分級尾砂料漿輸送性能及流變特性試驗研究

任海鋒，白賢武，程光華，盛學(xué)棟，陶海東

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3．山東黃金礦業(yè)萊西有限公司，山東萊西266616）

分級尾砂料漿輸送性能及流變特性試驗研究

任海鋒1，2，白賢武3，程光華1，2，盛學(xué)棟3，陶海東3

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3．山東黃金礦業(yè)萊西有限公司，山東萊西266616）

以萊西金礦分級尾砂、C料為試驗材料，對分級尾砂進行粒徑分析、沉降試驗、泌水率試驗、坍落度試驗。試驗得到萊西金礦分級尾砂屬于粗粒級尾砂并且屬于不良級配，充填料漿的保水性能與灰砂比、濃度呈正相關(guān)性。并對充填料漿進行流變特性試驗，對試驗所得屈服應(yīng)力、塑性黏度隨灰砂比變化進行擬合，得到屈服應(yīng)力與塑性黏度的增長模型，其基本符合指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。屈服應(yīng)力與灰砂比、料漿濃度呈正相關(guān)性，塑性黏度與料漿濃度呈正相關(guān)性，與灰砂比呈負(fù)相關(guān)性。試驗研究結(jié)果對指導(dǎo)充填工程系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)節(jié)充填材料配比、確定管道輸送參數(shù)等具有重要的現(xiàn)實意義。

分級尾砂；輸送性能；流變特性；增長模型

充填采礦法的應(yīng)用可以改善深部礦體開采的地壓問題，確保礦產(chǎn)資源的安全、高效回收［1－2］，因此其得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一些學(xué)者［3－5］針對充填體強度等力學(xué)性能進行了大量研究，但是充填料漿的沉降、泌水性能以及流變特性卻遭到相對忽視，相關(guān)研究少之又少［6］。饒運章［7］等在預(yù)脫水試驗中分析了充填料漿的沉降性能。鄒輝［8］等對全尾砂—水淬渣膏體泌水性能進行了研究。韓斌［9］等通過充填配合比試驗研究了錦豐金礦井下充填料漿實現(xiàn)自流合適的灰砂比、料漿濃度及充填倍線。李茂輝［10］等結(jié)合新型膠凝材料開展了全尾砂充填料漿流變特性試驗，揭示了影響全尾砂自流輸送的因素和流變參數(shù)。

尾砂能否用于充填料的最關(guān)鍵參考指標(biāo)就是尾砂粒徑與級配；充填料漿的沉降和泌水性能又關(guān)系到充填料漿的輸送。同時，充填料漿流變特性是影響其輸送時的流型、流態(tài)、流速以及其他相關(guān)流變參數(shù)的關(guān)鍵因素之一。而流變參數(shù)又是充填料漿配比選擇、充填管道阻力計算與充填料漿輸送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等的基礎(chǔ)和重要依據(jù)之一［11］，因此其對礦山充填具有重要的實際意義。

萊西金礦產(chǎn)于招—平主斷裂帶以下，圍巖主要為黃鐵絹英巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖，與圍巖無明顯邊界，呈漸變過渡狀態(tài)。目前該礦以上向水平分層膠結(jié)充填法和上向進路式充填法為主。

基于以上所述內(nèi)容，本文以萊西金礦分級尾砂、C料為主要試驗材料，對尾砂粒徑、沉降特性以及流變特性進行研究，對井下充填具有一定的實際意義。

1 分級尾砂料漿基本性能測試及分析

1．1 粒徑分析試驗

充填材料的級配，是指物料中不同粒徑顆粒的百分含量。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)量都有重要的影響。通過使用激光粒度分析儀，可以測得萊西金礦分級尾砂的粒級組成，根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)得到尾砂粒徑累積的分布曲線，如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑分布曲線Fig．1 Distribution curve of tailings size

同時可以得到萊西金礦分級尾砂主要粒徑參數(shù)，如表1所示。

表1 尾砂粒徑結(jié)果分析Table 1 Result analysis of tailings size

顆粒不均勻系數(shù)Cu是表示尾砂粒徑組成的重要特征，當(dāng)Cu很小時，曲線就很陡，表示尾砂均勻；當(dāng)Cu很大時，曲線平緩，表示尾砂級配良好。

曲率系數(shù)Cc是表示尾砂粒級組成的又一特征：

當(dāng)尾砂級配Cu＞5且Cc＜1～3時為級配良好，萊西金礦分級尾砂僅滿足第二個要求，說明該分級尾砂屬于不良級配。

萊西金礦分級尾砂中值粒徑D50＝100．54μm，說明該分級尾砂屬于粗粒級尾砂。

1．2 沉降試驗

該試驗的目的是為了了解尾砂在不同濃度情況下的沉降速度，為尾砂的輸送、立式砂倉的儲存、井下空區(qū)的充填提供依據(jù)。

試驗針對濃度為32%、33%、35%的料漿分別進行測試，沉降開始時，以20s為間隔時間段對澄清層進行記錄，隨后以60s和120s為間隔時間段進行記錄，直到澄清層的高度不再變化。

圖2所示為尾砂自然沉降曲線。

圖2 分級尾砂自然沉降曲線Fig．2 Settlement curve of classified tailings

試驗結(jié)果表明：料漿濃度越小，沉降結(jié)束后澄清層高度越高；雖然濃度不同，但沉降開始至結(jié)束所需時間基本相同。由于萊西金礦分級尾砂屬于粗粒級尾砂，粗顆粒的含量較高以致快速沉淀產(chǎn)生離析，即分級尾砂的自然沉降以粗顆粒的沉淀離析為主，因此相對超細(xì)全尾砂而言，其自然沉降速度更快。在沉降過程中，三種料漿濃度在前50s內(nèi)沉降速度極快并且區(qū)別并不明顯，50s后料漿沉降速度逐漸減緩，并且各濃度料漿沉降速度逐漸顯示出一定差距，隨著時間的推移差別越來越大，直到100s后沉降基本結(jié)束?？梢缘玫?2%、33%、35%三種濃度的料漿極限濃度分別可以達到72．72%、73．66%、74．46%。

1．3 泌水率試驗

與充填料漿沉降相對應(yīng)的另一個指標(biāo)是充填料漿的保水性能。泌水率反映了砂漿的析水性能，實際上也是砂漿的保水性能。泌水率是指泌出水的質(zhì)量占料漿中所含水量的百分率。其計算公式為：

式中：S—泌水率；m—靜置某一時間的泌水量；M—料漿質(zhì)量；ρ—料漿濃度。

泌水率的大小與靜置時間有關(guān)；靜置時間越長，泌水率越大。所以，在泌水率的測定過程中，能否快速取出泌出的水分至關(guān)重要，直接影響泌水率測量的精確性。

試驗制備濃度分別為65%、70%、75%，灰砂比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶18、1∶20的充填料漿，靜置60min后，將砂漿表面清水用濾紙吸出，測定吸出的清水含量。根據(jù)試驗結(jié)果可以得到泌水率隨灰砂比、料漿濃度變化曲線，如圖3所示。

圖3 料漿泌水率隨灰砂比變化曲線Fig．3 Curve of slurry bleeding rate changing with cement－sand ratio

從圖3中可以看出，在濃度一定的條件下泌水率隨著灰砂比的降低而增加，亦即隨著灰砂比的增加，充填料漿的保水性能越來越好，這是因為一方面灰砂比增加使充填料漿中膠結(jié)劑所占比例逐漸增大，膠結(jié)劑顆粒較小，相比粗顆粒，細(xì)顆粒的保水性能更好；另一方面，灰砂比的增大增加了充填料漿內(nèi)的水化反應(yīng)速率，由于固體顆粒表面產(chǎn)生的水化反應(yīng)產(chǎn)物增加從而增大了料漿的保水性能。但是，不論料漿濃度如何，隨灰砂比的增加，充填料漿保水性能的提高并不明顯。

在灰砂比一定的條件下，隨著料漿濃度的增大，充填料漿的保水性能逐漸增大，并且料漿濃度的增大對提高充填料漿保水性能的作用較增大灰砂比更加明顯，說明泌水率對濃度的敏感性遠(yuǎn)大于對灰砂比的敏感性。

充填料漿的保水性能越好，料漿在輸送過程中的流動性就越好，越不易發(fā)生沉降以致堵管，因此料漿濃度及灰砂比關(guān)系到的不僅僅是充填體強度，充填料漿的保水性能也是一個非常重要的指標(biāo)。

1．4 坍落度試驗

料漿由于自重將會坍落，由坍落度筒頂?shù)剿淞蠞{頂部的距離就叫坍落度。坍落度是表征尾砂充填料漿流動性的重要參數(shù)，它的力學(xué)含義是料漿因自重而流動、因內(nèi)部阻力而停止的最終變形量。它的大小直接反映著料漿流動性的好壞與流動阻力的大小，其值主要取決于料漿中固體顆粒的級配和料漿濃度。

試驗制備濃度分別為65%、70%、75%，灰砂比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶18、1∶20的充填料漿，測試其坍落度。試驗結(jié)果見表2所示。

表2 不同濃度料漿坍落度Table 2 Slurry slump on the condition of different concentration

流動性的直觀表現(xiàn)是料漿的擴展范圍，即料漿所能覆蓋區(qū)域的大小。坍落度越大說明料漿流動性越好，但坍落度過大則和易性較差，容易產(chǎn)生離析、泌水。當(dāng)坍落度符合要求時，要輔以觀察黏聚性、保水性等情況。料漿的坍落度可以直觀地反映其輸送性能。實驗室通常采用標(biāo)準(zhǔn)的坍落度筒測量充填料漿的坍落度。一般我們認(rèn)為，當(dāng)充填料漿的坍落度為10～15cm時，其流動性能較好。由此可以看出65%～70%的料漿可以達到要求。

2 膠結(jié)充填料漿流變特性試驗

2．1 試驗過程

屈服應(yīng)力與黏度是表征料漿流變的兩個基本參數(shù)。屈服應(yīng)力有動態(tài)屈服應(yīng)力與靜態(tài)屈服應(yīng)力之分，動態(tài)屈服應(yīng)力是指料漿在穩(wěn)定流動時產(chǎn)生的切應(yīng)力，本試驗所測即為充填料漿的動態(tài)屈服應(yīng)力。

本試驗主要儀器為R/S＋SST軟固體流變儀，試驗過程中控制剪切速率在120s內(nèi)，從0上升到120s－1測定料漿濃度分別為65%、70%、75%，灰砂比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶18、1∶20的充填料漿在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力。

2．2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)，可以擬合出不同工況下剪切速率－剪切應(yīng)力曲線，從而得到不同工況下充填料漿的動態(tài)屈服應(yīng)力和黏度。圖4、5所示為屈服應(yīng)力、黏度隨灰砂比變化關(guān)系。試驗過程中發(fā)現(xiàn)料漿剪切應(yīng)力—剪切速率的曲線逐漸基本符合線性變化，說明萊西金礦分級尾砂料漿濃度大于65%時，料漿的流變狀態(tài)基本符合賓漢姆模型。

圖4 屈服應(yīng)力隨灰砂比變化Fig．4 Yield stress changing with cement－sand ratio

由圖4可以看出，在灰砂比一定的條件下，隨著料漿濃度的提高，充填料漿的動態(tài)屈服應(yīng)力逐漸上升，這是因為一方面隨著料漿濃度的提高，顆粒間的水相對越來越少，使顆粒與顆粒更容易接觸，另一方面水化反應(yīng)在顆粒表面形成膠凝膜，這樣使顆粒與顆粒更容易緊密的聯(lián)結(jié)在一起，固體顆粒間及固體顆粒與水之間形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來越強，因此充填料漿抵抗剪切變形的能力也隨之增強。

在濃度一定的條件下，料漿屈服應(yīng)力隨灰砂比的增大而增大，這是因為隨著膠結(jié)料的增加，使充填料漿內(nèi)水化反應(yīng)速率加快，水化反應(yīng)更加完全，使之前形成的絮狀結(jié)構(gòu)更加密實，從而使料漿的屈服應(yīng)力增大。

由圖5可以看出，在灰砂比一定的條件下，隨著料漿濃度的提高，充填料漿的塑性黏度逐漸提高并且隨著灰砂比的降低，各濃度條件下的塑性黏度差距越來越大，這是由于隨著濃度的提高，漿體之間的黏稠性增加，使得料漿固體顆粒間的摩擦力增大，從而提高了料漿的塑性黏度。

圖5 塑性黏度隨灰砂比變化Fig．5 Plastic viscosity changing with cement－sand ratio

在濃度一定的條件下，隨著灰砂比的提高，料漿塑性黏度逐漸下降并且在灰砂比為1∶20至1∶12時塑性黏度急劇下降。一方面，這是由于漿體被迫流動時，顆粒間的絮狀結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞，致使水泥漿體的塑性黏度下降；另一方面，膠結(jié)料對料漿塑性黏度的影響可歸結(jié)為細(xì)粒級材料對塑性黏度的影響，由于細(xì)粒級材料的增加，細(xì)粒級的微集料效應(yīng)增大，起到了圓潤骨料表面的作用，使骨料間的摩擦力降低，從而降低了料漿的塑性黏度。這就解釋了圖5中灰砂比較高時，降低濃度對降低充填料漿塑性黏度的作用并不明顯，但當(dāng)隨著灰砂比增大到一定程度時，隨著灰砂比的增大，塑性黏度曲線將趨于平緩，這是由于灰砂比增大到一定程度后，充填料漿將具有良好的顆粒級配，使得充填料漿均質(zhì)且易于流動。

濃度一定條件下對料漿屈服應(yīng)力、塑性黏度隨灰砂比變化進行擬合，得到料漿屈服應(yīng)力的數(shù)學(xué)增長模型及塑性黏度的下降模型。從圖4、5可以發(fā)現(xiàn)，屈服應(yīng)力及塑性黏度變化模型基本符合指數(shù)函數(shù)y＝aebx，相鄰灰砂比之間的屈服應(yīng)力的差值越來越大、塑性黏度的差值則越來越小。并且擬合曲線的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均在95%以上，說明回歸顯著，回歸曲線精度較高、曲線越陡說明屈服應(yīng)力或塑性黏度變化越快。

3 結(jié)論

1）萊西金礦分級尾砂屬于粗粒級尾砂，并且該分級尾砂顆粒不均勻系數(shù)小于5，屬于不良級配；分級尾砂保水性能與灰砂比、料漿濃度呈正相關(guān)性，并且其對料漿濃度的敏感性大于對灰砂比的敏感性；萊西金礦分級尾砂料漿濃度為65%～70%時，充填料漿流動性能較好。

2）充填料漿剪切應(yīng)力—剪切速率的曲線逐漸基本符合線性變化，說明萊西金礦分級尾砂料漿濃度為65%～70%時，料漿的流變狀態(tài)基本符合賓漢姆模型。充填料漿屈服應(yīng)力與灰砂比、料漿濃度呈正相關(guān)性，并且屈服應(yīng)力隨灰砂比變化增長曲線基本符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律；充填料漿塑性黏度與料漿濃度呈負(fù)相關(guān)性，與灰砂比呈正相關(guān)性，并且塑性黏度隨灰砂比變化的曲線基本符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

3）推薦萊西金礦充填料漿選擇灰砂比為1∶8～1∶12、濃度為65%～70%，在滿足充填體強度要求下，可以滿足充填料漿的輸送要求。

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Test on transportation performance and rheological property of classified tailings slurry

REN Haifeng1，2，BAI Xianwu3，CHENG Guanghua1，2，SHENG Xuedong3，TAO Haidong3
（1．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；2．School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3．Shandong Gold Mining Laixi Co．，Ltd．，Laixi Shandong 266616，China）

Using classified tailings and C powder as experimental material，experiments of size analysis，sedimentation test，bleeding test，slump test with the grades tailings are completed．It can be concluded that the tailings are coarse and belongs to bad gradation．The cement－sand ratio and concentration is positively correlated with the performance of water holding of filling slurry．Through the rheological experiments and fitting the yield stress，plastic viscosity with the change of cement－sand ratio to get the growth model which are basically consistent with the law of exponential function．The cement－sand ratio and concentration is positively correlated with yield stress，concentration is positively correlated with plastic viscosity and cement－sand ratio is negatively correlated with plastic viscosity．The result of this study has real significance for guiding design of filling engineering system，adjusting ratio of filling material，and determining parameters of pipeline transport．

classified tailings；transportation performance；rheological property；growth model

TD853．34

Α

1671－4172（2015）04－0049－05

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．011

國家自然科學(xué)基金項目（51374033）

任海鋒（1989－），男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦工藝及巖石力學(xué)等方面的研究工作。