運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下全尾砂膠結(jié)料漿流變參數(shù)時(shí)變性研究

寇云鵬，齊兆軍，盛宇航，杜加法，荊曉東，宋澤普，楊紀(jì)光

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司，濟(jì)南 250100；2.山東黃金集團(tuán)充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261441)

流變特性作為尾砂膠結(jié)料漿的基本參數(shù)，直接決定著礦山充填的成分配比、管道輸送設(shè)計(jì)[1-3]，也間接影響著充填后充填體的工程性能。料漿中的膠結(jié)料(水泥)遇水后會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致料漿的組分與比例、化學(xué)成分等都發(fā)生變化，必然會(huì)引起料漿流變參數(shù)的變化。因此，料漿流變參數(shù)將處于不斷演化的狀態(tài)(即流變參數(shù)具有時(shí)變性)。近年來(lái)，針對(duì)料漿流變參數(shù)，各研究者開(kāi)展了大量的研究工作，取得了許多有益的成果。劉超[4]等以細(xì)粒級(jí)全尾砂為研究對(duì)象，借助Brookfield R/S+型流變儀分析了不同濃度下的料漿流變特性，得出了一定剪切速率范圍內(nèi)的流變模型。翟永剛等[5]研究了質(zhì)量濃度、灰砂比和淬尾比三因素對(duì)流變參數(shù)的影響規(guī)律。劉桂華等[6]研究了不同表面活性劑對(duì)尾礦漿體流變特性的影響。張欽禮等[7]探討了絮凝劑添加前后對(duì)似膏體流變參數(shù)的影響。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，料漿在管道輸送過(guò)程中始終受到剪切作用處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以往料漿流變參數(shù)的研究往往在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。因此，本文利用攪拌作用來(lái)模擬料漿的受剪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，借助美國(guó)Brookfield流變儀對(duì)不同質(zhì)量濃度和不同灰砂比的料漿流變參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下料漿流變參數(shù)的時(shí)變性，研究成果可為充填管路輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1)尾砂

試驗(yàn)所用物料為某金礦浮選全尾砂。經(jīng)測(cè)定，全尾砂平均密度為2.65 t/m3，堆密度為1.39 t/m3，孔隙率為47.54%。采用Mastersizer 3000激光粒度儀對(duì)全尾砂粒級(jí)組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。全尾砂平均粒徑為82.80μm，中值粒徑為36.60μm，全尾砂中粒徑<74μm的含量為61.33%，粒徑<37μm的含量為51.15%。全尾砂的不均勻系數(shù)為19.13，曲率系數(shù)為0.30，屬于細(xì)粒級(jí)尾砂。通過(guò)XRD分析，全尾砂主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母和蒙脫石。

2)膠凝材料與拌合水

試驗(yàn)選用P.O.42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥作膠凝材料，拌合水為自來(lái)水。

1.2 試樣制備

為模擬料漿運(yùn)動(dòng)，料漿持續(xù)性攪拌采用NJ-160型水泥凈漿攪拌機(jī)完成。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的料漿質(zhì)量濃度和灰砂比，定量稱(chēng)取所需的全尾砂、水泥和水，放入攪拌機(jī)容器中攪拌，攪拌時(shí)間分別設(shè)定為5 min、15 min、30 min和60 min。每測(cè)量一次需重新配置料漿。

1.3 測(cè)試方法

采用美國(guó)Brookfeild RST-SST型流變儀測(cè)量料漿流變參數(shù)，轉(zhuǎn)子采用四葉槳式，轉(zhuǎn)子直徑為20 mm，高度為40 mm，如圖2所示。為消除壁面滑移效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試驗(yàn)所用燒杯尺寸和轉(zhuǎn)子插入料漿的深度參照文獻(xiàn)[8]提供的方法。試驗(yàn)所用燒杯容積為500 mL。

圖2 流變儀測(cè)試圖與流變參數(shù)測(cè)試程序Fig.2 Brookfield rheometer and the test program of rheological parameters

準(zhǔn)確描述料漿流變特性是十分困難的。但在層流狀態(tài)下，料漿屬于典型的非牛頓流體，可近似采用賓漢姆模型進(jìn)行描述。考慮實(shí)際生產(chǎn)中料漿制備和管路輸送情況，本次試驗(yàn)采用控制剪切速率模式(CSR)進(jìn)行流變參數(shù)測(cè)試，程序如圖2所示。T1階段為剪切速率增大階段，時(shí)間2 min；T2階段為剪切速率恒定階段，時(shí)間1 min；T3階段為剪切速率減小階段，時(shí)間2 min。其中，前3 min為施加的預(yù)剪切，對(duì)T3下降段測(cè)量數(shù)據(jù)采用賓漢姆模型進(jìn)行擬合分析得出流變方程，如式(1)所示，從而得到料漿流變參數(shù)：屈服應(yīng)力(τ0)和黏性系數(shù)(η)。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同質(zhì)量濃度下攪拌時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響

灰砂比1∶5，質(zhì)量濃度為72%、74%與76%時(shí)，料漿流變曲線測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量濃度下料漿流變曲線變化Fig.3 Changes of rheological curves of slurry under different mass concentrations

由圖3可以看出，在不同質(zhì)量濃度下，料漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加而逐漸增大，剪切應(yīng)力和剪切速率之間呈線性關(guān)系，具有較好的相關(guān)性，屬于賓漢姆流體模型，通過(guò)擬合可得到相應(yīng)流變方程以及屈服應(yīng)力與黏性系數(shù)。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為72%時(shí)(圖3a)，攪拌時(shí)間從5 min增加至60 min的過(guò)程中，料漿流變曲線呈現(xiàn)“向上移動(dòng)”，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，料漿流變曲線與攪拌5 min時(shí)料漿流變曲線距離越遠(yuǎn)，其在縱坐標(biāo)上的截距隨之增大，料漿屈服應(yīng)力增大，表明料漿的屈服應(yīng)力隨攪拌時(shí)間的增加而增大。另一方面，料漿流變曲線的斜率也隨攪拌時(shí)間的增加而增大，表明料漿的黏度系數(shù)同樣隨攪拌時(shí)間的增加而增大。料漿質(zhì)量濃度為74%和76%時(shí)也表現(xiàn)出同樣規(guī)律。從而可以得出：不同質(zhì)量濃度下，料漿的屈服應(yīng)力和黏性系數(shù)均隨攪拌時(shí)間的增加而增大。

由圖3可得出不同質(zhì)量濃度下攪拌時(shí)間與料漿流變參數(shù)之間的關(guān)系，如圖4所示。隨著攪拌時(shí)間的增加，不同質(zhì)量濃度的料漿其屈服應(yīng)力和黏性系數(shù)均表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。質(zhì)量濃度為72%的料漿，料漿攪拌時(shí)間為60 min時(shí)屈服應(yīng)力比攪拌5 min的增大了3.63 Pa；質(zhì)量濃度為74%和76%的料漿，則分別增大了4.08 Pa和9.10 Pa。攪拌時(shí)間對(duì)料漿黏性系數(shù)也存在同樣的影響，料漿質(zhì)量濃度為72%時(shí)，攪拌時(shí)間60 min時(shí)料漿的黏性系數(shù)比攪拌5 min的增大了10.28%；質(zhì)量濃度為74%和76%的料漿，相應(yīng)增大了11.34%和14.33%。所以料漿質(zhì)量濃度越大，攪拌時(shí)間的增加對(duì)料漿流變參數(shù)影響越明顯。當(dāng)料漿攪拌5 min時(shí)，質(zhì)量濃度72%、74%與76%的料漿，其屈服應(yīng)力分別為33.14 Pa、51.02 Pa和83.60 Pa，黏性系數(shù)分別為0.236 Pa·s、0.324 Pa·s和0.526 Pa·s；而在攪拌時(shí)間為60 min時(shí)，質(zhì)量濃度72%、74%與76%的料漿，其屈服應(yīng)力分別為36.77 Pa、55.10 Pa和92.70 Pa，黏性系數(shù)分別為0.260 Pa·s、0.360 Pa·s和0.602 Pa·s，顯然，在相同的攪拌時(shí)間下，料漿的流變參數(shù)也隨質(zhì)量濃度的增加而增大。

2.2 不同灰砂比下攪拌時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響

質(zhì)量濃度74%，灰砂比為1∶10和1∶15時(shí)，料漿流變曲線測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5和圖3(b)可以看出，在不同灰砂比下，料漿剪切應(yīng)力同樣隨剪切速率的增加而逐漸增大，剪切應(yīng)力和剪切速率之間呈線性關(guān)系，仍屬于賓漢姆流體模型，通過(guò)擬合可得到相應(yīng)流變方程以及屈服應(yīng)力與黏性系數(shù)。3種不同灰砂比的料漿其流變參數(shù)表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，即當(dāng)攪拌時(shí)間從5 min增加到60 min時(shí)，料漿流變曲線也呈現(xiàn)“向上移動(dòng)”且流變曲線斜率增大，說(shuō)明在不同灰砂比下料漿的屈服應(yīng)力和黏性系數(shù)也隨攪拌時(shí)間的增加而增大。

(a)攪拌時(shí)間對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響 (b)攪拌時(shí)間對(duì)料漿黏性系數(shù)的影響圖4 不同質(zhì)量濃度下攪拌時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響Fig.4 Impact of stirring time on rheological parameters under different mass concentrations

圖5 不同灰砂比下料漿流變曲線變化Fig.5 Changes of rheological curves of slurry under different cement-sand ratios

同理根據(jù)圖5和圖3(b)可得不同灰砂比下攪拌時(shí)間與料漿流變參數(shù)之間的關(guān)系，如圖6所示。隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，灰砂比為1∶5料漿，攪拌時(shí)間60 min時(shí)其屈服應(yīng)力比攪拌5 min時(shí)增大了4.08 Pa；灰砂比為1∶10和為1∶15的料漿，則分別增大了5.57 Pa和3.88 Pa。攪拌時(shí)間對(duì)料漿黏性系數(shù)也存在同樣的影響，灰砂比為1∶5，攪拌時(shí)間60 min時(shí)黏性系數(shù)比攪拌5 min時(shí)增大了11.34%；灰砂比為1∶10和1∶15時(shí)，黏性系數(shù)相應(yīng)增大了5.50%和12.18%。

在相同的攪拌時(shí)間下，與質(zhì)量濃度對(duì)料漿流變參數(shù)的影響相比，灰砂比對(duì)料漿流變參數(shù)的影響有所不同，主要表現(xiàn)在隨攪拌時(shí)間的增加，料漿黏性系數(shù)的增加幅度不同。如圖6(b)所示，在攪拌時(shí)間不超過(guò)15 min時(shí)，料漿黏性系數(shù)隨料漿中水泥含量的增加(灰砂比提高)而增加；當(dāng)攪拌時(shí)間超過(guò)15 min時(shí)，在相同攪拌時(shí)間下，灰砂比為1∶15時(shí)料漿黏性系數(shù)增加量卻大于灰砂比為1∶10時(shí)料漿黏性系數(shù)增加量。但隨攪拌時(shí)間的增加，不同灰砂比的料漿的黏性系數(shù)隨之增加的規(guī)律沒(méi)有改變。

2.3 攪拌時(shí)間對(duì)流變參數(shù)作用機(jī)理分析

全尾砂料漿中含有大量的細(xì)粒級(jí)尾砂和細(xì)顆粒水泥，這些細(xì)顆粒在內(nèi)聚力和其他力的共同作用下，產(chǎn)生“自絮凝”作用，形成三維絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使料漿呈現(xiàn)出一定的屈服應(yīng)力和黏度。水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)，在攪拌的過(guò)程中隨著水泥水化時(shí)間的持續(xù)進(jìn)行，具有凝聚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠成分含量也不斷增加[9]，料漿則從整體上表現(xiàn)出屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的增大。由于處于攪拌狀態(tài)下，料漿中的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也處于破壞與重建的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，使得料漿流變參數(shù)增加幅度有限。

為保障料漿安全、低耗的輸送以及料漿在采空區(qū)的流動(dòng)性，在選擇料漿輸送管路時(shí)要盡量縮短管路長(zhǎng)度，從而降低長(zhǎng)距離輸送帶來(lái)的料漿流變參數(shù)增加量，減小料漿管路輸送時(shí)的阻力，擴(kuò)大料漿的流動(dòng)范圍。

(a)攪拌時(shí)間對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響 (b)攪拌時(shí)間對(duì)料漿黏性系數(shù)的影響圖6 不同灰砂比下攪拌時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響Fig.6 Effects of stirring time on rheological parameters under different cement-sand ratios

3 結(jié)論

本文以連續(xù)攪拌方式模擬料漿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)研究了不同質(zhì)量濃度和灰砂比條件下全尾砂膠結(jié)料漿流變參數(shù)的時(shí)變性。

1)對(duì)灰砂比1∶5，質(zhì)量濃度分別為72%、74%和76%的全尾砂膠結(jié)料漿進(jìn)行了流變參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用賓漢姆模型擬合分析表明：料漿的屈服應(yīng)力和黏性系數(shù)均隨攪拌時(shí)間的增加而增大，且料漿質(zhì)量濃度越大，攪拌時(shí)間的增加對(duì)料漿流變參數(shù)影響越明顯。同樣，也進(jìn)行了質(zhì)量濃度為74%、灰砂比為1∶10和1∶15的全尾砂膠結(jié)料漿流變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在不同的灰砂比條件下，料漿的屈服應(yīng)力和黏性系數(shù)也隨攪拌時(shí)間的增加而增大。

2)討論了攪拌時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響機(jī)理。水泥水化反應(yīng)隨攪拌時(shí)間的增加持續(xù)進(jìn)行，使料漿中具有凝聚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠成分含量也不斷增加，從而使料漿表現(xiàn)出流變參數(shù)值的增大趨勢(shì)。同時(shí)，由于料漿一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，料漿中的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也處在破壞與重建的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，致使料漿流變參數(shù)值增加幅度有限。