煤矸石-粉煤灰充填料漿流變特性的實驗研究

林倚天， 蘇士杰， 趙 明， 趙 輝

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.中天合創(chuàng)煤炭分公司門克慶煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300)

0 引言

隨著中國淺部煤炭資源的長期持續(xù)高強度開采，開采深度逐漸增大且“三下”壓煤數(shù)量巨大[1]。地下深部采煤常引起嚴重的地表下沉并可能導(dǎo)致如地下水位下降和生態(tài)破壞等問題[2]。覆巖離層注漿技術(shù)是能有效減小地表沉陷的技術(shù)之一，因其成本低、易實施和不干擾工作面生產(chǎn)等優(yōu)點而受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3-8]。離層注漿充填就是利用巖移過程中覆巖內(nèi)形成的離層空間，通過地面鉆孔向離層空間充填材料以支撐覆巖，從而減緩覆巖移動向地表的傳播[9]。充填料漿的流變學(xué)是覆巖離層注漿技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一，注漿充填的各工藝環(huán)節(jié)均需要基于料漿的流動與變形來開展，如攪拌階段中攪拌方式與參數(shù)的確定，輸送階段中滿管流動調(diào)節(jié)、輸送阻力計算及防堵、防爆，充填階段中料漿的流動、固結(jié)及充填體的蠕變行為等[10-14]。本文通過對不同配比的煤矸石-粉煤灰料漿的流變實驗來探究充填料漿的流變特性和流變參數(shù)的時間效應(yīng)，為改良注漿工藝和設(shè)計注漿參數(shù)提供參考。

1 煤矸石-粉煤灰充填料漿流變實驗

流變實驗選用奧地利Anton-Paar公司的MCR102高級流變儀進行，該儀器屬于模塊化智能型高級流變儀，配有水浴裝置，擴展功能強大，操作方便簡單。MCR102高級流變儀系統(tǒng)配備了同軸圓柱型、錐板型和槳式3種測量系統(tǒng)，本實驗選用槳式測量系統(tǒng)。對流變儀的控制和實驗參數(shù)設(shè)定使用安東帕公司開發(fā)的Rheoplus軟件。借助ORIGIN軟件處理流變實驗獲得的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之間的規(guī)律并得到擬合方程。

實驗材料中的煤矸石為門克慶煤礦經(jīng)球磨機研磨后的120目煤矸石，水泥為普通硅酸鹽水泥。本實驗將溫度控制為20℃，設(shè)計3個變量，分別為質(zhì)量濃度梯度、灰矸比(膠凝材料與矸石粉之比)梯度和時間梯度(表1)?；翼繁确謩e為2∶1，1∶1和1∶2，膠凝材料中水泥和粉煤灰的比例為1∶1。質(zhì)量濃度梯度分別為32%、34%和36%。

將水泥、粉煤灰、矸石粉和水混合在一起的時刻作為計時的起點，選擇5min、15min、25min、35min、45min和55min時間梯度采集數(shù)據(jù)。選擇10min為等差時間梯度既可保證實驗操作時間充裕，又可減輕頻繁擾動對流變參數(shù)準(zhǔn)確性的影響。擾動測量料漿時間設(shè)定為1min，剪切實驗時間間隔為10min，以最大限度保證料漿隨時間自然發(fā)生變化。

在研究充填料漿流動時間效應(yīng)的實驗過程中，在每個時間梯度的實驗結(jié)束后從料漿槽中取出料漿筒，用布蓋住料漿筒以防水分流失。因料漿筒容積所限，每次料漿用量僅為200g，任何微小的差別都可能會導(dǎo)致整個結(jié)果產(chǎn)生巨大變化。因此對同一配比多次稱料進行實驗，找出位于多次實驗所得曲線中波動最小的曲線作為最終實驗結(jié)果。

表1 煤矸石-粉煤灰充填料漿流動時間效應(yīng)實驗設(shè)計Table 1 Coal gangue-flyash filling material slurry flow timeeffect experiment design

按上述實驗設(shè)計進行了有效實驗51次，每次捕捉60個測試點，每個測試點具有剪切應(yīng)力和剪切速率2個實驗數(shù)據(jù)，共得到6 210個原始數(shù)據(jù)，通過對所有原始數(shù)據(jù)進行處理得到圖1所示的煤矸石-粉煤灰充填料漿9種不同實驗配比在不同時間的流變特性曲線。

圖1 不同配比料漿的流變特性曲線Figure 1 Different proportioning material slurry rheologic feature curves

2 煤矸石-粉煤灰充填料漿流變曲線特征分析

對圖1中流變特性曲線分析發(fā)現(xiàn)，每條曲線的前段都是在剪切速率變化很小范圍內(nèi)剪切應(yīng)力急劇增加，然后趨于穩(wěn)定。這是因為初始狀態(tài)的料漿內(nèi)存在較多水泥水化生成的凝膠物質(zhì)，這些凝膠物質(zhì)包裹矸石顆粒和水形成絮團，并相互搭接形成絮網(wǎng)[13]。這些剛性絮網(wǎng)的強度因其大小、成分的差異而不同。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生較大的阻力。在低剪切速率段，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)被破壞的少，因此阻力比較大，剪切應(yīng)力隨剪切速率變化較快；隨著轉(zhuǎn)子剪切速率的不斷增大，進一步的攪動使得料漿中被破壞的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越多，能夠阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的力越來越小，因此剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化開始減小。從表觀黏度角度分析，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動初期料漿中絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)較多，漿體的表觀黏度高，剪切導(dǎo)致絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的持續(xù)破壞，表觀黏度急劇下降。當(dāng)大部分絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)被破壞完畢時，顆粒間的相互作用使絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)又搭接、修復(fù)，直至絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)速率達到動態(tài)平衡時料漿的表觀黏度變化變得平緩。

3 充填料漿流變模型的時間效應(yīng)

將51條流變特性曲線的中后段近似看成一條在剪切應(yīng)力軸上有截距的直線，應(yīng)用最小二乘法，取位于流變曲線中間的點進行擬合運算，得到51條直線，擬合結(jié)果見表2。

表2 不同配比料漿的剪切應(yīng)力與剪切速率擬合函數(shù)關(guān)系Table 2 Different proportioning material slurry shearing stress and shearing rate fitting functional relationships

續(xù)表

表2的擬合方程中有30個斜率大于0，與剪切應(yīng)力τ軸有交點，且擬合的相關(guān)系數(shù)近于1，因此可認為該種條件下的流體符合賓漢模型，是賓漢流。在這30種條件下表中的斜率即為流體的表觀黏度，截距即為流體的屈服應(yīng)力。

其他21個擬合方程的相關(guān)系數(shù)也非常接近于1，表明具有很好的相關(guān)性，但不符合當(dāng)前任何一種流變模型。其特點為剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加而逐漸減小，斜率為一負數(shù)定值。該種流變特征發(fā)生在同樣的配比方式中較靠后的測量時段，說明此種流變模型會在水泥水化了一段時間之后出現(xiàn)。

對同一配比方式的料漿，當(dāng)流變參數(shù)擬合直線斜率小于0后(即發(fā)生沉降后)繼續(xù)測量料漿在下一個時間梯度的流變參數(shù)。通過對比發(fā)現(xiàn)斜率的絕對值逐漸增大，即直線與X軸所成角度越來越大。料漿發(fā)生沉降后，變化相同大小的剪切速率，剪切應(yīng)力減小程度會隨著時間的增長而增大。這一現(xiàn)象說明隨時間推移，料漿中形成的粗顆粒變多，細顆粒變少，均質(zhì)性變差。造成這種現(xiàn)象的原因可能與顆粒沉降速率有關(guān)。在剪切速率變化相同時，對料漿內(nèi)顆粒的擾動效果可認為相同，混合時間越長，大顆粒所占比重上升，沉降速率變快，槳葉剪切圓柱體內(nèi)的料漿的濃度變化越快，顆粒含量減少的越快，內(nèi)摩擦力下降越大，導(dǎo)致宏觀上剪切應(yīng)力變化增大。

綜上，從時間變化角度來看，充填料漿在流動前期表現(xiàn)為賓漢流體特征，后期賓漢流體特征逐漸消失，變成一種擬合直線斜率為負值，剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而線性減小的流型。

4 充填料漿流變參數(shù)的時間效應(yīng)

分析30個符合賓漢流體特征的流變參數(shù)與時間的關(guān)系，只選擇同一配比下具有3個以上連續(xù)時間段所測流體符合賓漢流特征的黏度和屈服應(yīng)力值作為分析數(shù)據(jù)(表3)。

表3 符合賓漢流體特征的流變參數(shù)Table 3 Rheologic parameters in accordance with Binghamfluid features

續(xù)表

4.1 料漿黏度的時間效應(yīng)

通過對表3中的黏度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，除1#料漿的黏度隨時間增長一直下降外，其他7組黏度數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

黏度隨時間的變化規(guī)律與水泥持續(xù)水化使料漿內(nèi)固、液相成分發(fā)生變化密切相關(guān)。普通硅酸鹽水泥遇水后各組分開始溶解并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最先發(fā)生水化反應(yīng)的是鋁酸三鈣，迅速生成鈣礬石。鈣礬石在短時間內(nèi)的迅速增多會阻礙粒子間的相對移動，即內(nèi)摩擦力增大。硅酸三鈣的水化反應(yīng)緊隨鋁酸三鈣之后，其水化產(chǎn)物為C—S—H和Ca(OH)2，兩者均屬膠狀物質(zhì)，會導(dǎo)致漿體黏性上升[14]。同時，水泥水化會消耗水分，使水的潤滑和懸浮作用降低。因此，在水泥水化早期，漿體中膠凝物質(zhì)含量增高，水分減少，導(dǎo)致漿體在一定時間內(nèi)黏度呈上升趨勢。

水泥的水化作用是在氫氧化鈣和硫酸鈣的飽和溶液中進行，高濃度鈣離子和硫酸根離子在溶液中保持時間的長短由水泥的組成決定。從分子運動的角度看，未水化的水泥分子間和已經(jīng)生成的膠凝結(jié)構(gòu)間由于內(nèi)聚力的作用相互吸引聚合。這個過程中膠凝結(jié)構(gòu)間的空隙逐步閉合，毛細孔變小，毛細水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤瑵{體內(nèi)的固相成分增多，顆粒增大，水被逐步的釋放，大顆粒之間沒有小顆粒之間接觸的那么頻繁，顆粒間起潤滑作用的自由水逐漸增多，內(nèi)摩擦力就會變小，因此黏度系數(shù)會出現(xiàn)下降趨勢。

4.2 料漿屈服應(yīng)力的時間效應(yīng)

從表3中可以看出，同一測量時刻點的屈服應(yīng)力值隨著質(zhì)量濃度的增加而增加，且屈服應(yīng)力隨著料漿混合時間的增長逐漸增大。

隨著水化產(chǎn)物不斷增多，受分子間內(nèi)聚力和黏附力的影響，所形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越多，體積越來越大，這種剛性骨架結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力越來越強，導(dǎo)致能夠抵抗的剪切應(yīng)力越來越大，因此在對料漿進行擾動時所需提供的扭矩就越大，即屈服應(yīng)力增大。

從以上分析中可以看出，隨著時間的變化，料漿的黏度先增后減與屈服應(yīng)力的只增不減是不矛盾的，因為黏度由粒子間相對移動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力所決定，而屈服應(yīng)力由料漿內(nèi)剛性絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力產(chǎn)生的抗剪能力決定。

5 流變參數(shù)獲取方法

由實驗結(jié)果及分析可知煤矸石-粉煤灰充填料漿的流變模型符合賓漢模型τ=τ0+ηBγ，黏度系數(shù)ηB和屈服應(yīng)力τ0受料漿濃度和膠凝材料含量的影響。用ω表示料漿濃度，α表示膠凝材料含量，分析ηB與ω、α的關(guān)系，以及τ0與ω、α的關(guān)系，可得表4所示的擬合方程。

表4 流變參數(shù)與料漿濃度和膠凝材料含量的關(guān)系Table 4 Relationship between rheologic parameters and materialslurry concentration, cementing material content

由表4可知黏度系數(shù)ηB與料漿濃度ω和膠凝材料α基本滿足二元一次線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.8以上，F(xiàn)檢驗值大于7，回歸方程擬合度較高；屈服應(yīng)力τ0與料漿濃度ω和膠凝材料α滿足二元一次線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.93以上，F(xiàn)檢驗值大于18，回歸方程擬合度很高。

6 結(jié)論

1)本文研究了質(zhì)量濃度分別為32%、34%和36%的煤矸石-粉煤灰充填料漿流變特征，得到不同時間點的流變特性曲線，通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合和分析認為該種條件下的流體符合賓漢模型，由此得到各條件下流體表觀黏度和屈服應(yīng)力。

2)煤矸石-粉煤灰充填料漿的流型會隨時間發(fā)生變化，由賓漢塑性體逐漸失去均質(zhì)流特性，變?yōu)橐环N受顆粒沉降影響的流型。

3)煤矸石-粉煤灰充填料漿的黏度隨時間先增大后減小，是水泥水化作用導(dǎo)致的粒子間內(nèi)摩擦力變化導(dǎo)致的；料漿的屈服應(yīng)力隨混合時間增長而增大，是剛性絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力增強的結(jié)果。黏度系數(shù)ηB、屈服應(yīng)力τ0與料漿濃度ω和膠凝材料α基本滿足二元一次線性關(guān)系，得到了5min、15min和25min時流變參數(shù)計算方程。