垂直提起，待漿液在玻璃板上停止流動后，用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個方向的最大直徑，取平均值作為漿液的流動度。

流動時間：漿液的流動時間采用馬氏漏斗黏度計進行測試。將1 500 mL的新鮮漿液倒入馬氏漏斗中，在重力作用下漿液自由流出946 mL所需要的時間即為漿液的流動時間，用秒(s)來表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變性能分析

2.1.1 漿液的流型分析

不同煤矸石粒徑及水矸比條件下漿液的流變曲線如圖1所示，采用origin軟件對剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系進行擬合，擬合公式及相關(guān)參數(shù)見表3和表4。

水矸比為1.0時，漿液的流變特征符合Herschel-Bulkley模型，如式(1)所示。

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa;τ0為屈服應(yīng)力，Pa；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流動指數(shù)。當(dāng)n<1時，漿液為剪切稀化；當(dāng)n>1時，漿液為剪切增稠，且n與1差值越大，漿液剪切增稠或剪切稀化行為越顯著[16-17]。

表3 不同粒徑煤矸石漿液的流型擬合公式(水矸比為1.0)Table 3 Flow pattern fitting formula of coal gangue slurry with different particle sizes (water/gangue ratio is 1.0)

表4 不同粒徑煤矸石漿液的流型擬合公式(水矸比為1.5和2.0)Table 4 Flow pattern fitting formula of coal gangue slurry with different particle sizes (water/gangue ratio is 1.5 and 2.0)

圖1(a)中，CG100-1.0與CG300-1.0的流變曲線很接近，而CG150-1.0、CG200-1.0和CG250-1.0的流變曲線更為接近。這說明CG100-1.0與CG300-1.0的漿液絮凝結(jié)構(gòu)更接近，且漿液絮凝結(jié)構(gòu)并不隨粒徑的變化而呈規(guī)律性變化，這可能是因為300目的煤矸石粒徑很小，遇水后發(fā)生團聚現(xiàn)象，相互黏結(jié)形成二次顆粒，更接近于100目。

水矸比為1.5和2.0時，漿液的流變特征符合Bingham模型，如式(2)所示。

τ=τ0+μγ

(2)

式中：μ為塑性黏度，Pa·s。

由此可見，水矸比對煤矸石漿液流型的影響很大，在水矸比為1.5和2.0時，煤矸石漿液不再符合Herschel-Bulkley模型，開始符合Bingham模型。經(jīng)過對比圖1(a)、(b)、(c)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水矸比一定時，煤矸石粒徑的變化對漿液的流型改變并不顯著，但是會影響漿液的流變參數(shù)。當(dāng)水矸比為2.0時，不同粒徑煤矸石漿液的流變曲線均趨近于一條直線，也說明水矸比是漿液絮凝結(jié)構(gòu)的主控因素，而粒徑對漿液絮凝結(jié)構(gòu)的影響很小。因此，在注漿時，若選用2.0的水矸比，為了節(jié)省破碎能量，可以選擇粒徑為100目的煤矸石漿液作為注漿充填材料。

圖2 水矸比和顆粒粒徑對漿液屈服應(yīng)力的影響Fig.2 Effects of water/gangue ratio and particle size on yield stress of slurry

2.1.2 屈服應(yīng)力和塑性黏度分析

屈服應(yīng)力是由漿液內(nèi)部顆粒之間的吸附和摩擦作用產(chǎn)生的，是引起漿體流動和變形的最小剪切應(yīng)力[18]。圖2為水矸比和顆粒粒徑對漿液屈服應(yīng)力的影響。當(dāng)水矸比為1.0時，不同粒徑煤矸石漿液的屈服應(yīng)力均較大，在2.5～3.6 Pa變化，而且CG100-1.0和CG300-1.0的屈服應(yīng)力相近，均在3.5 Pa左右，這也從側(cè)面證實了CG300-1.0發(fā)生了團聚反應(yīng)，形成的團聚體與CG100-1.0的粒徑大小類似，使得該兩種漿液需要相近的啟動注漿壓力。而CG200-1.0的屈服應(yīng)力最小，為2.45 Pa，小于屈服應(yīng)力為2.89 Pa的CG150-1.0和屈服應(yīng)力為2.69 Pa的CG250-1.0。因此，在注漿時，若需要較高濃度的煤矸石漿液，為降低能耗，推薦采用水矸比為1.0、粒徑為200目的煤矸石漿液配合比。當(dāng)水矸比為1.5和2.0時，漿液的屈服應(yīng)力迅速減小，在0.1～0.7 Pa變化。相同粒徑下，水矸比為2.0、粒徑為200目時的漿液屈服應(yīng)力最小，這是因為漿體中內(nèi)部顆粒最少，顆粒間的吸附和摩擦作用最弱，引起漿體流動所需的最小剪切應(yīng)力較小。

漿液的塑性黏度表示新鮮漿體抵抗內(nèi)部流動的能力，主要與漿體中顆粒的形狀、粒徑和漿體濃度有關(guān)[18]。圖3為不同粒徑煤矸石漿液的黏度。圖3(a)中，水矸比為1.0時，CG100-1.0與CG300-1.0漿液的稠度系數(shù)相近，分別為0.23 Pa·sn和0.25 Pa·sn，CG150-1.0、CG200-1.0、CG250-1.0漿液的稠度系數(shù)相近，分別為0.098 84 Pa·sn、0.098 72 Pa·sn、0.092 89 Pa·sn，均接近0.10 Pa·sn。圖3(b)中，水矸比為1.5，粒徑為100目、150目、200目、250目和300目的漿液塑性黏度分別為0.005 3 Pa·s、0.005 2 Pa·s、0.004 8 Pa·s、0.004 9 Pa·s、0.004 9 Pa·s，均接近0.005 Pa·s，而水矸比為2.0、粒徑為100目、150目、200目、250目和300目的塑性黏度分別為0.003 65 Pa·s、0.003 88 Pa·s、0.003 63 Pa·s、0.003 56 Pa·s、0.003 58 Pa·s，均接近0.004 Pa·s。兩者的塑性黏度值在同一個數(shù)量級上，這一結(jié)果與文獻[19]的試驗結(jié)果一致，即煤矸石的黏度隨濃度的增大而增加，在低濃度(水矸比≥1.5)時，塑性黏度增加趨勢較緩，當(dāng)濃度達到一定程度(水矸比=1.0)后，黏度變化幅度增大。此外，在小水矸比(1.0)時，漿液的顆粒效應(yīng)比較明顯，會影響漿液的屈服應(yīng)力和塑性黏度；而在大水矸比(≥1.5)時，漿液的顆粒效應(yīng)消失，不再對漿液的塑性黏度產(chǎn)生影響，只對漿液的屈服應(yīng)力產(chǎn)生影響(見圖2)。

圖3 不同粒徑煤矸石漿液的黏度Fig.3 Viscosity of coal gangue slurry with different particle sizes

2.1.3 黏度時變性分析

絕對黏度又稱動力黏度，表示漿體內(nèi)摩擦力的大小。煤矸石漿液屬于懸浮液，在固定剪切速率下具有黏度時變性，這將影響漿液的泵送穩(wěn)定性和流動穩(wěn)定性。一般以某一固定的剪切速率為例，探究攪拌時間對漿液絕對黏度的影響。圖4為剪切速率為511 s-1時漿液的絕對黏度變化規(guī)律。對比圖4(a)、(b)、(c)可知，隨著攪拌時間的延長，漿液的絕對黏度逐漸減小，證明煤矸石漿液具有剪切稀釋性。不論圖4(a)中符合Herschel-Bulkley模型的漿體，還是圖4(b)、(c)中符合Bingham模型的漿體，漿液的絕對黏度均以0.2 mPa·s或0.3 mPa·s的“臺階高度”，呈“臺階式”下降。其中，CG100-1.0、CG150-1.0、CG200-1.0、CG250-1.0和CG300-1.0的絕對黏度變化范圍分別為18.2～16.0 mPa·s、14.0～12.0 mPa·s、15.7～13.7 mPa·s、14.2～13.2 mPa·s、15.5～15.0 mPa·s，分別下降了2.2 mPa·s、2.0 mPa·s、2.0 mPa·s、2.0 mPa·s、1.0 mPa·s和0.5 mPa·s，變化幅度基本隨著粒徑的減小呈規(guī)律性變化，這說明小粒徑的煤矸石有助于維持漿液的穩(wěn)定性。由圖4(b)可知，CG100-1.5、CG150-1.5、CG200-1.5、CG250-1.5、CG300-1.5的絕對黏度變化范圍分別為6.2～5.2 mPa·s、5.0～4.0 mPa·s、6.0～5.2 mPa·s、5.5～4.7 mPa·s、4.7～4.0 mPa·s，分別下降了1.0 mPa·s、1.0 mPa·s、0.8 mPa·s、0.8 mPa·s、0.7 mPa·s，變化幅度也逐漸減小。由圖4(c)可知，CG100-2.0、CG150-2.0、CG200-2.0的絕對黏度均從3.0 mPa·s降低到了2.5 mPa·s，降低了0.5 mPa·s，而CG250-2.0、CG300-2.0的絕對黏度均從3.0 mPa·s降低到了2.7 mPa·s，降低了0.3 mPa·s，說明粒徑對低水矸比(1.0)的黏度時變性影響較大，但隨著水矸比的增加，影響逐漸減小。此外，水矸比越大，漿液維持某一絕對黏度的時間越長。因此，從漿液的角度來看，為使煤矸石漿液的注漿壓力維持穩(wěn)定，可以考慮采用較大水矸比(≥1.5)和較長的攪拌時間(>800 s)，有助于提高漿液的泵送穩(wěn)定性。

圖4 剪切速率為511 s-1時漿液的絕對黏度變化規(guī)律Fig.4 Change rule of absolute viscosity of slurry at a shear rate of 511 s-1

2.2 流動度及流動時間分析

不同粒徑煤矸石漿液流動度的試驗結(jié)果如圖5(a)所示。當(dāng)水矸比為1.0、1.5和2.0時，漿液的流動度分別在365～390 mm、460～510 mm、482～530 mm變化，漿液的流動度均不低于365 mm，流動性良好。在相同粒徑下，水矸比越大，漿液的流動度就越大，水矸比仍是漿液流動度的主控因素。

不同粒徑煤矸石漿液的流動時間如圖5(b)所示。經(jīng)測試，水的流動時間為26.22 s。當(dāng)水矸比為1.0、1.5和2.0時，不同粒徑煤矸石漿液的流動時間在31 s、28 s和27 s上下浮動，流動時間均較短，即流動時間范圍在27～31 s。

圖5 不同粒徑煤矸石漿液的流動度及流動時間Fig.5 Degree of fluidity and flow time of coal gangue slurry with different particle sizes

不同粒徑煤矸石漿液的流動度與流動時間的關(guān)系如圖6所示。顯然，漿液的流動度越大，漿液的流動時間就越短，但是經(jīng)分析，兩者并不存在明顯的函數(shù)關(guān)系。

圖6 不同粒徑煤矸石漿液的流動度與流動時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between degree of fluidity and flow time of coal gangue slurry with different particle sizes

3 結(jié) 論

(1)水矸比是煤矸石漿液流變性能的主控因素，當(dāng)水矸比為1.0時，煤矸石漿液符合Herschel-Bulkley模型，當(dāng)水矸比為1.5和2.0時，煤矸石漿液符合Bingham模型。

(2)當(dāng)水矸比確定后，粒徑的改變并不影響煤矸石漿液的流型。當(dāng)水矸比為1.0時，顆粒粒徑會影響漿液的屈服應(yīng)力和塑性黏度，由于團聚反應(yīng)，煤矸石粒徑為300目與100目的漿液的流變參數(shù)相近，屈服應(yīng)力均在3.5 Pa左右，稠度系數(shù)均在0.25 Pa·sn左右，煤矸石粒徑為150目、200目和250目的漿液的稠度系數(shù)相近，均約為0.1 Pa·sn；當(dāng)水矸比為1.5和2.0時，漿液的顆粒效應(yīng)消失，不再對漿液的黏度產(chǎn)生影響，只對漿液的屈服應(yīng)力產(chǎn)生影響，漿液的屈服應(yīng)力在0.1～0.7 Pa變化，塑性黏度分別約為0.005 Pa·s和0.004 Pa·s。相同粒徑下，水矸比為2.0、粒徑為200目時的煤矸石漿液屈服應(yīng)力最小。

(3)不同粒徑的煤矸石漿液具有剪切稀釋性和黏度時變性。粒徑對低水矸比(1.0)漿液的黏度時變性影響較大，但隨著水矸比的增加，影響逐漸減小。從漿液的角度來看，為使煤矸石漿液的注漿壓力維持穩(wěn)定，可以考慮采用較大水矸比(≥1.5)和較長的攪拌時間(>800 s)，有助于提高漿液的泵送穩(wěn)定性。

(4)不同粒徑煤矸石漿液的流動度均不低于365 mm，且流動時間也較短，在27～31 s變化，可以根據(jù)不同的工況選擇漿液配比。