馬宏偉

（中礦金業(yè)股份有限公司）

近年來，隨著國家對安全環(huán)保的日趨重視，對礦山安全生產(chǎn)和礦山固廢處理提出了新的要求，在這種形勢下，充填采礦法在地下礦山中得到了大力推廣。其中，全尾砂充填采礦法因能大量使用礦山固廢并形成流動性好、泌水率低的穩(wěn)定膏體充填而逐漸成為了礦山充填法的主流。全尾砂充填時充填材料配比關(guān)系到充填料漿的輸送性能和充填強度，其中溶液作為充填配比的主要材料之一，是充填骨料和膠凝材料的輸送載體，對充填料漿的輸送性能和充填體的強度有重要影響。對于溶液酸堿性對充填體強度的影響，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。劉煒鵬等［1］將采用標(biāo)注圓柱模具成型并養(yǎng)護(hù)好的充填體分別放入不同pH 值的酸性溶液中，得到了不同酸性溶液條件下充填體的腐蝕過程和最終的強度變化，證實了酸性溶液環(huán)境下充填體強度會降低。孫琦等［2］研究了多種不同腐蝕性溶液對充填體強度的影響，得到了充填體受不同腐蝕性液體腐蝕時的強度變化規(guī)律，對于酸堿溶液配比的充填料漿的流動性能卻少有人研究。對于地表缺水而地下水豐富的地下硫化礦床以及靠近海邊的地下礦山，由于淡水較少但酸性或堿性水豐富，酸堿性水成為充填材料的重要備選，如能通過試驗研究出酸堿溶液配比的充填料漿的輸送性能，對這些地區(qū)的礦山充填工作具有重要的指導(dǎo)意義。

為此，以酸堿溶液配比的充填料漿管道輸送時的管阻損失為研究對象，設(shè)計了包含配比溶液pH值、充填料漿濃度、料漿灰砂比以及充填管道輸送內(nèi)徑等多個因素多個水平的試驗方案并進(jìn)行了工業(yè)試驗，以探究酸堿溶液對充填料漿管道輸送的影響，為礦山利用酸堿溶液配比的充填料漿提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

（1）骨料。試驗采用某銅礦選廠的全尾砂作為充填骨料，通過振動篩分法統(tǒng)計篩上余量，得到全尾砂初始粒級中固體物料粒度-25 μm 含量為13.12%。根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)流輸送時要求固體物料粒度-25 μm含量不低于20%才能保證成為膏體或似膏體進(jìn)行輸送，以減少輸送過程中的離析沉降。雖然水泥中的物料粒度小于25 μm 可以增加固體物料粒度小于25 μm 的含量比例，但由于充填配比的灰砂比未定，為了確保能得到穩(wěn)定的膏體或似膏體結(jié)構(gòu)流，試驗前將全尾砂粗磨，得到試驗用的全尾砂粒度分布（表1），試驗用全尾砂物理性質(zhì)見表2，全尾砂主要化學(xué)成分見表3。

（2）膠凝材料。試驗采用的膠凝材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

（3）水溶液。試驗溶液包括酸性溶液、中性溶液和堿性溶液，酸性溶液采用工業(yè)硫酸配比，中性溶液為普通淡水，堿性溶液采用工業(yè)燒堿配比。

1.2 試驗裝置

試驗系統(tǒng)設(shè)備包括HBT110-16.5-195 混凝土輸送泵，管徑采用內(nèi)徑為200，240，300 mm 的普通無縫鋼管，共3 套環(huán)管試驗系統(tǒng)，每套系統(tǒng)管線長300 m，在測試系統(tǒng)中設(shè)置若干轉(zhuǎn)彎半徑為3D（D為管道內(nèi)徑）的直角彎頭。HBT110-16.5-195 混凝土輸送泵最大出口壓力16.5 MPa，試驗泵送流量100 m3/h，泵送出口壓力維持在10 MPa，在直線區(qū)段和彎頭段設(shè)置壓力表。環(huán)管試驗裝置見圖1。

1.3 試驗方案

試驗探究分析配比溶液的酸堿性對全尾砂充填料漿輸送性能的影響，據(jù)此確定的試驗因素為能夠影響充填料漿輸送性能的因素，包括配比溶液酸堿性（pH 值）、充填料漿濃度、充填材料灰砂比以及充填管道內(nèi)徑4 個因素［3-5］。

通常的試驗方案有全面試驗方案與正交試驗方案。全面試驗方案要求對每一種可能影響因素的組合方案進(jìn)行試驗，正交試驗方案按照“均勻分散、齊整可比”的原則確定正交表方案進(jìn)行試驗［6-8］。2 種試驗方案優(yōu)劣對比見表4。

由于試驗的因素較多，為減少試驗次數(shù)和方便分析試驗結(jié)果，采用正交試驗方案進(jìn)行試驗。以配比溶液pH 值、充填料漿濃度、充填材料灰砂比以及充填管道內(nèi)徑為考察因素（依次為因素A、B、C、D），每個試驗因素選取3個水平，試驗因素各水平安排見表5。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程及結(jié)果

對3 套管徑不同的環(huán)管試驗系統(tǒng)進(jìn)行充填料漿輸送性能測試。對每套環(huán)管系統(tǒng)測試3 組配比溶液pH 值、充填料漿濃度及灰砂比不同的充填料漿的輸送料漿在環(huán)管系統(tǒng)運行平穩(wěn)后的輸送性能，試驗結(jié)果見表6。

注：彎管采用3D直角彎頭，各試驗方案結(jié)果均為試驗因素條件下的平均值；R1表示直管段管阻損失，R2表示彎管段管阻損失。

2.2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

（1）單因素分析。采用單因素分析法分析充填料漿配比溶液的酸堿性對充填料漿輸送時管阻損失的影響。根據(jù)試驗結(jié)果，酸性溶液（pH 值為5）配比的充填料漿在直管段輸送時管阻損失為0.84～1.22 kPa/m，平均管阻損失為0.99 kPa/m；中性水（pH 值為7）配比的充填料漿在直管段輸送時管阻損失為0.91～1.45 kPa/m，平均管阻損失為1.21 kPa/m；堿性溶液（pH值為9）配比的充填料漿在直管段輸送時管阻損失為1.29～1.81 kPa/m，平均管阻損失為1.50 kPa/m。酸性溶液配比的充填料漿在彎管段（3D 直角彎頭，下同）輸送時管阻損失為18.19～27.71 kPa/m，平均管阻損失為22.97 kPa/m；中性水配比的充填料漿在彎管段輸送時管阻損失為19.49～30.84 kPa/m，平均管阻損失為26.23 kPa/m；堿性溶液配比的充填料漿在彎管段輸送時管阻損失為22.36～35.15 kPa/m，平均管阻損失為28.84 kPa/m。具體分析結(jié)果見表7。

由表7 可知，相對于中性水，酸性溶液配比的充填料漿輸送時的直線段管阻損失與彎頭段管阻損失都有所降低；而堿性溶液配比的充填料漿輸送時的直線段管阻損失與彎頭段管阻損失都有所提高。進(jìn)一步對比酸性溶液配比與中性水溶液配比的充填料漿，直管管阻損失的平均值、最大值和最小值分別降低了0.21，0.23，0.07 kPa/m，彎管管阻損失的平均值、最大值和最小值分別降低了2.59，3.13，0.30 kPa/m；堿性水溶液配比對比中性水溶液配比的充填料漿，直管管阻的平均值、最大值和最小值分別提高了0.29，0.36，0.38 kPa/m，彎管管阻的平均值、最大值和最小值分別提高了2.61，4.31，2.81 kPa/m。由此可以看出，在pH 值變化幅度相同時，酸性溶液對充填料漿管阻的降低作用要小于堿性水溶液對充填料漿管阻的提升作用；無論是直管輸送還是彎管輸送，酸性溶液配比的充填料漿輸送時的管阻損失都較中性水和堿性溶液配比的充填料漿要更為穩(wěn)定，而堿性水配比的充填料漿輸送時的管阻損失與中性水配比的充填料漿穩(wěn)定性基本相當(dāng)。

（2）多因素分析。根據(jù)表7 試驗結(jié)果，計算得到的試驗方差分析結(jié)果見表8。

由表8可知，對于充填料漿直管輸送的管阻損失影響因素的重要性由大到小排序為溶液pH 值＞充填管道內(nèi)徑＞充填料漿濃度＞灰砂比，其彎管輸送管阻損失影響因素的重要性由大到小排序為充填管道內(nèi)徑＞溶液pH 值＞充填料漿濃度＞灰砂比；說明無論是直管輸送還是彎管輸送，充填管道內(nèi)徑和溶液pH 值均為重要影響因素，且從各試驗因素得到的均方數(shù)值來看，充填管道內(nèi)徑與溶液pH 值的均方為一個數(shù)量級，且高于充填料漿濃度均方1 個數(shù)量級；而充填料漿濃度的均方數(shù)量級又高于灰砂比1 個數(shù)量級，這說明在分析這4種試驗因素對充填料漿管阻輸送的影響時，必須考慮充填管道內(nèi)徑和溶液pH 值的影響，可考慮充填料漿濃度的影響，而灰砂比對充填料漿濃度的影響則可以直接忽略。

為進(jìn)一步分析配比溶液pH 值在其他試驗因素交互影響下對充填料漿輸送時管阻損失的影響，利用Design-Expert 構(gòu)建試驗?zāi)M分析溶液pH 值在不同影響因素下直管輸送時和彎管輸送時的管阻損失三維柱狀圖，見圖2、圖3。

由圖2（a）可知，在充填料漿濃度相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度要大于酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度；而在充填料漿濃度變化趨勢一致的情況下，堿性溶液配比的充填料漿的管阻損失變化較酸性和中性溶液配比的充填料漿變化要大。由圖2（b）可知，在充填料漿灰砂比相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度要大于酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度；而在充填料漿灰砂比變化趨勢一致的情況下，酸性、中性及堿性溶液配比的充填料漿的管阻損失變化大致相當(dāng)。由圖2（c）可知，在充填管道內(nèi)徑相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度與酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度大致相當(dāng)；而在充填管道內(nèi)徑變化趨勢一致的情況下，酸性溶液配比的充填料漿的管阻損失變化較中性和堿性溶液配比的充填料漿變化要大。

由圖3（a）可知，在充填料漿濃度相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度與酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度大致相當(dāng)；而在充填料漿濃度變化趨勢一致的情況下，堿性溶液配比充填料漿的管阻損失變化較酸性和中性溶液配比的充填料漿變化要大。由圖3（b）可知，在充填料漿灰砂比相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度與酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度大致相當(dāng)；而在充填料漿灰砂比變化趨勢一致的情況下，酸性、中性及堿性溶液配比的充填料漿的管阻損失幾乎一樣，無變化。由圖3（c）可知，在充填管道內(nèi)徑相同時，相對于中性水配比的充填料漿，堿性溶液配比對管阻損失的提升幅度與酸性溶液配比對管阻損失的降低幅度大致相當(dāng)；而在充填管道內(nèi)徑變化趨勢一致的情況下，酸性、中性與堿性水溶液配比的充填料漿的管阻損失變化大致相當(dāng)。

2.3 試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果分析可知，無論是對充填料漿直管輸送還是彎管輸送，堿性溶液下配比的料漿管阻損失都要大于中性水溶液配比，而酸性溶液配比的料漿管阻損失要小于中性水溶液配比料漿；這可能是由于堿性溶液可以加速鋁酸鈣水化產(chǎn)物的形成，對水泥與骨料之間的膠凝反應(yīng)有加速作用；而酸性溶液則破壞鋁酸鈣水化產(chǎn)物的形成，對水泥與骨料的膠凝反應(yīng)則有阻滯作用。且無論其他試驗因素如何變化，相對于中性水配比的料漿，堿性溶液配比的料漿管阻大體上相對于酸性溶液配比料漿更為敏感，管阻損失的變化幅度更大，這說明堿性溶液對水泥和骨料的加速凝結(jié)作用相對于酸性溶液對凝結(jié)作用的破壞與阻滯作用要更為迅速猛烈。但相對于直管輸送，彎管輸送時的堿性溶液配比的料漿管阻損失與酸性溶液配比的料漿管阻損失相對于中性水配比料漿的增減幅度趨同，這可能是由于彎管輸送時，彎頭輸送產(chǎn)生的局部管阻損失較大，從而配比溶液的酸堿性對料漿輸送管阻損失的影響有較強的淡化作用，從而導(dǎo)致2種情況下管阻增減幅度趨同。

2.4 試驗結(jié)果應(yīng)用

根據(jù)以上分析結(jié)果，在礦山因無淡水資源而采用酸性或堿性水溶液配比充填料漿時，應(yīng)特別注意配比充填料漿的溶液酸堿性對充填料漿管阻損失的減增作用。在保證充填設(shè)備不受或少受酸堿腐蝕的前提下，酸性溶液配比的充填料漿因管阻損失相對較小，其充填范圍可以更大；而堿性水溶液配比的充填料漿因管阻損失相對更大，其充填范圍要比以往更小，且應(yīng)注意輸送過程中因料漿過早凝固而發(fā)生的堵管事故。在充填料漿輸送過程中，應(yīng)注意配比溶液pH 值與其他料漿輸送影響因素的交互作用，尤其是應(yīng)注意其與充填管徑的交互作用對充填料漿管阻損失的影響，以實現(xiàn)提前預(yù)判應(yīng)對。礦山企業(yè)也可有意識根據(jù)自身需要，調(diào)節(jié)充填料漿配比溶液的酸堿性或直管彎管的管徑，以改變充填料漿的輸送管阻損失，實現(xiàn)充填料漿的順暢輸送。這對于指導(dǎo)礦山充填工作，尤其是地下硫化礦床礦山以及濱海地下礦山的充填工作，具有積極而現(xiàn)實的意義。

為進(jìn)一步證實試驗分析結(jié)果，某濱海金礦地下采場進(jìn)行海水配比充填料漿的管道輸送現(xiàn)場試驗。經(jīng)實測，直管輸送時管阻損失比淡水配比的充填料漿管阻大了約12%，彎管輸送時的管阻損失比淡水配比的充填料漿大了約5%。證實了配比溶液的酸堿性對充填料漿輸送的管阻損失有影響，且與該試驗分析結(jié)果一致。為了減弱溶液酸堿對充填輸送的不利影響，該金礦采用了大管徑輸送充填料漿，有效減弱了海水配比對充填料漿管道輸送時的不利影響。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計了包括酸性、中性及堿性不同pH 值溶液在內(nèi)的四因素三水平工業(yè)環(huán)管正交試驗方案，通過試驗得出，相對于一般中性水配比料漿，酸性溶液配比的充填料漿輸送管阻損失將會下降，而堿性溶液配比的充填料漿輸送管阻損失將會提高，且充填料漿輸送管阻損失相對而言，對堿性溶液更加敏感。

（2）通過對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，在配比溶液pH 值、充填料漿濃度、灰砂比及充填管道內(nèi)徑4個因素中，配比溶液pH 值對充填料漿輸送時管阻損失的影響僅次于充填管道內(nèi)徑，要強于充填料漿濃度，遠(yuǎn)強于充填料漿的灰砂比。

（3）通過對配比溶液pH 值與其他試驗因素的三維柱狀圖分析，堿性溶液配比對充填料漿的加速凝結(jié)作用相對于酸性溶液配比對料漿凝結(jié)的破壞要更強烈；這種現(xiàn)象造成的管阻損失增減變化在直管輸送時顯得差異更大，而在彎管輸送時差異相對要小。

（4）某濱海金礦采用海水進(jìn)行充填料漿配比后進(jìn)行管道輸送，由于海水呈弱堿性導(dǎo)致直管輸送和彎管輸送管阻損失都較淡水配比的充填料漿要大，且直管輸送時的管阻損失增加幅度要較彎管輸送時更大，進(jìn)一步證實了該試驗結(jié)論的可靠性。