添加劑對礦井充填料漿流動特性的影響

李 濤， 關(guān)長國， 李耀暉， 單麒源， 陳維新， 鞏憲輝

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083； 3.鐵法煤業(yè)集團有限責(zé)任公司 小康煤礦， 遼寧 鐵嶺 112700)

0 引 言

礦井充填采礦法是礦山綠色開采的核心技術(shù)之一，能夠有效解決矸石排放、礦區(qū)地表塌陷和“三下”采煤問題，減輕礦區(qū)生態(tài)污染、提高了資源回收率、增加礦企經(jīng)濟效益。據(jù)相關(guān)文獻[1-5]，充填采礦過程中充填管路的堵管事故頻發(fā)，排除故障需要很長的時間成本及較大的經(jīng)濟投入，成為制約充填采礦技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)代化礦山開采呈大型化趨勢，隨著礦井同一水平采(帶)區(qū)系統(tǒng)的延展，充填采礦中泵送大倍線長距離充填(以下稱長距離充填)成為主要發(fā)展趨勢。

長距離充填料漿在充填管路內(nèi)運移和停留時間長，充填料漿各組分間更易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，致使料漿在充填管路內(nèi)運移更具復(fù)雜性，料漿的長期流變穩(wěn)定性直接決定充填管路故障情況、充填效率及效果。學(xué)者們就長距離充填采礦技術(shù)不同研究內(nèi)容做了一些研究，鄧代強[6]采用數(shù)值模擬方法對不同濃度充填料漿在管線總長2 568 m、高差808 m、倍線3.178 的充填管路中的流動壓強、流速及偏轉(zhuǎn)特性進行數(shù)值模擬，得出充填料漿最佳質(zhì)量濃度為 72%～74%時，礦山充填管路系統(tǒng)可安全、經(jīng)濟、平穩(wěn)的運行。徐文彬[7]對新陽煤礦充填管路2 700 m長的矸石粒徑級配研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為0～30 μm的矸石顆粒與料漿的表觀黏度和初始剪切力相關(guān)性最強，對料漿流變性能影響最大，2、3號材料中矸石粒徑級配更加合理，保證了管路輸送過程中料漿長期流態(tài)的穩(wěn)定性。王新民[8]基于H-B流變模型和絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)理論，構(gòu)建了時變性的超細全尾砂似膏體流變模型，探究超細全尾砂似膏體在3 000 m長距離管路輸送中的時變特性，得出超細全尾砂似膏體長距離輸送以穩(wěn)定狀態(tài)的阻力損失進行計算更經(jīng)濟合理。相關(guān)研究從不同方面探究長距離充填料漿的流動性問題，但未從根本上解決充填料漿長期流變穩(wěn)定性問題及長距離充填料漿輸送中的堵管問題。

為提高資源回收率，回采城鎮(zhèn)居民區(qū)下方壓覆的煤炭資源,如采用傳統(tǒng)的垮落式采礦方法，必然造成頂板垮落和地表塌陷，危及地表城鎮(zhèn)建筑及居民安全。以河北某礦為研究對象，該礦采用矸石、粉煤灰高濃度膠結(jié)充填采礦方法對“三下”壓煤進行開采。所開采煤層賦存深度800 m，地表攪拌站至井下充填地點總長約3 800 m，以料漿平均流速1.8 m/s計算，料漿在管路中運移時間約35 min?；夭晒ぷ髅娉涮畈捎梅侄纬涮罘绞?，在工作面均勻布置10個充填口，每 8 min依次開口澆筑充填料漿，共需80 min。充填料漿在管路內(nèi)運移時間和停留時間共需115 min，屬于典型的長距離充填開采模式，對料漿的流動性及內(nèi)在流變特性提出了較高要求，料漿顆粒在管路中不能發(fā)生分層、沉降和凝結(jié)，否則會造成充填料漿堵管事故[9-12]。為了保證充填料漿的長期流變穩(wěn)定性，避免充填堵管事故的發(fā)生，開展了高濃度膠結(jié)充填料漿配比實驗、流動度實驗和流體流變特性實驗。

1 實驗背景

充填料漿流變特性受料漿濃度、膠凝材料種類及摻量、粉煤灰摻量、集料的顆粒形狀及物化性質(zhì)、集料的粒徑級配、配制溫度與工藝等因素的影響[13]。經(jīng)實驗得出，矸石、粉煤灰高濃度膠結(jié)充填料漿最佳質(zhì)量濃度為70.2%，其中，水泥、粉煤灰、煤矸石、水的占比分別為12.0%、19.5%、38.7%、29.8%。由于充填料漿在管路內(nèi)運移時間長，各組分間發(fā)生內(nèi)部物化反應(yīng)致使充填料漿運移更具復(fù)雜性，僅改變各組分摻量難以達到料漿的長期流變穩(wěn)定性。故添加懸浮劑DF與引氣劑ST共同作用于充填料漿，使其滿足長距離充填料漿的均質(zhì)懸浮性和流動性的要求。筆者研究懸浮劑DF與引氣劑ST最佳配比關(guān)系及二者協(xié)同作用機制對充填料漿流動度經(jīng)時損失、經(jīng)時損失變化率及流變特性的影響。經(jīng)料漿配比實驗，選定4組具有代表性的摻量配比進行分析，如表1所示。

表1 料漿組分配比

2 充填料漿流動度經(jīng)時損失

2.1 流動度經(jīng)時損失實驗

2.1.1 實驗方法

流動度指標(biāo)包括坍落度、擴展度和稠度。實驗用充填料漿流動性好，采用擴展度衡量料漿的流動度，擴展度值越大，料漿流動性越好。依據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T2419—1994，對4組充填料漿不同時間擴展度值進行測量，如圖1所示。根據(jù)擴展度值計算相應(yīng)的經(jīng)時損失和經(jīng)時損失率，計算方法如下：

(1)

(2)

式中:Ljt——第t-1至第t個測試點的擴展度經(jīng)時損失率；

Lt——第t個測試點的擴展度值；

Ljp——平均擴展度經(jīng)時損失率。

測試點t0，t1，…，t4對應(yīng)測試時間為0、30、60、90、120 min。

圖1 料漿擴展度總經(jīng)時損失Fig. 1 Total expansion time loss of slurry

2.1.2 實驗結(jié)果

實驗測得4組料漿不同時間擴展度值及擴展度總經(jīng)時損失如表2所示，其中總經(jīng)時損失為t0-t4。

表2 料漿不同時間的擴展度

由式(1)、(2)計算可得，擴展度經(jīng)時損失率及平均值如表3所示。

表3 料漿不同時間的擴展度經(jīng)時損失率及平均值

Table 3 Time loss rate and mean value of expansionvalue of slurry%

組別擴展度經(jīng)時損失率及平均值Lj1Lj2Lj3Lj4Ljp19.38.28.912.29.728.26.97.410.38.234.01.22.64.43.145.84.43.75.74.9

2.2 懸浮劑DF與引氣劑ST協(xié)同作用機制

懸浮劑DF的作用：懸浮劑DF分子鏈呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均勻分布在充填料漿體系內(nèi)，吸附水泥初始水化微團等帶電顆粒并使之相互聯(lián)接形成懸浮網(wǎng)絡(luò)，起到阻止、支撐粗集料因重力而沉降的作用，達到使料漿顆粒懸浮均質(zhì)的效果，提高了料漿輸送過程中的整體流動度。懸浮劑DF分子鏈的吸附鏈接作用使料漿的表觀黏度有所增加，且不會減緩料漿內(nèi)的水泥水化和凝結(jié)進程，充填料漿的流動度總經(jīng)時損失比較大，長距離充填料漿中只加懸浮劑仍會造成充填堵管事故[14-17]。

引氣劑ST的作用：引氣劑ST是一種陰離子表面活性劑，ST分子通過改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩?、顆粒表面電荷、表面黏度以及氣體的透過性實現(xiàn)起泡和穩(wěn)泡功能，ST的內(nèi)在作用機理可用氣泡的引入、定向吸附、穩(wěn)泡作用和顆粒分離作用4個過程實現(xiàn)降低充填料漿稠度的功效。引氣劑ST使每立方米充填料漿產(chǎn)生數(shù)億個200 μm以下的穩(wěn)定均布且互不連通的溶膠性微氣泡，這些氣泡在料漿的攪拌、運輸、澆筑過程中起滾珠潤滑作用，改善了料漿在管路輸送中的整體流動性[18-21]。

微氣泡定向吸附于充填料漿內(nèi)水泥水化微團顆粒表面，使顆粒表面呈氣泡的負電荷性，同種電荷通過靜電斥力使顆粒相互分離，如圖2a所示，距離的增加減緩了水泥水化絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的凝聚，有利于減小料漿的流動度總經(jīng)時損失。但如果充填料漿中只添加引氣劑ST或懸浮劑DF摻量不足時，引氣劑ST氣泡吸附細顆粒由于密度小于料漿溶液密度而上浮，粗集料下沉，使料漿內(nèi)部產(chǎn)生分層沉降，如圖2b所示，在泵壓作用下細顆粒被不斷擠出，粗集料不斷集聚，易造成充填堵管事故。故懸浮劑DF與引氣劑ST在合適的摻量配比下協(xié)同作用，懸浮劑DF在充填料漿內(nèi)構(gòu)建完整的懸浮網(wǎng)絡(luò)體系，引氣劑ST在懸浮網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi)發(fā)揮滾珠潤滑、分離顆粒作用，方能達到充填料漿長距離充填的最佳效果。

圖2 引氣劑ST作用原理及料漿層沉降 Fig. 2 Principle of air entraining agent ST and separation and settlement of slurry

2.3 流動度經(jīng)時損失實驗結(jié)果分析

水泥水化產(chǎn)生的凝膠態(tài)的水化硅酸鈣(C-S-H)和結(jié)晶態(tài)的氫氧化鈣(Ca(OH)2)、鈣礬石(AFT/AFM)膠結(jié)在一起，凝聚成空間多孔網(wǎng)格狀凝膠結(jié)構(gòu)，水化反應(yīng)導(dǎo)致料漿體系內(nèi)自由水分減少，表觀黏度增加，造成充填料漿擴展度總經(jīng)時損失增加。因此，控制料漿中的水泥水化進程是增加料漿的擴展度，減少擴展度總經(jīng)時損失的關(guān)鍵問題之一[22-25]。4組充填料漿的組分摻量中，因懸浮劑DF與引氣劑ST的摻量不同導(dǎo)致流動效果不同，故懸浮劑DF與引氣劑ST是改變充填料漿流動性的關(guān)鍵所在。

表2中4組料漿t0時刻的擴展度值排序：3組>4組>2組>1組。第3組料漿中加入了0.035%的懸浮劑DF和0.009%最多量的引氣劑ST，懸浮劑DF在充填料漿內(nèi)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)體系，引氣劑ST微氣泡在料漿的攪拌、運輸、澆筑過程中起到滾珠潤滑作用，故前3組料漿中t0時刻第3組料漿的擴展度值最大。第4組料漿中懸浮劑DF摻量增加至0.045%，使料漿內(nèi)的懸浮網(wǎng)絡(luò)體系更完整，空間上制約了引氣劑ST的滾珠潤滑和顆粒分離作用，在一定程度上降低了流動度，因此，第4組充填料漿t0時刻的擴展度值小于第3組而大于第2組。

表2中4組料漿的擴展度總經(jīng)時損失排序：1組>2組>4組>3組； 表3中4組料漿的擴展度經(jīng)時損失率平均值排序：1組>2組>4組>3組。前3組料漿的懸浮劑DF摻量相同，第3組引氣劑ST摻量最多，第3組料漿的總經(jīng)時損失和平均經(jīng)時損失率值最小，歸因于引氣劑ST微氣泡在充填料漿起到顆粒分離作用而減緩了料漿中水泥水化速度。但第3組充填料漿的懸浮劑DF摻量不足，料漿內(nèi)懸浮網(wǎng)絡(luò)體系存在缺陷，引氣劑ST微氣泡吸附細顆粒上浮至料漿表面，致使粗集料下沉于管底而水分浮于表面如圖2b、3c所示，易造成充填堵管事故。因此，將第4組料漿的懸浮劑DF摻量增加至0.045%，提高料漿內(nèi)的懸浮網(wǎng)絡(luò)體系完整性，引氣劑ST微氣泡在懸浮劑DF網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi)發(fā)揮滾珠潤滑和顆粒分離作用，其擴展度總經(jīng)時損失和經(jīng)時損失率平均值介于第2組和第3組之間，保證料漿不分層沉降且具有良好的流動性。

3 流變特性

3.1 流變特征參數(shù)

表觀黏度和屈服應(yīng)力是表征充填料漿非牛頓流體流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)指標(biāo)。充填料漿在受到外部剪切力作用時發(fā)生流動變形，內(nèi)部要產(chǎn)生對抗變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來，所有流體在有相對運動時都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，非牛頓流體中稱之為表觀黏度。表觀黏度反映了充填料漿內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的大小，是料漿分子間微觀作用的宏觀表現(xiàn)，料漿表觀黏度與水泥摻量、固體顆粒粒級分布、料漿濃度及固體與液體分子間的動量交換等因素相關(guān)[26]。屈服應(yīng)力為充填料漿流體流動所需最小剪切應(yīng)力，在料漿流動過程中起重要作用，料漿塑性屈服應(yīng)力的大小一定程度上決定了料漿的坍落度，即流動度。

圖3 充填料漿8 h裝模Fig. 3 8 h molding of filling slurry

3.2 流變模型

充填料漿在管道中不同位置流動狀態(tài)不盡相同，依流速大小可分為結(jié)構(gòu)流、層流和紊流。料漿質(zhì)量分數(shù)達到一定程度時，料漿表觀黏度很大，管道內(nèi)料漿輸送特性發(fā)生很大變化。高質(zhì)量濃度充填料漿的流變模型宜采用Hershel-Bulkley模型，簡稱H-B模型[27]。模型方程通式為：

τ=τ0+ηγn，

(3)

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；

γ——剪切速率，s-1；

η——表觀黏度，Pa·s;

τ0——初始屈服應(yīng)力，Pa；

n——流態(tài)性指數(shù)。

當(dāng)n=1，τ0=0時，為牛頓體；當(dāng)n=1，τ0>0時，為賓漢姆體；當(dāng)n>1時，為膨脹體；當(dāng)n<1時，為偽塑性體。

3.3 流變參數(shù)擬合分析

實驗采用Rheolab Q/C旋轉(zhuǎn)流變儀，如圖4所示。控制剪切速率進行剪切應(yīng)力及表觀黏度測試，結(jié)果如表4所示。

圖4 Rheolab Q/C流變儀Fig. 4 Rheolab Q/C rheometer

對4組料漿(命名：1～4號料漿)在0、30、60、90、120 min時的流變數(shù)據(jù)進行測試，得到4組充填料漿不同時間的流變特性指標(biāo)如表4所示。4組料漿表觀黏度和屈服應(yīng)力均隨時間的增加而增加，在相同的時間點，4組料漿的表觀黏度和屈服應(yīng)力值相差較大，二者排序均為：1號料漿>2號料漿>4號料漿>3號料漿。原因是1號料漿沒有添加引氣劑ST，3、4號料漿添加了多量引氣劑ST，引氣劑ST產(chǎn)生微氣泡在料漿內(nèi)起滾珠潤滑作用，且引氣劑ST摻量越大表觀黏度和屈服應(yīng)力就越低。相同時間內(nèi)4號比3號料漿表觀黏度和屈服應(yīng)力大，原因是4號料漿的懸浮劑DF摻量高于3號料漿，使4號料漿體系內(nèi)懸浮網(wǎng)絡(luò)體系更完整，限制了引氣劑ST微氣泡的活動范圍，使充填料漿的整體流動性降低。4組料漿120min和0min的表觀黏度參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，1號料漿在120 min時表觀黏度增加最大，已經(jīng)部分凝結(jié)逐漸失去流動性。3、4號料漿未發(fā)生凝結(jié)且流動性保持最好，原因在于引氣劑ST微氣泡的靜電斥力使細顆粒發(fā)生相互分離，減緩了水泥水化絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的凝聚，因此，3、4號料漿表觀黏度和屈服應(yīng)力經(jīng)時損失最小，保持了料漿長期良好的流動性。

表4 不同時間充填料漿流變參數(shù)

Table 4 Rheological parameters of filling slurry atdifferent time

t/min1號料漿η/Pa·sτ0/PanR202.598 943410.846 9303.471 958110.936 1604.545 071610.907 0905.157 982310.932 61207.039 594510.969 6t/min2號料漿η/Pa·sτ0/PanR202.343 341910.932 1302.683 347510.880 7603.149 757110.863 9903.869 863010.926 41204.335 36950.454 40.954 8t/min3號料漿η/Pa·sτ0/PanR201.549 136810.936 3302.161 840310.966 2602.733 647910.928 6902.968 149310.925 81203.040 05080.464 60.932 4t/min4號料漿η/Pa·sτ0/PanR201.930 439110.926 2302.398 142610.939 8602.979 250510.896 8903.398 956410.920 61203.589 561510.959 1

表4中4組料漿90 min前流態(tài)性指標(biāo)n均等于1，屬于非牛頓賓漢姆塑性流體，表明此階段料漿流態(tài)穩(wěn)定。120 min時2、3號料漿流態(tài)性指標(biāo)n小于1，轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗡苄苑桥ｎD流體[28]，說明這兩組料漿內(nèi)部發(fā)生了分層沉降導(dǎo)致其均質(zhì)性差，料漿的長期流變穩(wěn)定性較差，粗集料在管路底部集聚易造成堵管事故。圖3c中3號料漿試塊上表面凹陷即分層后水分蒸發(fā)形成。4號料漿流態(tài)性指標(biāo)n等于1，仍屬非牛頓賓漢姆體塑性流體，說明4號料漿保持了較好的懸浮均質(zhì)性，無分層沉降現(xiàn)象，長期流變穩(wěn)定性好，如圖3d所示，4號料漿懸浮劑DF與引氣劑ST摻量配比關(guān)系較3號料漿能更好地滿足該礦長距離充填的管路輸送要求。

4 結(jié) 論

(1)矸石、粉煤灰高濃度膠結(jié)充填料漿泵送長距離管路輸送中，充填料漿需保持長期流變穩(wěn)定性，僅改變料漿內(nèi)各組分摻量難以達到流變特性維持穩(wěn)定的效果，故添加懸浮劑DF與引氣劑ST協(xié)同作用來增強料漿內(nèi)在流變穩(wěn)定特性。

(2)4組充填料漿中第3組料漿的擴展度總經(jīng)時損失和平均經(jīng)時損失率均最小，但第3組料漿的懸浮網(wǎng)絡(luò)體系不足，致粗集料沉降集聚于管路底部而產(chǎn)生分層沉降現(xiàn)象。將第4組懸浮劑DF摻量增加至0.045%，提高料漿內(nèi)的懸浮網(wǎng)絡(luò)體系完整性，可避免分層沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(3)3、4號料漿表觀黏度和屈服應(yīng)力總經(jīng)時損失最小且流動性保持好，歸因于引氣劑ST微氣泡的顆粒分離作用，減緩了料漿水泥水化進程。但3號料漿在120 min時流態(tài)性指標(biāo)n小于1，轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗡苄苑桥ｎD流體，料漿內(nèi)部發(fā)生了分層沉降易造成堵管事故。4號料漿保持了長期良好的流變穩(wěn)定性，可用于長距離充填料漿的管路輸送。