廢石-分級尾砂高濃度充填料漿的黏度及多因素影響規(guī)律

張修香，喬登攀，黃溫鋼

(1．東華理工大學放射性地質與勘探技術國防重點學科實驗室，江西 南昌 330000；2．昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

0 引 言

廢石與分級尾砂作為充填材料既可以實現(xiàn)礦床安全清潔高效開采，又可以降低礦山的成本，為礦山的擴產(chǎn)增效創(chuàng)造條件，是礦山日后發(fā)展的必然選擇。廢石-分級尾砂高濃度充填料漿屬于非牛頓流體的特性，其黏度隨剪切速率的變化而變化。黏度是充填體的重要性能特征，直接影響攪拌方式、管輸穩(wěn)定性與阻力大小[1-4]。目前,國內外對于此方面的分析與研究主要集中在尾砂制成的料漿，對于廢石-尾砂的黏度特性的研究較少[5-8]。劉同有等[9]通過研究金川全尾砂膏體充填料漿得出料漿的黏度值因物料性質、粒度組成和濃度等因素的變化而有較大的差別；胡華等[10-11]對似膏體料漿的研究表明，料漿濃度、細粒級含量等因素對料漿黏度有顯著的影響，隨著細粒級含量增加，黏度變化復雜；翟永剛等[12]的研究表明回填體黏聚力取決于質量濃度和內摩擦角,受質量濃度和廢石摻量影響程度基本相同，兩者協(xié)同作用；孫偉等[13]以黏聚力、內摩擦角、抗剪強度為依據(jù)，綜合得出了全尾砂-廢石混合回填膏體流動性變化規(guī)律。相比之下，國外在黏度影響因素方面的研究更為深入。Mingzhao He等[14]針對超細礦漿的研究表明，除了顆粒形狀、料漿濃度、級配等因素，漿體P值、溫度以及剪切速率對料漿流變特性的影響也較顯著；Jewell等[15]和劉曉輝[16]分析了料漿濃度、水泥添加量、溫度、顆粒組成、pH值等多種因素對流變參數(shù)的影響。

對于充填料漿來說，應具有高濃度而又有較低黏度，這樣最有利于管道輸送。 因此，在廢石-分級尾砂高濃度充填料漿的利用過程中，需要深入研究料漿的黏度特性。本文通過流變實驗獲取黏度參數(shù)，應用響應曲面法分析影響?zhàn)ざ茸兓闹匾蛩?，探究多因素耦合條件下黏度的變化規(guī)律，并確定黏度最優(yōu)范圍。

1 實 驗

1.1 實驗材料

1) 本次實驗選用的材料為大紅山銅礦的廢石和分級尾砂，通過實驗測得廢石的密度為2 815 kg/m3，堆集密實度為0.554，粒度分布見表1。由表1可知通過0.25 mm篩孔的細粒料為6.4%，顆粒的大小主要集中在-15～7 mm之間，顯然廢石破碎集料的級配并不好，粗粒級含量大，不利于管道輸送，必須配以細料來改善級配。

2) 實驗測定分級尾砂的密度為2 897 kg/m3，堆集密實度為0.506，粒徑分布見表2。從表2計算可知，尾砂的加權平均粒徑d50=0.149 mm，分級尾砂級配指數(shù)n=0.501?？傮w來看，大紅山銅礦尾砂粒度比較集中，-0.246～0.097 mm粒度區(qū)間占50%左右，-0.097～0.05 mm粒度區(qū)間占35%左右，-0.074 mm細粒料占20%左右，-0.038 mm細粒料占1.17%。尾砂粒度較細，見表2。配以一定的粗粒料進行應用。

3) 為滿足料漿管道輸送的要求，須將廢石與分級尾砂進行一定比例的混合，為了達到最好的充填效果，應選取最優(yōu)級配范圍進行實驗。廢石與分級尾砂的級配實驗結果見圖1。

表1 大紅山廢石的粒度分布

表2 大紅山分級尾砂的粒度分布

圖1 級配實驗結果

根據(jù)實驗(圖1)得到廢石-分級尾砂混合料的堆集密實度最大值為廢石∶分級尾砂≈0.6∶0.4?？紤]到實驗的誤差，以及細粒級含量對黏度的影響，本文將對廢石分級尾砂5∶5、6∶4、7∶3三種配比情況進行研究。

1.2 實驗儀器

廢石-分級尾砂高濃度充填料漿中粒徑較大，且黏稠，普通的流變儀容易出現(xiàn)“轉不動”的情況。為達到料漿充分剪切的狀態(tài)，本次實驗選用法國儀器廠生產(chǎn)的RheoCAD500型流變儀，并配備規(guī)格RH5216的雙螺旋轉子，螺旋直徑D為16 cm，高度為25 cm。測試容器的直徑為40 cm，高為35 cm。

1.3 實驗方法及結果

料漿在保證不離析且均勻時才適合進行流變測試，即流變測試料漿應滿足高濃度要求。高濃度是指在靜置一定時間后保持不分層的充填料漿所對應的濃度即為高濃度[17]。流變實驗的濃度條件為滿足高濃度條件的濃度，考慮到實驗的誤差，濃度范圍為此濃度的±1%范圍。經(jīng)前期實驗數(shù)據(jù)可知滿足條件的水泥量變化范圍為160～300 kg/m3(增長幅度為20 kg/m3)；質量濃度變化范圍為80%～85%；廢尾比5∶5、6∶4、7∶3。料漿在覆蓋轉子的前提下，加入漿體的體積預留30 mm至容器的頂端，轉子距底部預留30 mm。由于溫度的變化對黏度有一定的影響，所以實驗溫度應控制在20±2 ℃。

獲得的流變曲線見圖2(由于篇幅有限只列出部分曲線)。

圖2 剪切率與剪切應力曲線

根據(jù)剪切應力與剪切率的關系曲線可以看出其符合適合應用H-B模型進行分析。Hereshel-Bulkley(H-B)模型見下式。

式中：τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；η為黏度，Pa·s；du/dy為剪切速率，s-1；n為流動指數(shù)。

2 結果分析與討論

2.1 影響因素分析

應用H-B模型回歸流變曲線得到相應的黏度值，采用Design Expert軟件中的響應曲面法進行分析。根據(jù)實驗中的不同變化條件，選取以下因素作為影響因素輸入：A代表水泥量，kg/m3；B代表質量濃度，%；C代表水灰比；D代表細粒級的含量。

將各影響因素數(shù)值以及相對應的黏度值錄入，根據(jù)軟件的分析得到適合的分析模型為2FI，得到模型以及各影響因素的方差分析結果,見表3。

從表3可知，因素A、B、C、D的方差分析結果中的P<0.05，說明其影響是顯著的，交互相應因素AB、AD對黏度的影響也是顯著的(P<0.05)，其他交互項沒有顯著影響，各影響因素的大小列于表4。

表3 響應曲面法的方差分析結果

表4 各影響因素的大小值

從表4可看出，因素D細粒級的含量對于黏度的影響最大，其次是因素B質量濃度，影響最小為交互項AD，主要影響因素的影響變化見圖3。

圖3(a)顯示，隨著質量濃度的增長，黏度逐漸增加，但曲線的增長速率變化不大。圖3(b)顯示了細粒級含量對黏度的影響規(guī)律，隨著細集料的增加黏度逐漸降低，當細粒級含量到達一定范圍(30%～34%)后黏度達到最小，細粒級含量繼續(xù)增多，黏度反而升高。隨著細顆粒的增多(當細顆粒的含量較少時)，粗顆粒間的孔隙被逐漸填充，漿體中有效的流動份額逐漸增多，料漿的流動性逐漸變好，黏度有所下降。當料漿中的細粒級含量達到一定范圍時，粗顆粒間的孔隙能夠得到完全填充，料漿的流動性得到改善，黏度達到最低，隨著細顆粒含量繼續(xù)增大，增多的細顆粒將會堆積在有效流動的料漿中，使得有效流動部分的濃度增加，黏度進而增大。細顆粒的含量對于黏度的影響較敏感，過多或過少對于料漿的流動性都不利，在實際工程應用中，存在最佳細顆粒范圍，即細顆粒剛好填滿粗顆粒的空隙時，此時漿體的流動性最好，有利于管道輸送。

圖3 各影響因素與黏度的關系

2.2 細粒級含量對黏度的變化情況

圖4展示了在不同質量濃度下的水泥添加量與黏度的關系曲線(以質量濃度81%與85%為例)，在同一質量濃度和水泥量下，細粒級料的含量對黏度的影響變化比較明顯，廢石-分級尾砂為6∶4的黏度與廢石-分級尾砂為5∶5的黏度相差不大，整體為廢石-分級尾砂6∶4的黏度大于5∶5的，且有很多處幾乎相同，但當細粒級含量達到廢石-分級尾砂為7∶3時，黏度明顯變小，這也表明細粒級含量在此范圍時最利于輸送，與響應曲面法分析結果一致。廢石越多，混合料的比表面積下降，顆粒之間相互作用的數(shù)目減少，從而導致黏度較廢石-分級尾砂6∶4、5∶5的低。在滿足充填要求的前提下，選取廢石與分級尾砂的配比可以考慮6∶4～7∶3之間的配比，這樣可以使黏度值盡量小一些。

2.3 質量濃度對黏度的變化情況

圖5為質量濃度與黏度的關系曲線，圖5(a)所示，隨著濃度的增加，黏度逐漸增大，存在一個所謂的“拐點”濃度，即一旦超過該濃度，黏度增長變快。固體濃度的增大，意味著顆粒數(shù)目的增多，料漿中的自由水減少，料漿中形成的絮凝結構增多，漿體內部的摩擦力增大，因而阻力增大，黏度也隨之增大。質量濃度從80%到81%曲線較緩，濃度從81%到82%黏度整體增加較快。質量濃度大于84%后，黏度值增加幅度變大，此時料漿中的自由水不足，顆粒之間相互碰撞的幾率進一步變大，摩擦力急劇增加，黏度也隨之升高。因此，選取濃度小于84%的料漿更有利于管道輸送，同時也表明了質量濃度對黏度的影響很顯著。圖5(b)圖顯示廢石-分級尾砂6∶4時，在質量濃度為80%～81%時黏度變化不大，這是由于料漿中自由水的變化量不多，料漿中的阻力變化不大，濃度81%～85%整體黏度增長較快。

圖4 不同質量濃度下的水泥添加量與黏度的關系曲線

圖5 不同配比下質量濃度與黏度的關系曲線

3 結 論

1) 廢石-分級尾砂高濃度充填料漿的變化情況受多因素耦合，共同影響，質量濃度與細粒級含量對黏度的影響最大。分析結果表明黏度主要受料漿中水與細粒級料的變化影響較大。

2) 根據(jù)黏度分析結果可知隨質量濃度的濃度增大，料漿的黏度逐漸增大。黏度隨著細粒級的增加而減小，當細粒級含量到達一定范圍(30%～34%)后黏度達到最小，細粒級含量繼續(xù)增多，黏度反而升高。為了有利于管道輸送，細粒級含泥量的選取即廢石-分級尾砂在配比方面首先選取7∶3，其次5∶5。在滿足高濃度的前提下濃度盡量小于84%。研究結果為礦山應用廢石-分級尾砂高濃度料漿進行充填提供了一定的理論依據(jù)，為后續(xù)管道輸送提供了保障。