廢石—棒磨砂混合充填料漿工作特性與流變參數(shù)試驗(yàn)

韋寒波 高 謙

（1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京市建筑節(jié)能與建筑材料管理辦公室，北京 100045）

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)日趨嚴(yán)格以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防控迫切要求，充填采礦法應(yīng)用越來越廣泛。充填采礦可以減少礦石損失貧化、提高廢石利用率、避免采空區(qū)塌陷、防治地質(zhì)災(zāi)害［1-3］。充填材料的選擇和配比對(duì)充填體強(qiáng)度、管道輸送和充填成本起決定性作用。廢棄物在充填采礦中大量資源化利用，不僅可以保護(hù)環(huán)境，而且還能夠降低充填采礦成本，同時(shí)獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

近年來針對(duì)充填材料的選擇、料漿特性優(yōu)化、低成本物料開發(fā)等問題，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，高謙、趙國(guó)彥、張修香等［4-6］應(yīng)用響應(yīng)曲面法研究充填料漿特性變化規(guī)律，并進(jìn)行配比優(yōu)化；溫震江等［7］對(duì)廢石—棒磨砂混合骨料級(jí)配對(duì)充填料漿離析的影響進(jìn)行了研究，確定混合骨料平均粒徑和粒徑分散系數(shù)并成功驗(yàn)證；李立濤等［8-9］基于正交試驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)充填膠凝材料配比進(jìn)行優(yōu)化；付自國(guó)等［10］基于數(shù)據(jù)擬合規(guī)律，提出強(qiáng)度齡期數(shù)學(xué)模型用以指導(dǎo)配比設(shè)計(jì)；楊志強(qiáng)、張秀勇等［11-14］對(duì)多固廢混合充填料漿的流變特性、管輸阻力因素和減阻技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；巴蕾、李茂輝、楊嘯等［15-17］開展了礦山固體廢棄物混合骨料充填料漿膠結(jié)體強(qiáng)度與配比優(yōu)化試驗(yàn)研究。

針對(duì)廢石—棒磨砂混合粗骨料和低成本固結(jié)粉綠色充填膠凝材料，本項(xiàng)目基于正交試驗(yàn)方案，開展不同配比的混合充填料漿管道輸送特性以及流變特性研究，分析變化規(guī)律和關(guān)鍵影響因素。同時(shí)，尋找廢石—棒磨砂混合粗骨料充填料漿配比最優(yōu)組合，使其在滿足管道穩(wěn)定自流輸送的前提下，達(dá)到磨損最少和經(jīng)濟(jì)效益最大的目的，為同類礦山開展充填料漿配比設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果

充填料漿的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和可塑性是評(píng)價(jià)其工作特性的重要因素。料漿的流動(dòng)性表征料漿在管道中輸送的難易程度，通常采用料漿的塌落度、擴(kuò)散度和稠度來度量；料漿的穩(wěn)定性表征料漿的分層、離析和飽水程度，通常采用料漿的分層度、泌水率等參數(shù)來表征；料漿的可塑性反映料漿粘度以及抗剪切能力。同時(shí)，高濃度充填料漿是一種復(fù)雜的懸浮體，常采用H-B體或賓漢體來表征，通過開展流變參數(shù)測(cè)試，獲取屈服應(yīng)力和粘度系數(shù)，用以進(jìn)行料漿管輸特性分析與評(píng)價(jià)。

（1）充填骨料。采用金川礦山掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的-12 mm廢石與金川公司砂石廠-5 mm棒磨砂二元混合骨料，廢石與棒磨砂配比（廢砂比）分別為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。

（2）料漿濃度。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)充填料漿參數(shù)，料漿質(zhì)量濃度分別為78%、80%、82%、84%。

（3）膠凝材料。采用現(xiàn)場(chǎng)充填實(shí)際所用膠凝材料，即金泥礦用水泥與煕金公司生產(chǎn)的工業(yè)固結(jié)粉（水泥與固結(jié)粉配比為3∶7），膠凝材料與棒磨砂配比（膠砂比）分別為1∶4、1∶5、1∶6。

（4）按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)規(guī)程操作要求和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，制備廢石—棒磨砂混合充填料漿，分別測(cè)定在不同配比條件下充填料漿工作特性參數(shù)（塌落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度、泌水率）和流變參數(shù)（屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)），試驗(yàn)分組情況及相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

按照礦區(qū)充填系統(tǒng)自流輸送工藝設(shè)計(jì)，充填料漿工作特性參數(shù)的基本要求：塌落度≥20 cm、稠度≥9 cm、分層度≤2.0 cm。表1參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，料漿工作特性能滿足充填基本要求。廢砂比為2∶8和料漿濃度為78%的3組料漿，以及廢砂比為1∶9和料漿濃度為78%、80%的6組料漿，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層離析，導(dǎo)致該9組試驗(yàn)沒有獲得可靠的流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果。

2 料漿特性變化與影響因素分析

2.1 料漿工作特性分析

根據(jù)正交試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了3個(gè)因素，每個(gè)因素選取3～4個(gè)水平，通過單因素分析難以觀察到總體變化規(guī)律。為此，需要開展混合充填料漿工作特性多因素回歸分析。自變量料漿廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度分別采用X1、X2、X3表示，對(duì)表1充填料漿測(cè)試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸分析，由此獲得各參數(shù)回歸方程：

式中，T1為料漿塌落度，cm；T2為料漿擴(kuò)散度，cm；T3為料漿稠度，cm；T4為料漿分層度，cm；T5為料漿的泌水率，%。

根據(jù)回歸分析結(jié)果可知，料漿坍落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律基本相同，料漿質(zhì)量濃度是影響工作特性的最顯著因素，各參數(shù)變化規(guī)律如下：

（1）塌落度隨料漿質(zhì)量濃度的增大而減??；隨膠砂比的增大而減小，但影響不明顯；隨廢砂比的增大而迅速減小，究其原因，是因?yàn)閺U石粗骨料含泥量多，隨著廢砂比增大，細(xì)泥含量增多，導(dǎo)致充填料漿變稠，從而提高了料漿的濃度，料漿塌落度隨之降低。

（2）擴(kuò)散度隨廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度增減變化規(guī)律與塌落度基本一致。

（3）稠度隨料漿質(zhì)量濃度增大而減小；隨廢砂比增大而減小。表明隨著料漿質(zhì)量濃度和廢砂比增大，料漿越來越粘稠，料漿流動(dòng)性逐漸降低。

（4）分層度隨廢砂比、膠砂比、料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律不一致，與廢砂比正相關(guān)，與膠砂比及料漿質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān)，其中料漿質(zhì)量濃度對(duì)分層度影響最顯著。

（5）泌水率隨料漿質(zhì)量濃度的增大逐漸減小，說明料漿的保水性和穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

2.2 料漿流變參數(shù)分析

本次料漿流變參數(shù)試驗(yàn)采用高精度的R/S+SST型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀，選擇30/15槳式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速設(shè)置初始值20 r/min，終值120 r/min，檢測(cè)次數(shù)100次。將流變?cè)囼?yàn)獲取的數(shù)據(jù)使用回歸軟件進(jìn)行分析，由此獲得剪切率與剪切應(yīng)力的流變曲線（其中料漿質(zhì)量濃度82%和膠砂比1∶5的4組不同廢砂比料漿流變曲線及擬合結(jié)果如圖1所示）。根據(jù)試驗(yàn)所得的曲線與典型流體流動(dòng)特性曲線對(duì)照，可以明顯得出料漿流變曲線屬于具有屈服應(yīng)力的偽塑性體特征，初步確定本次試驗(yàn)廢石—棒磨砂混合料漿的流變關(guān)系為具有屈服應(yīng)力的偽塑性體，可采用H-B模型進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析。

根據(jù)表1料漿流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果，針對(duì)料漿的屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)進(jìn)行影響因素的多元素回歸及相關(guān)性檢驗(yàn)?；貧w相關(guān)性檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，料漿屈服應(yīng)力的回歸方程與測(cè)試結(jié)果擬合較好，但料漿粘度系數(shù)擬合較差。料漿屈服應(yīng)力τ0、粘度系數(shù)K的回歸方程：

回歸分析結(jié)果表明，料漿屈服應(yīng)力主要影響因素是料漿質(zhì)量濃度，屈服應(yīng)力隨料漿質(zhì)量濃度提高而增大；其次是廢砂比，膠砂比對(duì)料漿屈服應(yīng)力影響不顯著。粘度系數(shù)的主要影響因素是膠砂比，粘度系數(shù)隨膠砂比增大而減??；其次是料漿質(zhì)量濃度，廢砂比對(duì)料漿粘度系數(shù)的影響較小。

3 料漿配比設(shè)計(jì)優(yōu)化

開展廢石—棒磨砂混合料漿工作特性和流變特性研究，就是為了尋找混合充填料漿配比最優(yōu)組合，使其在滿足管道穩(wěn)定自流輸送的前提下，達(dá)到磨損最少和經(jīng)濟(jì)效益最大的目的。充填料漿特性主要受料漿的濃度、膠砂比、廢砂比3個(gè)因素影響，各因素之間既相關(guān)作用又互為制約，導(dǎo)致各影響因素對(duì)料漿流變特性產(chǎn)生較為復(fù)雜的作用。

本次研究應(yīng)用Design Expert中響應(yīng)曲面法進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)混合充填料漿工作特性參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)的響應(yīng)為塌落度和泌水率，通過調(diào)整3個(gè)影響因素使其響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)（最大或最?。?。自變量為廢砂比、膠砂比和料漿質(zhì)量濃度，依次建立混合充填料漿的響應(yīng)面優(yōu)化模型，由此獲得3個(gè)影響因素對(duì)因變量（塌落度和泌水率）的等高線和響應(yīng)曲面見圖2～圖5。

由料漿工作特性參數(shù)影響因素分析可知，影響料漿塌落度和泌水率顯著因素順序?yàn)椋毫蠞{質(zhì)量濃度>廢砂比>膠砂比。以最顯著影響因素的料漿質(zhì)量濃度和廢砂比作為自變量函數(shù)，對(duì)因變量塌落度、泌水率作出等高線和響應(yīng)曲面，由此獲得的最優(yōu)膠砂比為0.21（約1∶5）。再利用Design Expert軟件Optimization工具箱對(duì)廢石—棒磨砂混合料漿的廢砂比、膠砂比、料漿濃度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此獲得料漿配比優(yōu)化組合見表2。優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮到棒磨砂8%的含水率影響，整個(gè)料漿濃度實(shí)際折減為79%。

4 結(jié) 論

（1）基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，開展了48組不同配比的廢石—棒磨砂混合骨料充填料漿工作特性及流變參數(shù)測(cè)試。通過分析工作特性參數(shù)變化規(guī)律可知，料漿坍落度、擴(kuò)散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質(zhì)量濃度的變化規(guī)律相同，料漿質(zhì)量濃度是影響工作特性的最顯著因素。

（2）廢石粗骨料含泥量多，隨著廢砂比增大，細(xì)泥含量增多，導(dǎo)致料漿變稠，從而提高了料漿的濃度，料漿塌落度隨之降低。料漿質(zhì)量濃度和廢砂比增大，料漿越來越粘稠，料漿流動(dòng)性逐漸降低。泌水率隨料漿質(zhì)量濃度增大逐漸減小，說明料漿的保水性和穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

（3）廢石—棒磨砂混合充填料漿的流變關(guān)系為具有屈服應(yīng)力的偽塑性體，可采用H-B模型進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析。屈服應(yīng)力主要影響因素是料漿濃度，屈服應(yīng)力隨料漿質(zhì)量濃度提高而增大；其次是廢砂比，膠砂比對(duì)料漿屈服應(yīng)力影響不顯著。粘度系數(shù)主要影響因素是膠砂比，粘度系數(shù)隨膠砂比增大而減小；其次是料漿質(zhì)量濃度，廢砂比對(duì)料漿粘度系數(shù)的影響較小。

（4）采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行廢石—棒磨砂混合充填料漿配比優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此獲得滿足金川礦山高濃度料漿自流輸送的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)為：廢砂比為0.62（接近4∶6）、膠砂比為1∶5、料漿質(zhì)量濃度為81.85%?；旌铣涮盍蠞{塌落度為27.24 cm、泌水率為9.25%。