添加石蠟的復合充填材料流變性能實驗研究★

張小艷 趙成林 劉 利 趙 敏 許慕妍 文 德

(西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

1 概述

充填采礦法以其對地壓的有效控制、對尾礦的有效處理、對環(huán)境的有效保護而成為世界范圍內(nèi)廣受應(yīng)用的采礦方法[1,2]。對于深層礦產(chǎn)資源開采，高地溫是導致熱害的主要因素，世界上許多國家先后出現(xiàn)礦井熱害問題?；诔涮畈傻V技術(shù)，本研究提出將一定比例相變材料添加到充填料漿中形成蓄熱充填材料，利用其蓄熱性能吸收圍巖及采場風流熱量進行蓄熱，為地熱的有效開采提供便利條件。對于傳統(tǒng)的充填料漿，已經(jīng)開展了大量的流變性能研究，趙才智[3]測試了膏體充填料漿的流變參數(shù)，并回歸料漿的流變方程。馬浩吉[1]通過對膏體充填料漿流變性能的測定，揭示了灰砂比、粉煤灰添加量、質(zhì)量濃度3個因素對料漿流變性能的影響。郭利杰[4]在擴散度和坍落度試驗基礎(chǔ)上，研究了尾砂性質(zhì)、料漿濃度和砂灰比對尾砂充填料漿流變性能的影響。朱家銳[5]對新型膠凝材料T.C-I-全尾砂料漿、水泥—全尾砂料漿的工作特性和流變性能進行實驗研究，揭示了全尾砂充填料漿的流變參數(shù)隨灰砂比、質(zhì)量濃度和剪切速率的變化規(guī)律。

目前國內(nèi)外對蓄熱充填料漿流變性能的研究較少,本研究以某鐵礦尾砂添加水泥作為基本充填材料，灰砂比1∶6，然后以相變溫度30 ℃的石蠟微膠囊作為蓄熱材料部分替代尾砂，通過實驗測試蓄熱充填料漿的流變性能，探討充填料漿濃度、蓄熱材料添加量對蓄熱充填料漿流變性能的影響，為蓄熱充填料漿的管道輸送提供理論參考。

2 實驗與測試

實驗選取相變溫度為30 ℃的石蠟微膠囊作為蓄熱材料，料漿濃度為68%,70%,72%，灰砂比為1∶6，石蠟添加量0%做空白實驗，依次以石蠟添加量為5%,10%,15%,20%取代尾砂。實驗選用德國HAAKE Viscotester iQ air流變儀(阻尼為30.00，熱膨脹系數(shù)為1.100 μm/℃)進行測試。由于溫度的改變會帶來黏度的改變，所以該實驗在室溫下進行。

3 蓄熱充填料漿流變性能測試結(jié)果與分析

不同料漿濃度及石蠟添加比例的蓄熱充填料漿流變特性測試結(jié)果如表1所示。

3.1 充填料漿屈服應(yīng)力及黏度變化分析

3.1.1石蠟添量及料漿濃度對屈服應(yīng)力的影響

如圖1所示為不同石蠟添加量下蓄熱充填料漿的屈服應(yīng)力變化曲線，圖1表明：充填料漿的屈服應(yīng)力隨石蠟添加量的增加而增大。當石蠟添加量從0%增加到20%時，對于68%,70%,72%的料漿濃度，屈服應(yīng)力依次增加了34.28倍、20.29倍、18.57倍。

表1 蓄熱充填料漿流變參數(shù)測試結(jié)果

如圖2所示為不同料漿濃度下蓄熱充填料漿的屈服應(yīng)力變化曲線，圖2表明：充填料漿的屈服應(yīng)力隨料漿濃度的增大有所增加，但增加幅度不大。當充填料漿濃度從68%增加到72%時，對于0%～20%的石蠟添加量，屈服應(yīng)力分別增加了1.09倍、0.39倍、0.95倍、0.37倍和0.16倍。數(shù)據(jù)分析顯示：充填料漿的屈服應(yīng)力隨著料漿濃度和石蠟添加量的增加而增大，但石蠟添加量對充填料漿屈服應(yīng)力的影響更加明顯，因此，減少石蠟添加量有利于改善充填料漿的流變性能。

3.1.2石蠟添加比例及料漿濃度對黏度的影響

如圖3所示為不同石蠟添加量下蓄熱充填料漿的黏度變化曲線，圖3表明：充填料漿的黏度隨石蠟添加量的增加略有增大,但變化不明顯。

如圖4所示為不同料漿濃度下蓄熱充填料漿的黏度變化曲線(不同石蠟添加量下黏度變化不明顯，用一條曲線表示)，圖4表明：充填料漿的黏度隨著料漿濃度的增加而增大。當充填料漿濃度從68%增加到72%時，對于0%～20%的石蠟添加量，黏度大約增加了16%。

數(shù)據(jù)分析顯示：充填料漿的黏度隨料漿濃度的增加而增大，石蠟添加量對充填料漿黏度影響不大，因此，減小料漿濃度有利于改善蓄熱材料對充填料漿流變性能的負面影響。

3.2 充填料漿剪切應(yīng)力變化分析

如圖5所示為在剪切速率為50 s-1時剪切應(yīng)力隨時間的變化曲線，圖5表明：充填料漿的剪切應(yīng)力隨石蠟添加量的增加而增大。石蠟添加量在0%,5%,10%時，充填料漿的剪切應(yīng)力隨時間基本保持不變；石蠟添加量為15%和20%時，漿體的剪切應(yīng)力先減小，然后趨于穩(wěn)定的數(shù)值。

圖6為階梯剪切速率(50 s-1,60 s-1,70 s-1)下充填料漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，圖6表明：在階梯剪切速率下充填料漿的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增大；相同剪切速率下，當蓄熱材料添加量相同時，剪切應(yīng)力隨料漿濃度的增加而增大，當料漿濃度相同時，剪切應(yīng)力隨蓄熱材料添加量的增加而增大；蓄熱材料添加量對剪切應(yīng)力的影響要大于料漿濃度對剪切應(yīng)力的影響。

4 結(jié)語

本研究通過對添加石蠟的蓄熱充填料漿在不同料漿濃度、不同石蠟添加量下的流變特性進行實驗測試與分析，得出以下結(jié)論：

1)充填料漿的屈服應(yīng)力隨石蠟添加量的增加而增大，當石蠟添加量從0%增加到20%時，對于68%,70%,72%的料漿濃度，屈服應(yīng)力分別增加了34.28倍、20.29倍、18.57倍。充填料漿的屈服應(yīng)力隨料漿濃度的增大有所增加，但增加幅度不大，可見石蠟添加量對充填料漿屈服應(yīng)力的影響更加明顯，因此減少石蠟添加量有利于改善充填料漿的流變性能。

2)充填料漿的黏度隨石蠟添加量的增加略有增大，但變化不明顯。充填料漿的黏度隨料漿濃度的增加而增大，當充填料漿濃度從68%增加到72%時，對于0%～20%的石蠟添加量，黏度大約增加了16%。因此，減小料漿濃度有利于改善蓄熱材料對充填料漿流變性能的負面影響。

3)充填料漿的剪切應(yīng)力隨石蠟添加量的增加而增大。在階梯剪切速率下，充填料漿的剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加而增大；相同剪切速率下，剪切應(yīng)力隨料漿濃度的增加而增大，石蠟添加量對剪切應(yīng)力的影響要大于料漿濃度對剪切應(yīng)力的影響。