夏德勝，高 謙，南世卿

（1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山063000；2北京科技大學，北京100083）

隨著礦業(yè)資源開發(fā)的需求，充填采礦技術在實踐中不斷的革新和完善，逐漸成為一種高效、安全的采礦方法。充填采礦技術不僅滿足采礦工藝的要求，同時結合環(huán)境實現(xiàn)礦山廢物的綜合利用。尾砂膠結充填是充填采礦方法中重要的類型之一，意在降低開采成本和形成一個持久的有足夠強度的充填體[1]。膠結材料是充填技術中最為重要的因素之一，其中水泥全尾砂作為充填膠結材料應用于井下充填，在許多礦山得到一定的推廣應用[2]。利用鋼鐵廢渣配以激發(fā)劑，開發(fā)一種新型膠結材料通過與骨料（尾砂）的相互作用產(chǎn)生高于普通水泥的固化效果，對推廣充填采礦技術和尾砂的綜合利用產(chǎn)生積極的作用。為了滿足新型膠結材料在充填采礦中充填料漿管道輸送要求，研究其料漿的流變特性成為管道輸送能力和輸送過程中的安全和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)[3]。本研究在石人溝鐵礦開展了水泥和新型膠結材料流變特性和流變參數(shù)的對比測試，通過兩種膠結材料的對比分析，揭示不同濃度條件下砂漿流變特性隨膠砂比的變化規(guī)律，進一步優(yōu)化料漿濃度配比，從而為充填系統(tǒng)設計和運營提供依據(jù)。

1 兩種膠結材料基本特性試驗研究

試驗以新研發(fā)的鋼鐵廢渣加激發(fā)劑制成的新型膠結材料和冀東地區(qū)32.5水泥為對比膠結材料，以石人溝鐵礦的全尾砂為基質材料，測得尾砂比表面積1740.32cm2／g，密度2.52g／cm3。進行充填材料的砂漿流變特性試驗，選擇灰砂比分別是1∶8、1∶10、1∶12、1∶15四種和砂漿濃度在75%～83%范圍內進行兩種膠結材料砂漿流變測試，獲得砂漿的工作特性參數(shù)的試驗結果如表1所示。

根據(jù)表1中的全尾砂漿的塌落度、稠度、泌水率和沉降率的試驗數(shù)據(jù)，進行兩種膠結材料的流變特性對比分析和研究。

1.1 砂漿的塌落度對比分析

充填料漿因自重而流動、因內部阻力而停止的最終變形量將會產(chǎn)生坍落現(xiàn)象。坍落度大小主要取決于料漿中固體顆粒的級配和料漿濃度，直接反映著料漿流動性的好壞與流動阻力的大小[4]。表1中四種膠砂比的兩種膠結材料的塌落度與濃度的變化規(guī)律基本一致，即隨著濃度的提高而降低。對于1∶10的膠砂比，新膠結材料砂漿塌落度大于水泥，而對于1∶8、1∶12和1∶15的膠砂比水泥全尾砂漿的塌落度略大于新膠結材料的塌落度。

1.2 砂漿稠度的對比分析

分析砂漿稠度在于揭示砂漿的流變性，由此評價砂漿管道輸送的可行性與可靠性。表1中給出了4種膠砂比的兩種膠結材料的全尾砂漿流動度（稠度）隨著設計濃度的增大而減小。兩種膠結材料的稠度的變化規(guī)律基本沒有本質上的差異。

1.3 砂漿泌水率對比分析

砂漿泌水率是指泌水量與總含水量之比，反映了砂漿管流泌水和穩(wěn)定性情況，其值越小，砂漿的穩(wěn)定性越高[5]。表1給出了4種膠砂比的兩種膠結材料的全尾砂漿泌水率均隨著砂漿濃度的提高而降低。四種膠砂比中1∶10膠砂比的新型凝膠材料砂漿泌水率最低。

1.4 砂漿沉降率對比分析

充填料漿脫失后，充填體將發(fā)生縮水沉降，其沉降量的大小反應膠結充填體的接頂率，直接影響充填體充填效果和采場的穩(wěn)定性。表1中兩種膠結材料的全尾砂漿充填體的沉降率也隨著砂漿濃度的提高而降低。1∶8的膠砂比中兩種膠結材料的沉降率基本相同，對于1∶10的膠砂比水泥材料的沉降率小于新型材料，但對于1∶15的膠砂比，新型材料的沉降率又小于水泥。

表1 兩種膠結材料石人溝鐵礦全尾砂漿流變特性試驗結果

2 兩種膠結材料流變參數(shù)測試

為了進一步研究兩種膠結材料的全尾砂砂漿的輸送性能，對兩種膠結材料的流變參數(shù)展開測試來衡量料漿管道輸送性能和充填料漿流動性的重要指標[6]。

采用石人溝鐵礦全尾砂，進行兩種膠結材料的全尾砂砂漿流變參數(shù)測試。選用美國BROOKFIELD公司生產(chǎn)的R／Splus混凝土流變儀進行試驗，試驗的溫度為室溫（28℃），轉子型號為V30－15，轉速從30～60r／min變速，測定步長為3s。

2.1 兩種膠結材料對比分析

表2為流變儀測試兩種膠結材料在不同的砂漿濃度條件下，屈服應力和粘度系數(shù)的流變參數(shù)數(shù)據(jù)結果。

在料漿濃度為66%的條件下，表2中水泥膠結材料全尾砂漿的屈服應力基本上隨著膠砂比的增加而增加；但新膠結材料全尾砂漿的屈服應力先是隨著膠砂比的增加而增大，然后當膠砂比增大到1∶12時，屈服應力將隨著膠砂比的增大減小，并逐步趨于穩(wěn)定。

表2中水泥作為膠結材料的全尾砂漿的粘度系數(shù)，基本上隨著膠砂比的增加而增大。當膠砂比達到1∶10時，砂漿的粘度系數(shù)趨于穩(wěn)定，接近于一定值。新型膠結材料的全尾砂漿的粘度系數(shù)隨膠砂比的變化為：降低—升高—降低，呈現(xiàn)出“S”型。對于1∶15～1∶12的低膠砂比砂漿，砂漿的粘度系數(shù)隨膠砂比的增加而增大，然后隨之減小，在膠砂比為1∶10時達到最小，隨后又隨著膠砂比的增加而增大。

表2 不同濃度的兩種膠結材料全尾砂漿流變參數(shù)測試結果

濃度為68%的條件下，表2所示的兩種膠結材料砂漿的屈服應力，水泥膠結材料隨膠砂比的增大而增大，而新型膠結材料則隨膠砂比的增加略有減小，但在1∶10的膠砂比時基本相等。68%濃度的水泥全尾砂漿粘度系數(shù)與膠砂比基本不變，而新型膠結材料仍顯現(xiàn)出“S型的變化規(guī)律”。

濃度為70%的條件下，表2中新型膠結材料全尾砂漿的屈服應力高于水泥材料，而粘度系數(shù)隨膠砂比的變化規(guī)律與低濃度的相似。

在72%的高濃度條件下，表2中兩種膠結材料的全尾砂漿的流變參數(shù)隨膠砂比的變化規(guī)律相類似。相比較，新型膠結材料的全尾砂漿流變特性對膠砂比更為敏感，但當膠砂比為1∶10時，新型膠結材料的流變參數(shù)均小于水泥材料。

2.用聯(lián)系的觀點看，“三嚴三實”契合了中國傳統(tǒng)政治文化精華。我國古代進步知識分子一直把修身、齊家、治國、平天下當作人生目標，“三嚴三實”以樸實無華的語言，契合了這一優(yōu)秀傳統(tǒng)文化精華。契合了全心全意為人民服務的宗旨，要求領導干部必須堅持用權為民，按規(guī)則、按制度行使權力。契合了作風建設的現(xiàn)實要求，即持之以恒改進作風，不斷以作風建設的新成效為協(xié)調推進“四個全面”戰(zhàn)略布局提供堅強保障。

2.2 流變參數(shù)的統(tǒng)計分析

目前充填系統(tǒng)在對充填料漿濃度還難以實現(xiàn)精確控制，對輸送料漿濃度的不確定性進行統(tǒng)計分析。本試驗對料漿濃度的不同變化范圍進行統(tǒng)計分析和參數(shù)評價。

2.2.1 料漿濃度為66%～72%的范圍

根據(jù)前述所獲得的不同料漿濃度所測試的流變參數(shù)，料漿濃度在66%～72%的范圍內，分析兩種膠結材料平均砂漿濃度為69%流變特性的變異系數(shù)與膠砂比的關系。

圖1所示，新型膠結材料全尾砂漿的平均屈服應力隨膠砂比增大而減??；而水泥則相反，即隨膠砂比增大而增大?？傮w來講，新膠結材料的屈服應力大于水泥材料，但在膠砂比為1∶8時，兩種材料的屈服應力基本相等。

圖1 砂漿平均屈服應力與膠砂比的關系曲線

圖2中兩種膠結材料的全尾砂漿粘度系數(shù)隨膠砂比的變化規(guī)律也存在差異。新型膠結材料的全尾砂漿的粘度系數(shù)，對膠砂比較為敏感。

圖2砂漿平均粘度系數(shù)與膠砂比的關系曲線

圖3 和圖4中表現(xiàn)出兩種膠結材料砂漿流變參數(shù)的變異系數(shù)的差異性。對于砂漿屈服應力的變異系數(shù)，水泥材料的變異系數(shù)則隨膠砂比增大而逐漸減小，最終趨于一常數(shù)；而新型膠結材料的變異系數(shù)則隨著膠砂比的增大而增大。

圖3 砂漿屈服應力的變異系數(shù)與膠砂比的關系圖

圖4 砂漿粘度系數(shù)的變異系數(shù)與膠砂比的關系圖

水泥膠結材料的全尾砂漿粘度系數(shù)的變異系數(shù)對膠砂比更為敏感，變異系數(shù)較大，但新膠結材料的全尾砂漿的粘度系數(shù)的變異性較小，并且隨著膠砂比的增大而減小。

2.2.2 料漿濃度為68%～70%的范圍

表3中，與濃度在66%～72%范圍內變化的平均流變參數(shù)相比，在68%和70%內變化的平均流變參數(shù)較前者具有顯著降低。

表3 兩種膠結材料全尾砂漿平均流變參數(shù)計算結果

圖5和圖6給出料漿濃度在68%～70%的范圍內的兩種膠結材料全尾砂漿平均流變參數(shù)隨膠砂比的變化曲線，與66%～72%范圍的均值濃度變化規(guī)律基本相似。

圖5 砂漿平均屈服應力與膠砂比的關系曲線

圖6 砂漿平均粘度系數(shù)與膠砂比的關系曲線

3 結論

通過對新型膠結材料和水泥的流變特性和流變參數(shù)的測試與對比分析，得出以下結論：

1）四種膠砂比的兩種膠結材料的塌落度、稠度、泌水率和沉降率與濃度的變化規(guī)律基本一致，即隨著濃度的提高而降低。在膠砂比為1∶10條件下的新型膠結材料的流動性和穩(wěn)定性優(yōu)于其他膠砂比。

2）隨著濃度升高新型膠結材料的屈服應力呈下降趨勢，并趨于穩(wěn)定，且降低了膠砂比例，提高了砂漿的流動性。

3）在濃度為66%～72%的范圍內，粘度系數(shù)隨膠砂比的變化曲線呈現(xiàn)出“S”型，表明新型膠結材料的全尾砂漿流變特性對膠砂比更為敏感。

4）從66%～72%縮減到68%～70%的濃度范圍內，兩種膠結材料的平均流變參數(shù)顯著降低，表明精確控制砂漿濃度，能夠有效減小砂漿的流變參數(shù)，并且新型膠結材料的屈服應力和粘度系數(shù)均低于水泥材料，提高了料漿流動性和穩(wěn)定性；從而減小管道輸送阻力，有利于實現(xiàn)高濃度料漿管道自流輸送的安全與可靠性。

[1]龔正國.充填料管道水力輸送特性的數(shù)值分析與研究[D].長沙：中南大學，2008.

[2]余斌，張紹才，陳華珍.焦家新型尾砂膠結材料在低配比條件下固化特征初探[J].黃金，2006，27（10）：24－26.

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[5]王曉宇，喬登攀.廢石－全尾砂高濃度充填料漿管輸阻力影響因素分析[J].有色金屬：礦山部分，2010，62（4）：61－65.

[6]王新民.基于深井開采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究[D].長沙：中南大學，2006.