高濃度全尾砂充填料漿流變特性試驗(yàn)研究

侯國權(quán)，郭利杰，楊 超，許文遠(yuǎn)

（北京礦冶研究總院，北京100160）

某硫金礦山經(jīng)過長年開采，截至目前已形成超過130萬m3的采空區(qū)。大量采空區(qū)的存在，破壞了巖體的原巖應(yīng)力平衡，成為影響礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)人員財產(chǎn)安全最主要的危險源。而且充填料來源困難，所以采用全尾砂充填處理空區(qū)，不僅可以消除空區(qū)的安全隱患，還可以避免地表尾礦庫的建設(shè)。

在全尾砂充填實(shí)踐中，充填料漿管道的輸送能力管道阻力以及輸送過程的安全與可靠性取決于料漿濃度和灰砂比以及膠結(jié)材料性質(zhì)。針對全尾砂充填料漿開展流變特性研究是決定其能否進(jìn)行管道輸送及其輸送的難易程度的重要指標(biāo)，流動性越好越易于實(shí)現(xiàn)管道自流輸送，反之則難于實(shí)現(xiàn)管道自流輸送［1－4］。

1 尾砂基本性質(zhì)研究

粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量，尾砂的粒度分布情況決定著充填工藝的全過程，對造漿、輸送和充填體質(zhì)量影響都很大。本文利用馬爾文激光粒度測試儀測試全尾砂粒級組成，測試分析結(jié)果見表1，圖1為全尾砂粒級組成曲線。

圖1 全尾砂粒度分布曲線

通過測試得出全尾砂的主要粒徑參數(shù)為：d10為7.621μm，d50為120.317μm，d90為385.855μm，不均勻系數(shù)α＝20.89（α＝d60/d10，d10、d60分別是累計(jì)含量為10%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑）。試驗(yàn)結(jié)果表明，全尾砂細(xì)泥含量較低，大于74μm的尾砂量為63.80%，粗細(xì)顆粒搭配不均勻。

表1 全尾砂激光粒度分析匯總結(jié)果

根據(jù)國內(nèi)外充填的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)充填料固體物料中－25μm顆粒含量高于25%時，該種充填料才可能成為穩(wěn)定性較好具有一定輸送性的結(jié)構(gòu)流充填料漿。根 據(jù) 粒 度 分 析，全 尾 砂－25μm含 量 為19.33%，水泥－25μm含量一般認(rèn)為在80%以上，通過合理的配比，可以實(shí)現(xiàn)高濃度充填。

2 全尾砂充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)

測定擴(kuò)散度主要是為了掌握充填料漿流動性，評定粘聚性和保水性。本試驗(yàn)采用目前較通用的“坍落筒法”，它的試驗(yàn)設(shè)備、方法簡單，試驗(yàn)數(shù)據(jù)一定程度上也能夠反映料漿的流動特性。試驗(yàn)方法見圖2。

圖2 充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)過程

通過試驗(yàn)測定全尾砂擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著充填料漿濃度的增加，其流動性越差。全尾砂充填料漿濃度在74%以下時流動性較好，76%時流動性差。

3 全尾砂充填料漿流變試驗(yàn)

3.1 流體模型

流變模型是流體在載荷下，其切變率和切應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)不同的流變性能，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。

表2 全尾砂充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)數(shù)據(jù)/cm

3.1.1 牛頓流體

牛頓流體的剪切應(yīng)力與速度梯度呈線性關(guān)系，用公式表示為：τ＝μ（dvx/dy）＝μγ，式中的比例系數(shù)μ反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的動力粘性系數(shù)。

3.1.2 非牛頓流體

對于非牛頓型流體，人們提出了幾個描述內(nèi)摩擦特性的流變方程模型，譬如Ostwald—dewaele冪律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham模型等。

1）冪律模型認(rèn)為，非牛頓型流體的黏度函數(shù)是速度梯度或剪切速率絕對值的一個指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為：η＝K（dvx/dy）n＝Kγn－1，式中，K為稠度系數(shù)（Pa·sn）；n為流體特性指數(shù)，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度。工業(yè)上80%以上的非牛頓流體均可用此模型計(jì)算。

2）Bingham流體，即塑性流體是指當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，漿體才能發(fā)生流動，具有塑性液體性質(zhì)；當(dāng)剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，漿體沒有流動性，表現(xiàn)為固體。其表達(dá)式為：τ＝τ0＋ηplγ，式中τ0代表屈服應(yīng)力（Pa）；ηpl代表塑性黏度系數(shù)（Pa·s）。塑性黏度ηpl是漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動的一種性能，反映了漿體體系的變形速率。當(dāng)剪切應(yīng)力高于屈服應(yīng)力時，漿體流動同時它的流動阻力由塑性黏度決定。這兩個流變參數(shù)值的變化主要受漿體的組成和漿體體系內(nèi)的顆粒性質(zhì)的影響。

3）赫 切爾－巴爾克（Hereshel－Bulkley或H－B）流體是指當(dāng)剪切應(yīng)力τ超過臨界值τ0后才開始流動，并且剪切速率隨（τ－τ0）成冪律增加的流體［5－7］。

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用美國Brookfield公司的新型流變儀，使用槳式轉(zhuǎn)子測定不同條件下料漿的流變性能。流變儀由低速檔開始，逐漸增大，運(yùn)行120s，每秒記錄一個讀數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件RHE03000顯示的數(shù)值作出流變曲線并進(jìn)行擬合，最終得到流變模型及相應(yīng)的流變參數(shù)。

3.3 流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對不同濃度和不同灰砂比全尾砂充填料漿的（濃度范圍70%、72%、74%，灰砂比1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20）流變特性進(jìn)行測試，結(jié)果見表3，相應(yīng)的剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)系曲線見圖3～5。

表3 試驗(yàn)全尾砂充填料漿流變方程模型

圖3 灰砂比1∶4全尾砂漿關(guān)系曲線

圖4 灰砂比1∶8全尾砂漿關(guān)系曲線

從表3和圖3～5可知，不同灰砂比全尾砂料漿流變特性關(guān)系曲線中可以看出，不同灰砂比的全尾砂充填料漿，剪切屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)隨著剪切速率的增加而增大。隨著料漿濃度增大，剪切屈服應(yīng)力增大。當(dāng)全尾砂充填料漿濃度達(dá)到74%時，漿體流動所需要克服的剪切應(yīng)力成指數(shù)增長，比濃度為72%時的數(shù)值大2～3倍，說明全尾砂充填料漿的上限濃度為74%。

圖5 灰砂比1∶15全尾砂漿關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1）通過對全尾砂不同濃度料漿的擴(kuò)散度試驗(yàn)可知，全尾砂充填料漿濃度在74%以下時流動性較好，76%時自流困難。

2）根據(jù)流變試驗(yàn)結(jié)果可知，全尾砂料漿濃度在70%～74%之間時，其料漿屬于Bingham流體。試驗(yàn)結(jié)果表明，其主要流變參數(shù)τ0，在砂灰比一定的條件下，隨著料漿濃度增大而增大，其中，在料漿濃度由72%提高到74%時，τ0提高了2～3倍，說明濃度為74%時為料漿輸送阻力極具增大的突變點(diǎn)，即濃度大于74%時，料漿輸送困難，這一點(diǎn)與擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)論相一致。

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