全尾砂膏體多尺度物料均質(zhì)化制備技術(shù)研究*

王濤,石勇,鄭伯坤,賴偉

(1.招遠(yuǎn)市靈山金礦有限公司,山東 煙臺市 265400;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室,湖南 長沙 410012)

0 引言

充填料漿制備技術(shù)是充填工藝的重要環(huán)節(jié),是實現(xiàn)穩(wěn)定高濃度均質(zhì)化充填的關(guān)鍵。尤其是尾砂級配性質(zhì)較差的物料,更需要提高攪拌技術(shù)。通過高效活化攪拌,使尾砂、膠凝材料均勻分散,保證充填體在管道輸送過程中各部分料漿的強(qiáng)度、流動性及阻力保持一致,避免不均質(zhì)的充填體造成堵管、爆管事故的發(fā)生[1-7]。目前,針對尾砂均質(zhì)化充填技術(shù)的研究都集中體現(xiàn)在膠凝材料的類型、尾砂漿的性狀、攪拌葉片的安裝及充填控制系統(tǒng)運(yùn)行等方面[8-9],取得了較好的成果。何哲祥等[10]介紹了攪拌技術(shù)在不同膠結(jié)充填場景下的運(yùn)用情況,并揭示了細(xì)顆粒尾砂與膠凝材料制備高濃度料漿的機(jī)理。周家祥等[11]針對充填體不均質(zhì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度波動較大的問題,提出了二次攪拌的辦法,通過改變攪拌工藝解決了充填體強(qiáng)度的波動。李宗楠等[12]通過高速攪拌破壞充填料漿中的“團(tuán)塊”,進(jìn)而改善充填料漿的流動性能,確保充填料漿穩(wěn)定輸送。楊柳華等[13]研究了膏體的觸變性,通過開展尾砂在不同工況下的流變測試,得到了尾砂粒徑、水泥添加量等因素對膏體觸變的規(guī)律。賴偉等[14]針對脫水尾砂料漿制備難等問題,提出了一種強(qiáng)制均化制備膏體方法,該方法投資小,適合中小型礦山企業(yè)。楊超峰等[15]為了解物料在攪拌機(jī)內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài),借助EDEM 數(shù)值模擬軟件,得到了物料在高速攪拌下更均勻分布在充填料漿中的結(jié)論。欒黎明等[16]利用Fluent數(shù)值模擬軟件對不同葉片安裝角進(jìn)行了模擬,分析了不同工況下攪拌桶內(nèi)部料漿的運(yùn)動軌跡,得到了復(fù)合攪拌組合方式的效果最佳。但學(xué)者們對攪拌過程中設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化的研究甚少,優(yōu)化攪拌參數(shù)不僅能形成質(zhì)量較好的均質(zhì)化充填體,而且能保證設(shè)備低能耗、高效率運(yùn)行。

基于此,本文通過控制單一變量法展開了試驗,確定了影響設(shè)備活化攪拌單一因素的最佳值。綜合多因素的優(yōu)化值進(jìn)行了試驗驗證,結(jié)果表明攪拌效果顯著。該方法過程簡單、可靠,為礦山企業(yè)后續(xù)充填提供了技術(shù)支撐。

1 充填料漿攪拌影響因素試驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括全尾砂、膠凝材料、數(shù)顯變頻器等,其全尾砂物理性質(zhì)見表1。全尾砂粒徑組成見表2。

表1 全尾砂物理性質(zhì)

表2 尾砂粒徑組成 %

由表2 可知,尾砂200 目以下的占比小于50%。為探究尾砂級配質(zhì)量效果,采用200目多孔篩對尾砂進(jìn)行分級,按照-200目顆粒分別占20%、40%、60%、80%、100%配制尾砂樣品進(jìn)行試驗,試驗方案見表3。

表3 尾砂粒徑級配特征指標(biāo)

為定量分析各試驗組尾砂的級配質(zhì)量,利用Fuller曲線級配理論對尾砂的篩分結(jié)果進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 差異化尾砂粒徑分布曲線與Fuller理想級配曲線的比較

由圖1可知,尾砂的級配曲線均明顯偏離Fuller理想級配曲線,尾砂顆粒為不連續(xù)分布,呈現(xiàn)細(xì)粒徑含量多、中間粒徑和粗粒徑含量較少的特點(diǎn)。通過對尾砂級配曲線進(jìn)行擬合,得出各試驗組的級配指數(shù)n分別為0.116,0.191,0.166,0.129,0.105和0.144,均小于理想級配指數(shù)0.5和較優(yōu)密實度范圍0.3～0.6,說明各試驗組尾砂總體級配質(zhì)量均較差,不利于形成強(qiáng)度穩(wěn)定且均質(zhì)的充填體。因此,為保證均質(zhì)化充填體的質(zhì)量,需優(yōu)化攪拌參數(shù)。

全尾砂膏體料漿在攪拌過程中受多種因素的影響,尤其是攪拌參數(shù)的設(shè)定,不同的攪拌參數(shù)直接決定了充填料漿的攪拌效果。因此,探索全尾砂充填料漿的最佳攪拌速度和攪拌時間對均質(zhì)充填體質(zhì)量尤為重要。

1.2 試驗方案

選取攪拌速度、攪拌時間及多尺度物料組成3個影響因素,充填體強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)差2個因子進(jìn)行3組試驗,試驗方案如下。

(1) 試驗方案一:采用數(shù)顯變頻器控制攪拌速度,攪拌速度設(shè)定為30,60,120,200,300 r/min共5個水平,攪拌時間為180 s,料漿質(zhì)量濃度與灰砂比分別為72%和1∶4。

(2) 試驗方案二:攪拌時間分別為30 s、60 s、120 s、180 s、240 s,攪拌速度固定為150 r/min,料漿質(zhì)量濃度與灰砂比分別為72%和1∶4。

(3) 試驗方案三:料漿灰砂比為1∶4,料漿質(zhì)量濃度分別為68%、70%、73%和75%,攪拌時間為180 s,攪拌速度為150 r/min。

1.3 試驗結(jié)果分析

1.3.1 攪拌速度的影響

通過開展攪拌速度對均質(zhì)化充填體質(zhì)量的影響試驗,結(jié)果顯示出攪拌速度與充填體質(zhì)量有明顯的相關(guān)性,如圖2所示。當(dāng)攪拌速度低于120 r/min時,充填體的強(qiáng)度隨著攪拌速度的增大而增大,標(biāo)準(zhǔn)差隨著攪拌速度的增大而較小,攪拌速度對攪拌質(zhì)量影響效果顯著。當(dāng)攪拌速度為120～200 r/min時,充填體的強(qiáng)度隨著攪拌速度的增大而緩慢增加,標(biāo)準(zhǔn)差隨著攪拌速度的增大保持持平狀態(tài),攪拌速度對攪拌質(zhì)量效果影響不顯著。綜合分析可知,攪拌速度控制在200 r/min以內(nèi)時,形成的充填體質(zhì)量更佳。

圖2 攪拌速度對充填體質(zhì)量的影響曲線

通過對不同攪拌速度制備的料漿進(jìn)行流變測試,擴(kuò)展度測試照片如圖3 所示,測試結(jié)果如圖4 所示。

圖3 擴(kuò)展度測試

圖4 攪拌速度對料漿流變及宏觀流動性影響曲線

由圖4可知,當(dāng)增大攪拌速度時,制備的料漿各養(yǎng)護(hù)期齡抗壓強(qiáng)度及擴(kuò)展度均有所提高,而屈服應(yīng)力隨著攪拌速度提高而降低,這說明隨著攪拌速度的增加,料漿具有剪切力降低的特征,特別是攪拌線速從30 r/min增加到200 r/min的過程。

但是,當(dāng)攪拌速度超過200 r/min時,攪拌速度的增加并沒有顯著提升充填體的抗壓強(qiáng)度及擴(kuò)展度,200 r/min的攪拌速度可以實現(xiàn)顆粒充分分散。研究表明,攪拌速度越大,膠凝材料及物料組分分子間作用力被破壞的微粒就越多,效果就越好。但是越大的攪拌速度意味著能耗越嚴(yán)重,同時設(shè)備的磨損及使用壽命也大受影響。綜上所述,試驗配比最佳攪拌速度為200 r/min。

1.3.2 攪拌時間的影響

不同攪拌時間下,料漿養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度如圖5所示。通過采用固定攪拌速度,對固定配比的物料進(jìn)行不同時間的攪拌,料漿流變性測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 攪拌時間對充填體質(zhì)量的影響曲線

圖6 攪拌時間對料漿流變及擴(kuò)展度影響曲線

由圖5和圖6可知,過長時間的攪拌對試塊強(qiáng)度并沒有起到促進(jìn)作用,甚至可能降低試塊力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)攪拌時間超過180 s時,過分?jǐn)嚢鑼?dǎo)致了大量松散的水化產(chǎn)物填充在尾砂顆粒之間,并阻礙了水化的進(jìn)一步進(jìn)行,對力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展不利。因此,可以認(rèn)為過度攪拌改變了膏體試塊的微觀結(jié)構(gòu),使得水化產(chǎn)物變得更為松散,降低了單軸抗壓強(qiáng)度。研究表明,攪拌時間在180 s左右時,認(rèn)定膠凝材料與尾砂完成了均質(zhì)攪拌,達(dá)到了預(yù)期理想效果。

1.3.3 物料組成的影響

攪拌時間對攪拌質(zhì)量的影響曲線如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)增加攪拌時間時,各種濃度的料漿在養(yǎng)護(hù)3 d后的強(qiáng)度都有所增加,說明適當(dāng)延長攪拌時間有利于早期強(qiáng)度的增加,但是當(dāng)攪拌時間達(dá)到一定值后,早期強(qiáng)度將不再繼續(xù)增加,這與前面的研究結(jié)果一致。另外,料漿質(zhì)量濃度的高低反映了料漿中固體含量的多少,在相同的體積內(nèi)濃度越高,其顆粒與顆粒直徑的距離越小。而顆粒之間的作用力與距離相關(guān),顆粒距離越小,顆粒的相互作用力越大,實現(xiàn)攪拌分散越困難。因此,隨著料漿質(zhì)量濃度的增加,攪拌分散所需的時間變長。研究結(jié)果表明,隨著料漿質(zhì)量濃度的增加,最佳攪拌時間也隨之增加,強(qiáng)度變化標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定時間也隨著料漿質(zhì)量濃度而發(fā)生變化。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度增加到74%時,在攪拌3 min左右時的單軸抗壓強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)差不再發(fā)生限制改變。因此,在工程應(yīng)用時,最大的充填料漿質(zhì)量濃度不應(yīng)超過74%,最佳攪拌時間為3 min,攪拌效果最佳。

圖7 攪拌時間對攪拌質(zhì)量的影響曲線

2 試驗驗證

基于上述單一變量法確定的研究成果,通過開展室內(nèi)試驗,測試料漿力學(xué)性能、流變特性等相關(guān)數(shù)據(jù),驗證試驗結(jié)果的可行性。試驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 攪拌機(jī)試驗系統(tǒng)

試驗采用的攪拌桶直徑為0.7 m,料漿深度為0.5 m。試驗過程首先稱取拌合水96.9 kg,倒入攪拌桶中,啟動攪拌機(jī),轉(zhuǎn)速設(shè)置為200 r/min。稱取199.2 kg烘干后的干尾砂,分多次逐步加入攪拌桶中充分?jǐn)嚢?形成尾砂漿。然后,稱取49.8 kg充填C料,在30 s內(nèi)將其勻速倒入至攪拌桶。充填C 料加入完畢后立即開始計時,攪拌3 min后,關(guān)閉攪拌機(jī)。用取料器取料8份(上、下各4份),并對其進(jìn)行流變性測試,測試料漿制作試塊后養(yǎng)護(hù),測試不同齡期抗壓強(qiáng)度,測試結(jié)果見表4,不同時間與不同位置下料漿性能變化曲線如圖9所示。

圖9 不同時間與不同位置下料漿性能變化曲線

表4 攪拌料漿性能測試結(jié)果

由表4可知,不同位置料漿的各項測試參數(shù)結(jié)果整體趨于一致,表明了物料在最優(yōu)攪拌參數(shù)攪拌作用下,均勻的分散在料漿漿體之中,致使各部分漿體流變性能相同。由圖9可知,上、下部料漿漿體強(qiáng)度的走勢一致,但下部料漿漿體強(qiáng)度略高于上部,主要原因是:在用取料器取料時,不同的時間差導(dǎo)致結(jié)果差異。下部料漿漿體的流動性比上部低,而全尾砂中粗顆粒沉積較快,取料存在一定的時間差,造成了所取的下部料漿質(zhì)量濃度略高于上部料漿質(zhì)量濃度,所以強(qiáng)度有一點(diǎn)變化。并且通過不同位置下充填漿體的屈服應(yīng)力和黏度曲線發(fā)現(xiàn),兩條曲線的波動較小,僅下部料漿漿體的屈服應(yīng)力和黏度略高于上部料漿漿體,原因與上述一致,但在實際工業(yè)試驗的連續(xù)進(jìn)出料環(huán)境中,這種情況將得到改善。綜上所述,配制灰砂比1∶4,料漿質(zhì)量濃度72%的充填料漿,在攪拌參數(shù)設(shè)置為速度200 r/min,攪拌時間為3 min時,得到的料漿漿體是均質(zhì)的,能滿足礦山充填需求。

3 結(jié)論

(1) 通過Fuller理想級配曲線定量對全尾砂及-200目顆粒分別占20%、40%、60%、80%、100%配制的尾砂樣品進(jìn)行級配質(zhì)量分析,得到級配指數(shù)n分別為0.116,0.191,0.166,0.129,0.105 和0.144,均小于理想級配指數(shù)0.5和較優(yōu)密實度范圍0.3～0.6,說明各試驗組尾砂總體級配質(zhì)量均較差,影響高濃度均質(zhì)充填體的形成。

(2) 選取了攪拌速度、攪拌時間及物料組成3個影響因素進(jìn)行分析,當(dāng)充填料漿質(zhì)量濃度小于74%時,攪拌參數(shù)設(shè)置速度為200 r/min,攪拌時間為3 min,攪拌效果最佳。

(3) 基于單一變量法確定的最優(yōu)攪拌參數(shù),通過室內(nèi)試驗測定的料漿力學(xué)性能及流變特性驗證了參數(shù)的準(zhǔn)確性,對礦山充填具有一定的指導(dǎo)意義。