吳愛祥，艾純明，王貽明，楊錫祥，周發(fā)陸

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泵送劑改善膏體流變性能試驗(yàn)及機(jī)理分析

吳愛祥1，艾純明2，王貽明1，楊錫祥3，周發(fā)陸3

(1. 北京科技大學(xué) 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. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島，125105；3. 招金礦業(yè)伽師縣銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 喀什，844300)

為改善膏體在進(jìn)行膏體充填試驗(yàn)時(shí)的流動(dòng)性能，進(jìn)行泵送劑的試驗(yàn)研究并測試泵送劑的持久性，從膏體絮團(tuán)結(jié)構(gòu)入手，對泵送劑改善膏體流動(dòng)性的機(jī)理進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：添加泵送劑之后，膏體的屈服應(yīng)力減小為原來的1/10，黏度降低57%，膏體輸送的沿程阻力由59.43 MPa減小為6.20 MPa。0.8 h內(nèi)膏體的剪切應(yīng)力只增加4%。膏體內(nèi)的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致膏體流動(dòng)性差的主要原因。通過進(jìn)行顯微圖像觀測，證實(shí)泵送劑可破壞膏體絮團(tuán)結(jié)構(gòu)。泵送劑的主要作用有吸附作用、分散作用、潤滑作用，理論分析與試驗(yàn)結(jié)果一致。

泵送劑；膏體輸送；流變性；沿程阻力

膏體充填技術(shù)具有不分層、不離析、不沉淀的特點(diǎn)[1]，用于礦山井下充填水泥具有耗量低、充填體接頂性能和整體性能良好的優(yōu)點(diǎn)。膏體充填使礦山產(chǎn)生的尾砂得到完全回收利用成為可能[2?3]，不僅大幅降低了充填采空區(qū)的費(fèi)用，還解決了環(huán)境污染問題[4]，保證了礦山的可持續(xù)發(fā)展，因此，膏體充填越來越受到人們的青睞[5?6]。新疆某銅礦采用淺孔留礦法進(jìn)行礦石回采，大量的采空區(qū)導(dǎo)致井下采動(dòng)二次應(yīng)力較大，采場垮冒現(xiàn)象頻現(xiàn)，安全性差，且上盤圍巖冒落導(dǎo)致礦石貧化嚴(yán)重，選礦成本加大。同時(shí)，高應(yīng)力引起巷道嚴(yán)重變形，支護(hù)成本高，采礦安全風(fēng)險(xiǎn)大。為解決以上問題，礦山?jīng)Q定采用下向進(jìn)路式充填采礦法。礦體圍巖為細(xì)粉砂泥巖，具有遇水泥化現(xiàn)象，因此，充填方式宜采用膏體充填。在前期的探索性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：使用全尾砂制成膏體最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，繼續(xù)加大質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則流動(dòng)性變差，難以實(shí)現(xiàn)泵送。這是由于尾砂顆粒較細(xì)，以及含有一定量的泥巖造成的。因此，為了保證較高的充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并改善膏體的流動(dòng)性，借鑒混凝土輸送技術(shù)[7?9]，提出在膏體制備過程中加入添加劑的技術(shù)方案。近年來，品種繁多的外加劑在建筑混凝土中應(yīng)用十分廣泛，其中用于改善流動(dòng)性主要有減水劑、泵送劑等[10?11]。但是混凝土外加劑用于礦山充填生產(chǎn)實(shí)踐中還不多見[12]，用于膏體充填生產(chǎn)實(shí)踐方面報(bào)道較少。開展泵送劑在膏體充填中的應(yīng)用研究，將改變膏體的流變性能，從而降低膏體在管道輸送中的沿程阻力，有利于膏體技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文作者研究泵送劑試驗(yàn)及測試泵送劑持久性，并分析泵送劑改善膏體流動(dòng)性的機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

本次膏體流動(dòng)性測試的試驗(yàn)材料包括膠凝材料、粗骨料、泵送劑和全尾砂。

1) 膠結(jié)材料選用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5；

2) 粗骨料為地表廢石，粒徑破碎至10 mm以下，平均粒徑為3.92 mm；

3) 通過前期的對比坍落度進(jìn)行泵送劑優(yōu)選試驗(yàn)，確定泵送劑C為本次試驗(yàn)的添加劑。

4) 全尾砂取自該礦山選礦廠，烘干后備用。使用激光粒度儀(LMS?30型)對尾砂的粒級組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 全尾礦粒級組成曲線

不均勻系數(shù)u為

曲率系數(shù)c為

平均粒徑cp為

式中：60，30和10分別為篩下累積60%，30%和10%對應(yīng)的顆粒粒度；d和d+1為第組粒度范圍；a為第組粒度范圍的質(zhì)量分布頻率。

一般數(shù)u≥5表示顆粒分布范圍大，級配良好；c表示級配連續(xù)情況，c1~3時(shí)表示級配良好，密實(shí)程度較好。因此，可以得出尾砂粒級分布范圍較大，連續(xù)狀況較好。

粒級分析結(jié)果表明該尾砂細(xì)粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，粒徑小于74 μm的顆粒占總數(shù)量的64.32%，粒徑小于45 μm的顆粒為總數(shù)量的43.1%，將對膏體的流動(dòng)性造成較大負(fù)面影響。尾礦顆粒粒徑小說明其比表面積大，顆粒表面需要吸附更多的自由水，因此，其在泵送劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，膏體流動(dòng)性較差。

2 膏體流變性測試

2.1 試驗(yàn)儀器與方法

測量膏體流變性使用的儀器主要為流變儀(Brookfield R/S+Rheometer)，十字形轉(zhuǎn)子型號為V60?30?3tol。

為了更準(zhǔn)確地測得料漿屈服應(yīng)力和塑性黏度等流變參數(shù)，測量采用控制剪切應(yīng)力法(controlled shear stress，CSS)。根據(jù)前期探索性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)膏體近似于Bingham體，因此，采用此模型對流變參數(shù)進(jìn)行擬合分析，Bingham流變模型如下：

式中：為屈服應(yīng)力，Pa；0為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，Pa；為塑性黏度，Pa?s；為剪切速率，s?1。

2.2 試驗(yàn)原理

膏體的流變性能包括屈服應(yīng)力和塑性黏度等參數(shù)，直接決定膏體輸送沿程阻力[13]，即

式中：為摩阻損失，Pa/m；為管道內(nèi)徑，m；為流速，m/s。

由式(5)可以看出：在管徑一定的情況下，屈服應(yīng)力和塑性黏度是影響其管輸阻力的重要因素，且均與摩阻損失成正比。細(xì)顆粒尾礦之間的內(nèi)聚力導(dǎo)致膏體具有較高黏度，影響膏體的流變性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

不同泵送劑摻量的膏體流變性測試結(jié)果如圖2所示。采用Bingham模型對流變參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到不同泵送劑添加量條件下的膏體流變模型，如表1所示。由此得出了5組膏體的屈服應(yīng)力和黏度，如圖3所示。