泵送劑摻量對(duì)充填料漿流動(dòng)性能及充填體力學(xué)性能的影響

薛振林 張友志 甘德清 張 欣 胡 勝

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.華北理工大學(xué)學(xué)科建設(shè)處，河北唐山063210；3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083）

充填采礦法能夠有效解決礦山所面臨的安全與環(huán)境問(wèn)題，使得此方法的應(yīng)用日趨廣泛。充填采礦工藝中的料漿管道輸送環(huán)節(jié)對(duì)充填采礦效率有重要影響，因此，料漿的流動(dòng)性能受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。泵送劑是一種能改善料漿流動(dòng)性能的混合物，主要由減水劑、引氣劑、減阻劑、緩凝劑等復(fù)合而成，具有高流化、潤(rùn)滑、緩凝的作用，能使充填料漿具備順利通過(guò)輸送管道、不離析、不阻塞、黏塑性良好的性能［1-5］。近年來(lái)，對(duì)泵送劑使用手段的研究逐漸增加，饒運(yùn)章等［6］通過(guò)研究不同摻量聚羧酸高效減水劑對(duì)膏體料漿流動(dòng)度、坍落度、泌水率的影響，發(fā)現(xiàn)摻量0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的聚羧酸高效減水劑可使質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～76%的膏體充填料漿的流動(dòng)度、坍落度有效增加；KAMOUN等［7］等研究了磺化木質(zhì)素減水劑對(duì)水泥砂漿塌落度的影響，得出磺化木質(zhì)素可降低水泥砂漿塌落度損失率；劉斯忠等［8］選用全尾砂制作的充填料漿，研究泵送劑摻量對(duì)膏體流變性能的影響，得出了泵送劑摻量在2%左右可達(dá)到最佳流變效果的結(jié)論。泵送劑在改善料漿流動(dòng)性能的同時(shí)，對(duì)后續(xù)采場(chǎng)中凝固后的充填體力學(xué)性能是否有影響，卻鮮有該方面成果報(bào)道，而該影響對(duì)充填采礦極其重要，它直接決定著充填質(zhì)量，對(duì)后續(xù)采礦作業(yè)也有著多方面的影響。

本研究以某礦分級(jí)尾砂膠結(jié)充填為工程背景，首先開展充填料漿塌落度試驗(yàn)與流變?cè)囼?yàn)，從塌落度與流變參數(shù)這兩個(gè)常用指標(biāo)出發(fā)，分析不同泵送劑摻量與充填料漿流動(dòng)性能的關(guān)系；其次，針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期試塊開展單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和電鏡細(xì)觀試驗(yàn)，從細(xì)觀尺度分析泵送劑摻量對(duì)充填體力學(xué)性能的影響，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 泵送劑作用原理

試驗(yàn)所用水泥為礦渣硅酸鹽水泥，主要成分為硅酸鹽水泥熟料、?；郀t礦渣和適量石膏，其中水泥與水反應(yīng)式主要為

式中，n和y為系數(shù)。

料漿內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)、粒子熱運(yùn)動(dòng)以及水泥水化反應(yīng)后離子間的范德華力作用共同形成的絮凝物呈連續(xù)結(jié)構(gòu)，這種連續(xù)結(jié)構(gòu)限制了料漿的流動(dòng)性能［9-12］。試驗(yàn)選用的泵送劑主要成分為減水劑，減水劑可使料漿中顆粒質(zhì)點(diǎn)表面帶有相同符號(hào)的電荷。在靜電力作用下，料漿顆粒之間處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，其中，絮凝物的連續(xù)結(jié)構(gòu)呈分散狀態(tài)，被包裹的拌合水可逐漸被釋放出來(lái)，從微觀角度來(lái)說(shuō)，即泵送劑可以使水泥水化反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的結(jié)合水釋放出來(lái)；另外，減水劑的空間位阻效應(yīng)，保證了料漿顆粒分散狀態(tài)下的穩(wěn)定性；同時(shí)，泵送劑帶來(lái)的一定量氣泡，增加了顆粒間滑動(dòng)能力，所以泵送劑可以改善料漿的流動(dòng)性能［13-15］。泵送劑對(duì)充填料漿絮凝物的作用機(jī)理如圖1所示［16］。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用某礦分級(jí)尾砂，尾砂各粒徑占比見圖2。礦渣硅酸鹽水泥型號(hào)為P.S.A 32.5，泵送劑型號(hào)為JCKY01，料漿載體為城市自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)初步探索，綜合考慮料漿流動(dòng)性及充填體強(qiáng)度因素［17-21］，將充填料漿質(zhì)量濃度設(shè)定為68%，泵送劑的摻量為水泥質(zhì)量的1%～4%，并設(shè)置未摻泵送劑的對(duì)照組，料漿配比見表1。料漿配制完成后，對(duì)每組料漿分別開展塌落度試驗(yàn)與流變?cè)囼?yàn)，流變?cè)囼?yàn)采用控制剪切應(yīng)力法。運(yùn)用上述充填料漿制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，對(duì)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d試塊強(qiáng)度開展單軸抗壓測(cè)試。運(yùn)用電子顯微鏡對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的試塊進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 塌落度結(jié)果分析

各組試驗(yàn)塌落度與泵送劑摻量關(guān)系見圖3。由圖3可知：隨著泵送劑摻量的增加，充填料漿塌落度呈上升趨勢(shì)。泵送劑摻量為0～1%時(shí)，塌落度增長(zhǎng)率為35.26%；泵送劑摻量為1%～2%時(shí)，塌落度增長(zhǎng)率為13.64%；泵送劑摻量為2%～3%時(shí)，塌落度增長(zhǎng)率為9.33%；泵送劑摻量為3%～4%時(shí)，塌落度增長(zhǎng)率為5.88%。可見，泵送劑對(duì)塌落度的影響是非線性且呈梯度的，隨著泵送劑摻量不斷增加，泵送劑對(duì)料漿塌落度的影響會(huì)慢慢趨于“飽和”狀態(tài)。這是因?yàn)殡S著一定量的泵送劑加入，使得料漿內(nèi)部絮凝物包裹的結(jié)合水得以釋放出來(lái)，加上引入了一定量的氣泡，使料漿的自由水增多，潤(rùn)滑性提高，導(dǎo)致塌落度增大；而當(dāng)泵送劑的摻量超過(guò)臨界值時(shí)，料漿內(nèi)部已經(jīng)很難再釋放出足夠多的自由水，從而導(dǎo)致塌落度的增加趨向于緩慢。

對(duì)獲取的塌落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，自變量x為泵送劑摻量，因變量f為塌落度，得到泵送劑摻量與塌落度的回歸方程見式（2），其中方程sig=0.0032＜0.05，差異顯著，表明式（2）能夠較好地表述泵送劑摻量與塌落度的關(guān)系。

3.2 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

控制剪切應(yīng)力方法中，認(rèn)定剪切速率發(fā)生時(shí)的剪切應(yīng)力為靜態(tài)屈服應(yīng)力，每次試驗(yàn)設(shè)置的剪切應(yīng)力間隔均為100 Pa，逐次試探，直至測(cè)試出屈服應(yīng)力為止，剪切在達(dá)到設(shè)定應(yīng)力上限值時(shí)停止。各組試驗(yàn)流變曲線見圖4，屈服應(yīng)力與塑性黏度取值見圖5。

由圖4、圖5可知：屈服應(yīng)力大小隨著泵送劑摻量的增加出現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)泵送劑摻量為0～1%時(shí)，屈服應(yīng)力降低8.58%；泵送劑摻量為1%～2%時(shí)，屈服應(yīng)力降低38.54%；泵送劑摻量為2%～3%時(shí)，屈服應(yīng)力降低41.73%；泵送劑摻量為3%～4%時(shí)，屈服應(yīng)力降低18.98%?？芍?，泵送劑摻量為2%～3%時(shí)，料漿屈服應(yīng)力的降低幅度相對(duì)較大，流變性能改善較為顯著，料漿顆粒之間接近處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，在此基礎(chǔ)之上繼續(xù)增加泵送劑的含量，同劑量的泵送劑能夠釋放出的結(jié)合水減少，也很難再增加絮凝結(jié)構(gòu)的分散程度，導(dǎo)致?lián)搅吭诔^(guò)3%后，同劑量泵送劑的作用效果慢慢減弱。同理，在塑性黏度方面，泵送劑摻量超過(guò)2%時(shí)，同劑量泵送劑對(duì)料漿塑性黏度的降低效果已經(jīng)不明顯。

料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度是決定料漿流動(dòng)性能的重要流變參數(shù)，不考慮其他條件的前提下，這兩個(gè)流變參數(shù)越小，料漿的流動(dòng)性能越好?？紤]泵送劑摻量對(duì)兩個(gè)流變參數(shù)的綜合影響，結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，認(rèn)為摻量為2%～3%較適宜。

3.3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究采用WHY-600單軸壓力機(jī)對(duì)目標(biāo)齡期的樣品進(jìn)行測(cè)試，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖6。

由圖6可知：隨著泵送劑摻量增加，所有齡期的充填體抗壓強(qiáng)度均呈先上升后下降的趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，泵送劑摻量為1%～3%時(shí)，對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響均是積極的。養(yǎng)護(hù)齡期為3 d的充填試塊，不同泵送劑摻量的抗壓強(qiáng)度在0.30～0.43 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，除了摻量達(dá)到4%時(shí)表現(xiàn)為明顯下降，在3%摻量之前增長(zhǎng)有限，基本認(rèn)為泵送劑對(duì)充填試塊早期強(qiáng)度影響不大。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的充填試塊，泵送劑摻量為0～1%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為28%，增長(zhǎng)明顯；泵送劑摻量為1%和2%時(shí)，充填試塊抗壓強(qiáng)度基本不變，超過(guò)2%后，強(qiáng)度開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的充填試塊，強(qiáng)度變化規(guī)律與7 d試塊類似，泵送劑摻量為0～1%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為20.69%；泵送劑摻量為1%～2%時(shí)，強(qiáng)度基本不變，超過(guò)2%后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

3.4 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

泵送劑是從細(xì)觀結(jié)構(gòu)上對(duì)充填料漿產(chǎn)生影響，導(dǎo)致凝固后的充填試塊有不同抗壓強(qiáng)度。采用電子顯微鏡對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期28 d試塊表面（澆筑時(shí)非自由面）進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，結(jié)果見圖7。

由圖7可知：添加1%泵送劑時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)明顯比未添加的對(duì)照組致密，這是由于泵送劑的加入，消除了料漿中較大且有害的氣泡，當(dāng)添加量為2%～4%時(shí)，充填試塊的細(xì)觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出大孔隙增多的現(xiàn)象，尤其是在4%時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)一些類似“破碎帶”的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)殡S著摻量逐漸增大，釋放的結(jié)合水逐漸增加，導(dǎo)致料漿明顯變稀，凝固脫水后就會(huì)留下更多的孔隙結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象與圖6中28 d強(qiáng)度曲線相吻合，先由于結(jié)構(gòu)的致密導(dǎo)致強(qiáng)度明顯提高，隨著摻量增加，大孔隙結(jié)構(gòu)增加，強(qiáng)度逐漸降低。因此，運(yùn)用細(xì)觀結(jié)構(gòu)解釋強(qiáng)度是有意義的。

結(jié)合該礦山實(shí)際，考慮泵送劑成本、料漿流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度的綜合效應(yīng)，在該配比的料漿中，泵送劑摻量為2%較為合理。此外，本研究分析的不同泵送劑摻量對(duì)料漿流動(dòng)性能及充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，也可以為其他同類礦山提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

在研究泵送劑對(duì)充填料漿流動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，探究了泵送劑摻量對(duì)凝固后充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下：

（1）泵送劑摻量為2%～3%時(shí)，對(duì)料漿塌落度及流變參數(shù)有著明顯的影響，能夠有效提高料漿的流動(dòng)性能，當(dāng)摻量超過(guò)3%時(shí)，單位劑量的泵送劑對(duì)料漿流動(dòng)性能的提升將不再明顯。

（2）泵送劑對(duì)充填試塊早期（3 d）強(qiáng)度影響不大，而對(duì)于7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期試塊，摻量在2%以前能有效增加強(qiáng)度，摻量大于2%時(shí)，充填試塊抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

（3）泵送劑摻量為1%時(shí)具有最致密的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，隨著摻量增加，大孔隙開始增加，最終導(dǎo)致強(qiáng)度相應(yīng)降低。綜合考慮泵送劑成本、料漿流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度的影響，在該配比的料漿中，泵送劑摻量為2%時(shí)較為合理。

（4）考慮到孔隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，推測(cè)尾砂級(jí)配應(yīng)是影響泵送劑效果的一個(gè)重要因素。本研究只針對(duì)一種尾砂進(jìn)行了試驗(yàn)，后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行尾砂級(jí)配方面的分析。