基于流變特性極差分析的碎石-全尾砂料漿配比優(yōu)化研究*

凌斌輝

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

膏體流變學(xué)是膏體充填技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)[1-2],充填料漿的流變行為演化對(duì)整個(gè)充填工藝的濃密階段、攪拌階段、輸送階段、充填階段四個(gè)時(shí)期均會(huì)產(chǎn)生較大影響[3-6]。由于受到料漿組分、粒徑分布、料漿濃度、灰砂比、剪切環(huán)境、溫度、pH 等多種因素影響,料漿流變特性非常復(fù)雜[1],即使僅從“料漿組分”這單一影響因素來(lái)看,不同的材料組成會(huì)導(dǎo)致料漿的流變特性具有較大的差異。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)分級(jí)尾砂、全尾砂、高延性水泥、高水速凝材料、膠固粉等材料下的流變特性展開(kāi)了大量研究[7-10],而針對(duì)廢石-全尾砂流變特性的研究相對(duì)較少。隨著“綠色礦山”治理理念的提出與實(shí)施[11],國(guó)家在安全、環(huán)保等方面的監(jiān)管變得愈發(fā)嚴(yán)格,新建排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)的審批工作變得愈發(fā)困難。將廢石作為充填骨料輸送至井下采空區(qū),既可緩解井下采空區(qū)可能造成的地壓災(zāi)害,又可以降低尾礦庫(kù)和廢石場(chǎng)對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)安全造成的危害,對(duì)實(shí)現(xiàn)“全廢治三害”具有非常重要的意義,因此有必要對(duì)此展開(kāi)研究。

本文以國(guó)內(nèi)某礦山充填系統(tǒng)工程為研究對(duì)象,針對(duì)不同膏體質(zhì)量濃度、碎石摻量和水泥含量下的料漿綜合性能和流變特性各異的特點(diǎn),首先通過(guò)CU、CC、-20μm 細(xì)粒級(jí)含量三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)確定了合理的碎石摻量。然后采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),按照碎石摻量5%、10%、15%、20%;膏體質(zhì)量濃度77%、78%、80%、81%;灰砂比1∶4,1∶6,1∶8,1∶10建立實(shí)驗(yàn)組,并通過(guò)極差分析,從屈服應(yīng)力和塑性黏度兩方面對(duì)其進(jìn)行了定量和定性分析,揭示了相應(yīng)的影響規(guī)律。最后通過(guò)塌落度、強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)篩選出最優(yōu)配比,旨在為后續(xù)的工業(yè)試驗(yàn)、充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型提供基礎(chǔ)資料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

1.1 充填材料密度測(cè)試

料漿組分包括全尾砂、P·O42.5 水泥、碎石、水。采用四分法對(duì)各樣品進(jìn)行取樣,分別測(cè)試各樣品的容重、松散堆積密度、密實(shí)堆積密度。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 充填材料密度測(cè)試

1.2 充填材料粒級(jí)組成

(1) 全尾砂、水泥粒級(jí)組成。采用激光粒度分布儀測(cè)定物料的粒級(jí)分布,測(cè)試結(jié)果如下:全尾砂d10=5.385μm,d30=23.325μm,d60=79.862μm,-200目(-74μm)占比為57.68%,尾礦粒度較粗,但-20μm 的極細(xì)顆粒含量為27.14%,細(xì)粒含量滿足膏體充填要求[12],d10=3.149μm,d30=13.599 μm,d60=32.278μm,-200 目(-74μm)占 比88.11%,-20μm 的細(xì)顆粒含量為41.65%。

(2) 碎石粒級(jí)組成。碎石樣品風(fēng)干后,首先用10 000μm 的篩網(wǎng)剔除+10 000μm 的樣品,然后將樣品按從大到小的順序依次通過(guò)小于10 000μm 的各級(jí)細(xì)篩,并記錄各級(jí)含量,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 碎石粒級(jí)分布

1.3 碎石摻量設(shè)計(jì)

(1)-20μm 含量分析:將碎石摻量比例按照5%、10%、20%、30%、40%與全尾砂進(jìn)行混合,并計(jì)算全尾砂-碎石混合體中-20μm 細(xì)粒級(jí)含量,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同碎石摻量下-20μm 細(xì)粒級(jí)含量

根據(jù)圖1可知,碎石摻量在5%～40%范圍內(nèi),隨著碎石摻量的增加,全尾砂-碎石混合體中-20μm 細(xì)粒級(jí)含量呈現(xiàn)單調(diào)遞減的變化趨勢(shì),但-20μm 細(xì)粒級(jí)含量均大于15%,滿足復(fù)合膏體充填要求[12]。

(2)CU和CC系數(shù)分析。根據(jù)不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)CC表征物料粒級(jí)組成的均勻程度,分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同碎石摻量下CU 和CC 值

式中,d10、d30、d60分別是指累計(jì)含量為10%、30%、60%顆粒能夠通過(guò)的篩孔直徑;CU反映顆粒級(jí)配的不均勻程度,CU≥5時(shí)表示顆粒大小分布范圍廣,級(jí)配良好;CC反映粒徑分布曲線上的顆粒級(jí)配整體形態(tài),一般CC=1～3 時(shí)級(jí)配良好,密實(shí)程度比較好[13]。

由圖2可知,隨著碎石摻量的增加,全尾砂-碎石混合體的CU值和CC值表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

CU值變化規(guī)律:不同碎石摻量的CU值均大于5,說(shuō)明混合體粒級(jí)分布較廣,從增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看,隨碎石摻量的增加,CU值呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。其中碎石摻量從5%增加至30%時(shí),CU值由14.12 增加至22.88,增長(zhǎng)較平緩;碎石摻量從30%增加至40%時(shí),CU值從22.88增長(zhǎng)至50.12,急劇增加。

CC值變化規(guī)律:碎石摻量為5%～25%時(shí),CC值處于1～3之間,說(shuō)明料漿粒徑分布較為連續(xù);碎石摻量為30%～40%時(shí),CC值小于1,不滿足混合體粒徑分布連續(xù)性的要求。從增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看,碎石摻量從5%增加至10%時(shí),CC值由1.12 增加至1.26,碎石摻量從10%增加至40%時(shí),CC值由1.26逐漸降低至0.63。

(3) 碎石摻量?jī)?yōu)化。綜合分析-20μm 細(xì)粒級(jí)含量、CU、CC等關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律可知,碎石摻量在5%～40%范圍內(nèi),-20μm 細(xì)粒級(jí)含量、CU值均滿足要求;但碎石摻量為30%～40%時(shí),CC值＜1;碎石摻量為25%時(shí),CC值＞1,但考慮到實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室有差距,最終推薦碎石摻量為5%、10%、15%、20%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 充填料漿的主要技術(shù)指標(biāo)

為揭示不同膏體質(zhì)量濃度、不同碎石摻量和不同灰砂比下的料漿塌落度、離析率、泌水率、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度等指標(biāo)的變化規(guī)律,設(shè)置質(zhì)量濃度分別為77%、78%、80%、81%的四種料漿;5%、10%、15%、20%四種碎石摻量;1∶4,1∶6,1∶8,1∶10 四種灰砂比。由于考慮因素較多,為減少工作量且能較為準(zhǔn)確地反映指標(biāo)變化規(guī)律,采用正交實(shí)驗(yàn),測(cè)得各組的塌落度、離析率、泌水率、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度等主要技術(shù)指標(biāo),見(jiàn)表3。

根據(jù)膏體充填要求,塌落度為25～28 cm,屈服應(yīng)力小于150 Pa時(shí),料漿具有較好的流動(dòng)性;根據(jù)采礦工藝要求,充填體14 d 強(qiáng)度(R14d)應(yīng)大于2 MPa。按上述條件對(duì)實(shí)驗(yàn)組合進(jìn)行篩選,第4、7、8組滿足要求。

2.2 充填料漿屈服應(yīng)力極差分析

由正交實(shí)驗(yàn)得到屈服應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)極差分析得到的結(jié)果見(jiàn)表4。表4中K1為膏體質(zhì)量濃度77%、碎石摻量5%,灰砂比1∶10 下的實(shí)驗(yàn)指標(biāo),其余K n值依次類推,由此可以判斷出各影響因子下的最差水平和最優(yōu)水平。Kvag為對(duì)應(yīng)K n的平均值,R=Kvag(最大值)-Kvag(最小值),表示各影響因子作用下屈服應(yīng)力的變化范圍,其大小代表對(duì)應(yīng)影響因子對(duì)屈服應(yīng)力的影響程度大小。

表4 充填料漿屈服應(yīng)力極差分析

通過(guò)表4的分析數(shù)據(jù)可知:單因子影響下,充填料漿的屈服應(yīng)力隨著膏體質(zhì)量濃度、灰砂比增大而不斷增加,表現(xiàn)為正相關(guān),隨著碎石摻量的增加不斷減小,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。各因子下R值差別較明顯,膏體質(zhì)量濃度＞灰砂比＞碎石摻量,說(shuō)明質(zhì)量濃度對(duì)充填料漿的屈服應(yīng)力影響最大,灰砂比次之,碎石摻量影響最小。因此可推斷出:當(dāng)膏體質(zhì)量濃度為77%,灰砂比為1∶10,碎石摻量為20%時(shí),充填料漿的屈服應(yīng)力最小。

2.3 充填料漿塑性黏度的極差分析

由正交實(shí)驗(yàn)得到塑性黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)極差分析得到的結(jié)果見(jiàn)表5,表中符號(hào)及其代表的含義與表4相同。

表5 充填料漿塑性黏度極差分析

通過(guò)表5中的分析數(shù)據(jù)可知:單因子影響下,充填料漿的塑性黏度隨著膏體質(zhì)量濃度、灰砂比的增加不斷增加,表現(xiàn)為正相關(guān),隨著碎石摻量增加不斷減小,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。各因子下R值差別較明顯,膏體質(zhì)量濃度＞碎石摻量＞灰砂比,說(shuō)明膏體質(zhì)量濃度對(duì)充填料漿的塑性黏度影響最大,碎石摻量次之,灰砂比影響最小。因此可推斷出:當(dāng)膏體質(zhì)量濃度為77%,灰砂比為1∶10,碎石摻量為20%時(shí),充填料漿的塑性黏度最小。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)-20μm 細(xì)粒級(jí)含量、不均勻系數(shù)CU和曲率系數(shù)CC三個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)碎石摻量為5%、10%、15%、20%時(shí),全尾砂-碎石料漿級(jí)配效果較好。

(2) 單因子影響下,膏體屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著膏體質(zhì)量濃度、灰砂比增加不斷增加,表現(xiàn)為正相關(guān),隨著碎石摻量增加不斷減小,表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

(3) 不同因子對(duì)充填料漿屈服應(yīng)力的影響程度有明顯差別,其中膏體質(zhì)量濃度對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響最大,灰砂比次之,碎石摻量影響最小。

(4) 不同因子對(duì)充填料漿塑性黏度的影響程度有明顯差別,其中膏體質(zhì)量濃度對(duì)料漿塑性黏度的影響最大,碎石摻量次之,灰砂比影響最小。

(5) 通過(guò)對(duì)充填料漿塌落度、強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,選定膏體質(zhì)量濃度77%,碎石摻量20%,灰砂比1∶4為最佳配比組合,可為后續(xù)工業(yè)試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐提供參考依據(jù)。