武山銅礦全尾砂膠結(jié)充填環(huán)管試驗(yàn)

黃惟盛

（江銅集團(tuán)武山銅礦 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦自90年后采用分層進(jìn)路水沙充填采礦法，不添加膠結(jié)材料，在南礦帶W4、W5進(jìn)行下向膠結(jié)充填試驗(yàn)，充填濃度達(dá)到了68%左右。目前武山銅礦的分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)升級(jí)改造為全尾砂膏體充填系統(tǒng)，必須進(jìn)行前期基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。尤其，全尾砂作為骨料的充填性能、全尾砂膠結(jié)充填參數(shù)、全尾砂漿絮凝沉降參數(shù)、全尾砂膏體的流動(dòng)性能等研究?jī)?nèi)容是全尾砂膏體充填技術(shù)的關(guān)鍵，必須以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析，得出科學(xué)合理的研究結(jié)論。本次環(huán)管試驗(yàn)的目的是測(cè)試試料漿在管徑為50mm、在不同流速情況下，得出直管段的壓力損失，進(jìn)一步分析研究武山銅礦全尾砂膏體輸送性能。為后續(xù)的膏體充填的參數(shù)選取奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2 環(huán)管試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

充填材料配比試驗(yàn)的目的是測(cè)定不同配比組合水泥、尾砂膠結(jié)試塊的固結(jié)特性、強(qiáng)度指標(biāo)等，以檢測(cè)充填體是否滿足回采強(qiáng)度和相關(guān)工藝要求，據(jù)此確定適合武山銅礦采礦工藝要求的充填材料最優(yōu)配比。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定充填試驗(yàn)材料為：骨料為武山銅礦全尾砂、膠凝材料為市場(chǎng)上購(gòu)買的商業(yè)復(fù)合32.5硅酸鹽水泥、水為普通自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)借助青島乾坤興工貿(mào)有限公司建設(shè)安裝的充填環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機(jī)械部分主要是由骨料提升機(jī)、集成配料倉(cāng)、骨料稱重系統(tǒng)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、皮帶上料機(jī)、粉料倉(cāng)、螺旋上料機(jī)、水箱、攪拌機(jī)、材料輸送泵和環(huán)管組成。

系統(tǒng)根據(jù)配料設(shè)置—骨料依次卸入計(jì)量斗中，累積計(jì)量，計(jì)量好后啟動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)，再啟動(dòng)斜式平皮帶上料機(jī)，將計(jì)量好的骨料提升到攪拌倉(cāng)內(nèi)；粉料計(jì)量斗中計(jì)量好的粉料由螺旋輸送機(jī)送往攪拌倉(cāng)中，將計(jì)量好的水由水泵送入攪拌倉(cāng)；然后開(kāi)啟攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，將攪拌好的料漿(流體介質(zhì))卸入下面的輸送泵料斗中，由輸送泵將料漿輸送到環(huán)管系統(tǒng)管道中(管道為ND100mm)。通過(guò)安裝在管路中的溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)測(cè)出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)，通過(guò)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

環(huán)管試驗(yàn)泵送過(guò)程主要對(duì)直管段進(jìn)行壓力測(cè)試，通過(guò)調(diào)整不同泵送頻次改變流量，進(jìn)而改變料漿在管道的流速，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到擬合方程，從而得到不同料漿的屈服應(yīng)力及粘度。通過(guò)不同濃度的試驗(yàn)配比，研究不同濃度下的泵送情況。

對(duì)于本項(xiàng)目，我們前期試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是膏體充填，研究表明，膏體屬于賓漢流體，在水平直管段根據(jù)能量守恒定律可得：

p1代表直管段第一點(diǎn)壓力，p2代表直管段第二點(diǎn)壓力，直管段距離為15.8m，通過(guò)液壓表測(cè)量不同泵送情況下的直管段壓力值，得到壓力損失。定義p1為直管壓力損失。

根據(jù)所得到的剪切應(yīng)力與虛剪切速率作曲線，用origin軟件擬合，得到的擬合方程與對(duì)比，計(jì)算出屈服應(yīng)力及粘度。

本次試驗(yàn)流速由流量計(jì)測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在灰砂比為1∶4.23及1∶8.11的配比條件下，每完成一個(gè)質(zhì)量濃度的環(huán)管試驗(yàn)后，分別加水稀釋一次，總共進(jìn)行4組不同配比條件的環(huán)管試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用流變學(xué)理論接觸進(jìn)行分析，得到不同配比的流變學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1 環(huán)管試驗(yàn)測(cè)試流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.1 不同配比情況下料漿的壓力損失計(jì)算

表2 不同料漿流量及管徑時(shí)料漿流速（m/s）計(jì)算表

膏體在水平管段壓力損失方程可以計(jì)算水力坡度i（pa/m）：

表2為不同配比情況下不同流量和管徑情況下的水力坡度計(jì)算表。

根據(jù)環(huán)管試驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)，繪制了不同配比的充填料漿的流變曲線，分別計(jì)算了在不同充填方量情況的相應(yīng)流速情況，不同管徑的壓力損失。

圖1 質(zhì)量濃度為75.2%、灰砂比為1∶8.11的流變曲線

圖2 質(zhì)量濃度為72.7%、灰砂比為1∶8.11的流變曲線

圖3 質(zhì)量濃度為76.3%、灰砂比為1∶4.23的流變曲線

圖4 質(zhì)量濃度為74.6.1%、灰砂比為1∶4.23的流變曲線

3.2 停泵再啟

為了模擬在充填過(guò)程因?yàn)橥话l(fā)情況而引起的停泵情況，對(duì)質(zhì)量濃度74.6%，灰砂比為1∶4.23的配比進(jìn)行了停泵80min再啟動(dòng)試驗(yàn)，并測(cè)試了再啟動(dòng)后的正常輸送壓力損失情況。質(zhì)量濃度為74.6%，灰砂比為1∶4.23停泵80min后再啟動(dòng)第一點(diǎn)峰值壓力為31.468bar。經(jīng)過(guò)停泵80min后，直管段的壓力損失為4.033bar,相對(duì)于前期的3.790增加了0.243bar，說(shuō)明水泥產(chǎn)生了一定的凝結(jié)作用。

4 試驗(yàn)結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)相關(guān)配比，一定的灰砂比的充填料漿進(jìn)行了環(huán)管試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直管壓力損失隨流速增大而變大，流速與直管段壓力損失近似呈線性關(guān)系，符合賓漢流特征；相同情況下，壓力損失隨質(zhì)量濃度的降低而降低，相關(guān)配比泌水率均小于3%，流變學(xué)分析及外觀分析均呈膏體特征。

（2）計(jì)算了在不同充填方量，選擇不同管徑情況下的流速，通過(guò)流變學(xué)參數(shù)計(jì)算了不同條件下的水力坡度，可以為充填設(shè)計(jì)提供參考。

（3）質(zhì)量濃度為74.6%，灰砂比為1∶4.23停泵80min后能正常啟動(dòng)，但是水利坡度增加了1537.97pa/m。