泵送減水劑對尾砂－棒磨砂膏體料漿和易性與充填體強(qiáng)度影響研究

楊志強(qiáng)，王永前，高 謙，陳得信，姚維信

(1．北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2．金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌 737100)

0 引言

膏體或高濃度料漿充填能夠顯著提高充填體強(qiáng)度，降低膠凝材料用量，減少采場脫水和改善采場作業(yè)環(huán)境，是國內(nèi)外充填采礦技術(shù)發(fā)展的趨勢．然而，相對于低濃度充填料漿自流輸送，膏體充填存在料漿制備難度大、材料配比控制要求精度高和管道輸送阻力大等問題，堵管和爆管的風(fēng)險(xiǎn)大、頻率高．改善膏體充填料漿的和易性，是實(shí)現(xiàn)泵送膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是泵送膏體充填技術(shù)最重要的研究課題之一．

膏體和易性反映料漿的工作性能，通常采用流動(dòng)性、粘聚性和保水性三個(gè)指標(biāo)來評價(jià)［1］．影響膏體和易性的主要因素包括充填骨料的級配與物化特性、膠凝材料種類與特性、膠砂比、料漿濃度以及外加劑等［2］．王洪江等［3］針對全尾砂－水淬渣膏狀物料，提出了采用流動(dòng)度和分層度來評判全尾砂細(xì)石膏狀物料可泵性指標(biāo)，開展了充填骨料級配、膠砂比、水膠比、外加劑以及料漿攪拌活化等對膏體和易性影響研究．薛麗皎等［4］研究認(rèn)為，料漿塌落度小、混凝土含砂率低和料漿離析等是造成管道堵塞的主要因素，提高泵送設(shè)備和改善料漿和易性可以減少管道堵塞事故．目前，針對混凝土拌合物進(jìn)行了減水劑和粉煤灰對料漿的和易性研究［5–8］．姚志全等針對似膏體開展了減水劑合理添加量的試驗(yàn)研究［9］．馬靜和魏微等分別針對全尾砂充填料開展了料漿和易性的試驗(yàn)研究，揭示了充填料粒級級配以及膠凝材料的和易性與外加劑的關(guān)系與最佳摻量［10–11］．無論是混凝土拌合物還是尾砂膏體，引氣劑所形成的加氣混凝土或泡沫砂漿能夠顯著提高料漿和易性．閻坤等開展了含氣量對普通預(yù)拌砂漿性能的影響研究［12］．翟淑花和陳忠平等在金川礦山開展了泡沫砂漿的工業(yè)試驗(yàn)研究，已經(jīng)取得了較好成果［13–14］．李茂輝等針對新型充填膠凝材料，開展了泡沫劑對充填體強(qiáng)度和流變特性的試驗(yàn)研究［15］．由此可見，充填骨料的組成以及粒級級配的不同，充填料漿的和易性存在較大差異．目前我國采用膏體充填技術(shù)的礦山僅限于會(huì)澤鉛鋅礦和金川二礦．前者采用尾砂－水淬渣混合充填料，而后者采用尾砂－棒磨砂充填料．因此，對尾砂－棒磨砂充填料的膏體和易性研究在國內(nèi)外研究并不多見．

金川二礦區(qū)膏體充填輸送管路有φ159 mm、φ133 mm和φ108 mm三種管徑．管道長度1 700～2 700 m，管道阻力損失達(dá)到5～8 MPa．膏體充填系統(tǒng)由地表一臺(tái)KSP140－HDR液壓泵實(shí)施泵壓輸送．由于充填管路距離不同和膏體濃度在76%～80%范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致泵壓波動(dòng)較大．當(dāng)濃度較高時(shí)泵壓隨之增高．由于管路接頭是中壓接頭，承壓能力僅為3～4 MPa，當(dāng)管路阻力損失大于5 MPa，容易造成輸送管路接頭部位泄漏和采場塑料管爆管．為此，金川二礦首先進(jìn)行充填管路系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，統(tǒng)一了1 350 m中段的輸送管徑，擴(kuò)大了管道鉆孔處上、下彎管的角度，從而大幅度降低了管路系統(tǒng)的輸送阻力．在此基礎(chǔ)上，根據(jù)膏體充填系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，采用78% ～80%的膏體濃度、1∶1的分級尾砂與棒磨砂配比的充填料，分別添加300和100 kg·m－3的水泥和粉煤灰，按水泥質(zhì)量的1% ～3%添加泵送減水劑，進(jìn)行了尾砂膏體料漿的和易性和充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，由此揭示了泵送減水劑對充填體強(qiáng)度、膏體和易性以及流變特性的影響，確定了滿足金川礦山充填技術(shù)指標(biāo)的泵送減水劑合理添加量．

1 試驗(yàn)材料的物化特性分析

試驗(yàn)采用的分級尾砂、棒磨砂、水泥和粉煤灰等材料從金川二礦區(qū)的充填工區(qū)現(xiàn)場選取，采用JKJNF高效泵送減水劑進(jìn)行試驗(yàn)．充填材料的物化特性見表1．棒磨砂和分級尾砂的粒徑分布曲線見圖1和圖2．

表1 金川礦山充填材料物化特性參數(shù)Tab．1 The physical and chemical characteristic parameters of filling materials in Jinchuan mine

圖1 金川礦山棒磨砂充填料粒徑分布曲線Fig．1 Distribution curve of particle diameter for rod mill sand

圖2 金川礦山分級尾砂充填料粒徑分布曲線Fig．2 Distribution curve of particle diameter for classification tailling

2 泵送減水劑對膏體料漿的充填體強(qiáng)度影響研究

表2給出了膏體添加不同泵送減水劑對其充填體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果，圖3顯示了膏體充填形成的充填體抗壓強(qiáng)度(p)與泵送減水劑添加量的關(guān)系曲線．由此可見，當(dāng)泵送減水劑添加量達(dá)到水泥質(zhì)量的1%和2%時(shí)，3、7和28 d充填體強(qiáng)度分別提高了6．25% ～40%、8．1% ～62%和3．6% ～45%．當(dāng)泵送減水劑添加量增加到3%時(shí)，28 d充填體強(qiáng)度反而降低了8%～19%．顯然，泵送減水劑的合理添加量為水泥質(zhì)量的1% ～2%，相應(yīng)充填體3d、7和28 d強(qiáng)度滿足金川礦山充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即R3≥1．5 MPa，R7≥2．5 MPa，R28≥5．0 MPa．

表2 添加泵送減水劑對其充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab．2 The test results of the filling body strength adding water reducing agent in slurry

圖3 膏體充填體強(qiáng)度與泵送減水劑添加量的關(guān)系曲線Fig．3 The relation curves between the strength of filling body and the adding amount of water reducing agent for different Paste concentration

3 泵送減水劑對尾砂膏體和易性影響

表3給出了不同減水劑添加量的膏體和易性的試驗(yàn)結(jié)果．圖4顯示了膏體的流動(dòng)度、坍落度和擴(kuò)散度與泵送減水劑添加量之間的關(guān)系曲線，由此獲得以下幾點(diǎn)結(jié)果:

1)膏體流動(dòng)度隨泵送減水劑添加量的增加而提高，膏體濃度越高，膏體流動(dòng)度提高的幅度越大．當(dāng)膏體濃度為78%～80%時(shí)，膏體流動(dòng)度與泵送減水劑添加量呈線性增加關(guān)系;當(dāng)濃度提高到81%時(shí)，膏體流動(dòng)度在泵送減水劑添加量小于2%時(shí)呈線性增加;在大于2%時(shí)趨近于漸近線．當(dāng)膏體濃度提高到82%時(shí)，泵送減水劑添加量大于2%時(shí)流動(dòng)度趨于定值．濃度為78%～82%時(shí)，添加1%的泵送減水劑提高膏體的流動(dòng)度達(dá)到1．65%～14．45%;添加2%的泵送減水劑提高4．96%～36．4%，添加3%的泵送減水劑提高8．26%～38．55%．

2)添加泵送減水劑顯著提高膏體的坍落度．泵送減水劑對膏體塌落度的影響規(guī)律類似于膏體流動(dòng)度．當(dāng)膏體添加1%、2%和3%的泵送減水劑，膏體塌落度分別提高5．3%～40%、16．3%～135%和18．4%～150%．

3)添加1%的泵送減水劑相當(dāng)于降低1°后膏體濃度的流動(dòng)度和坍落度．可見，添加1%～3%的泵送減水劑可將膏體濃度提高1°～3°．由于增加泵送減水劑添加量提高了充填采礦成本，因此在滿足膏體流動(dòng)度要求的前提下，確定泵送減水劑的添加量應(yīng)不小于1%．

表3 不同泵送減水劑添加量的充填料漿和易性試驗(yàn)結(jié)果Tab．3 The test results of slurry workability adding pumping water－reducing agent

圖4 膏體的流動(dòng)度、塌落度和擴(kuò)散度與泵送減水劑添加量的關(guān)系曲線Fig．4 The relation curves between the fluidity，slump and diffusance vs the adding amount of water reducing agent in slurry respectively

4 泵送減水劑對膏體料漿流變特性影響研究

采用美國BROOKFIELD公司生產(chǎn)的R/Splus流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子型號選擇V30－15，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速選擇30～60 r·min－1的變化范圍，在28℃的室內(nèi)溫度條件下，按照3 s步長測試膏體的流變參數(shù)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果見表4．圖5分別顯示了膏體初始剪切應(yīng)力和初始黏度系數(shù)與泵送減水劑添加量的關(guān)系曲線．

由此可見，膏體初始剪切應(yīng)力和初始粘度系數(shù)均隨泵送減水劑添加量的增加而逐漸減小．當(dāng)膏體濃度為78%和79%時(shí)，隨著泵送減水劑添加量的增加，膏體的流變參數(shù)呈線性減小;當(dāng)膏體濃度提高到80%時(shí)，膏體的流變參數(shù)呈指數(shù)下降趨勢．由此可見，膏體濃度越高，添加泵送減水劑對膏體管道輸送的減阻效果越顯著．當(dāng)膏體濃度為80%時(shí)，添加1%的泵送減水劑對膏體的減阻效果可以滿足管道輸送要求．

表4 添加泵送減水劑的膏體流變參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab．4 Test results the rheological parameters of slurry to add water reducer

圖5 膏體初始剪切應(yīng)力和黏度系數(shù)與泵送減水劑添加量的關(guān)系曲線Fig．5 The relation curves between the initial shear stress and viscosity coefficient vs adding amount of water reducer respectively

5 結(jié)論

金川礦山膏體充填系統(tǒng)是我國第一座膏體充填采礦礦山．針對尾砂膏體充填技術(shù)存在的堵管和爆管事故等問題，開展了膏體添加泵送減水劑試驗(yàn)．通過對充填體強(qiáng)度、工作特性以及流變特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，獲得以下結(jié)論:

1)當(dāng)泵送減水劑添加量為水泥質(zhì)量的1%～2%，3、7和28 d充填體強(qiáng)度分別提高了6．25%～40．0%、8．1%～62．0%和3．6%～45．0%．當(dāng)泵送減水增加到3%，充填體強(qiáng)度均隨之降低．可見，1%～2%的添加量是影響充填體強(qiáng)度的合理添加量;

2)膏體和易性隨泵送減水劑添加量的增加而提高，且膏體濃度越高，提高幅度越大．當(dāng)膏體濃度在78%～80%的范圍，膏體和易性與泵送減水劑添加量呈線性增長關(guān)系．綜合考慮充填采礦成本以及膏體流動(dòng)度，確定膏體泵送減水劑的添加量不小于1%;

3)膏體的初始剪切應(yīng)力和粘度系數(shù)均隨泵送減水劑添加量的增加而逐漸減?。?dāng)膏體濃度在78%～80%的范圍，添加1%的泵送減水劑的減阻效果能夠滿足膏體料漿的輸送要求;

4)綜合泵送減水劑對充填體強(qiáng)度、膏體和易性以及流變特性的影響分析，并考慮膏體充填采礦成本和經(jīng)濟(jì)效益，確定1%的膏體泵送減水劑的添加量對金川礦山膏體充填較為合理．