戴超群 ，吳愛祥 ，李會強 ，李公成

（1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；3.北京昊海建設(shè)有限公司，北京 100083）

隨著淺部礦產(chǎn)資源日趨枯竭，國內(nèi)外礦山進入深井開采階段。充填開采技術(shù)在維護采場穩(wěn)定、解決深部地壓、控制地表沉陷、保護生態(tài)環(huán)境等方面具有十分重要的作用[1-4]。膏體充填技術(shù)以其安全可靠、經(jīng)濟高效、綠色環(huán)保等方面的優(yōu)勢得到迅猛的發(fā)展[5-6]，尤其是在礦巖遇水泥化礦山，膏體充填物料不泌水具有很大優(yōu)勢。并且膏體充填可徹底消除地表尾礦，在環(huán)境保護方面能做出突出的貢獻[7-9]。

該礦山確定采用中深孔落礦的空場嗣后充填采礦法。礦體傾角緩，埋藏深，開采難度大，要實現(xiàn)4 000 t/d的生產(chǎn)規(guī)模，除了出礦自動化外，對充填系統(tǒng)也提出了很高的要求，在充填系統(tǒng)能力、充填材料及其配比、充填強度等方面都提出了很高的要求。為配合采礦方法試驗，針對生產(chǎn)中的實際問題，充填系統(tǒng)必須優(yōu)先考慮，為此必須先進行充填系統(tǒng)方案設(shè)計，而方案設(shè)計的前提是要先測試充填材料的性質(zhì)等前期試驗結(jié)果，利用所得尾礦進行物料的基本特性、料漿配合比、充填體強度、絮凝沉降特性、流變學性能等前期試驗，為充填系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計依據(jù)。本研究內(nèi)容主要是針對膏體充填技術(shù)的基礎(chǔ)條件而開展相關(guān)工作，通過研究不同質(zhì)量濃度料漿的流變特性并將其與流變模型相比較得出滿足管道運輸且處于最佳膏體狀態(tài)的料漿濃度。在此濃度附近進行全面法的配比試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)來改善礦山充填料漿的物料配比，從而進一步改善膏體充填料漿的輸送性能，達到降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的效果。最后將試驗結(jié)果應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，規(guī)避設(shè)計之初充填料漿在輸送過程中可能遇到的困難并對出現(xiàn)的問題提出行之有效的解決方案。

1 全尾砂基本性質(zhì)研究

1.1 物理化學特性參數(shù)

礦山全尾砂物理特性參數(shù)主要包括容重、密度和孔隙率，其中密度、容重分別采用比重瓶法和堆積法測定，測試結(jié)果如表1所示。采用X射線衍射和化學元素標定法對全尾砂的化學成分進行分析，結(jié)果見表2所示。

表1 全尾砂物理特性參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of unclassified tailings

表2 全尾砂化學成分 w/%Tab.2 Chemical composition of unclassified tailings

1.2 粒徑組成分析

粒徑組成分析是指測定全尾砂顆粒組成尺寸及各部分含量，尾砂的粒度分布情況貫穿充填工藝的全過程，對濃密造漿、攪拌輸送和充填體質(zhì)量影響都很大。用四分法縮分選取200 g烘干尾礦試樣，首先采用篩孔尺寸75 μm的篩子進行濕篩，同時對篩上、篩下尾礦進行收集并烘干至恒重。篩下尾礦采用激光粒度儀進一步對其粒級組成進行測試。篩上產(chǎn)品再采用篩孔尺寸分別為 180 μm、125 μm、80 μm的篩子進行干篩，稱取各號篩下尾砂量，準確至0.1 g，測試分析結(jié)果見圖1。

圖1 全尾砂粒級分布Fig.1 Particle size distribution of unclassified tailings

根據(jù)粒度分析結(jié)果顯示，礦山全尾砂-20 μm含量占40.81%，-20 μm顆粒在充填料固體物料中含量高于25%，依照國內(nèi)外充填的經(jīng)驗，此種充填料可以成為穩(wěn)定性較好具有一定輸送性的結(jié)構(gòu)流充填料漿[10]。

2 全尾砂流變特性研究

膏體的濃度不僅要考慮可濃密的極限程度，還要考慮在工業(yè)應(yīng)用中膏體的可輸送性，即膏體既要有較高的濃度，還要有一定的流動性，才能既滿足膏體管道大流量連續(xù)輸送，又能滿足采場充填流平和接頂要求，為此需開展膏體流變性試驗。

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

試驗所用的流變儀為Brookfield R/S+型流變儀，該儀器適用于對懸浮體和高濃度充填料漿的測量，是目前應(yīng)用最廣泛的一種流變儀，其小巧方便，操作容易，可調(diào)剪切速率和剪切應(yīng)力且最大程度的克服圓柱面的滑移效應(yīng)，并可以在低轉(zhuǎn)速下測量流體的屈服應(yīng)力，從而大大提高測量的精確性[11]。試驗分別以66%～79%不同質(zhì)量濃度的全尾砂料漿進行試驗，各質(zhì)量濃度料漿總重900 g。分析他們在不同濃度下的流變特性，并得出在0～120s-1剪切速率下的流變模型，根據(jù)流變模型得出可輸送膏體的臨界濃度。

2.2 試驗原理

用于膏體的動態(tài)流變模型主要有Bingham模型、Williamson 模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型等[12]。常用的膏體流變模型是Bingham模型和Herschel-Bulkley模型，其中Herschel-Bulkley模型適應(yīng)范圍更廣，精度也更高，其模型通式如式（1）所示。

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η 為剛性系數(shù)，Pa·s；γ 為剪切速率，s-1；n 為流動性能指數(shù)。

其中，τ=uγ，u 為所測得的表觀黏度，Pa·s。用Herschel-Bulkley模型來分析不同剪切速率下的料漿流態(tài)性能指數(shù)，可以得出其具體的流變模型。當n＞1時為屈服膨脹體；n=1時為賓漢塑性體；n＜1時為屈服偽塑性體[13]。根據(jù)式（1）模型，對漿體應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行回歸，得到屈服應(yīng)力、黏度、流態(tài)性能指數(shù)以及屈服應(yīng)力增量（某一濃度屈服應(yīng)力減去前一濃度屈服應(yīng)力，初始濃度屈服應(yīng)力增量視為0）如表3，并繪制屈服應(yīng)力與質(zhì)量濃度關(guān)系，如圖2所示。

屈服應(yīng)力增量可以反映由某一質(zhì)量分數(shù)到另一質(zhì)量分數(shù)泵送難度增大幅度，屈服應(yīng)力增量越大，說明提高一個百分點濃度，輸送阻力增幅越大。由表3可以看出，當料漿質(zhì)量濃度由74%增加至75%時，屈服應(yīng)力增量僅為8 Pa；而料漿質(zhì)量濃度由75%增加至76%時，此時屈服應(yīng)力增量為41 Pa，屈服應(yīng)力增量在此時存在一個較大的躍升過程，此后屈服應(yīng)力增量更大，說明膏體料漿的屈服應(yīng)力對質(zhì)量濃度非常敏感，這是因為細顆粒及其表面吸附一定厚度的水膜，料漿在低濃度時，水膜起到顆粒間的潤滑作用，減小了膏體內(nèi)部的摩擦阻力，當料漿質(zhì)量濃度持續(xù)升高，部分顆粒之間通過水膜接觸變成直接接觸，這樣就會大大增加料漿內(nèi)部的摩擦阻力，出現(xiàn)屈服應(yīng)力陡增的現(xiàn)象。

表3 基于Herschel-Bulkley模型的漿體流變參數(shù)回歸結(jié)果Tab.3 Regression results of slurry rheological parameters based on Herschel-Bulkley model

圖2 不同質(zhì)量濃度與屈服應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relation diagram of different mass concentration and yield stress

綜合流動性能指數(shù)與料漿質(zhì)量濃度關(guān)系圖，如圖3所示。由圖3可知，全尾砂膏體質(zhì)量濃度約為75%時的n值最接近1。一般工程定義上n值為1附近的漿體為適宜輸送的膏體。

圖3 不同料漿質(zhì)量濃度的流動性能指數(shù)Fig.3 Flow performance index of different mass concentrations

綜上分析，從屈服應(yīng)力角度來說，全尾砂膏體臨界濃度約為75.2%，不超過此濃度的高濃度料漿有利于深錐濃密和管道輸送。

3 膏體材料配比及力學性能研究

礦山礦體為緩傾斜中厚礦體，擬采用上向水平分層充填法采礦，因此膏體充填體必須滿足采礦要求。此礦山膏體充填采用兩步驟回采，根據(jù)國內(nèi)外充填經(jīng)驗以及理論計算：一步驟充填強度為1 MPa以上，二步驟充填強度為0.5 MPa以上。

3.1 充填配比試驗材料

參照混凝土抗壓強度試驗方法，配比試驗主要是在實驗室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，并測定養(yǎng)護齡期分別為7 d、14 d、28 d試塊的單軸抗壓強度。試驗采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底試模，試件制作后在室溫為（20±5）℃的環(huán)境下靜置（24±2）h，然后對試件進行編號、拆模。試件拆模后應(yīng)立即放入溫度為（20±2）℃，相對濕度為90%以上的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。試驗采用精度為1%的DYE-2000壓力試驗機測定試塊的單軸抗壓強度，使用標準坍落筒（筒底面直徑200 mm，筒頂面直徑100 mm，筒高300 mm）測量料漿塌落度。

3.2 全尾砂+水泥膏體配比試驗

初步選定全尾礦+水泥膏體充填，在試驗方案設(shè)計時，按照最終料漿質(zhì)量濃度不同以及灰砂比不同進行設(shè)計，試驗已測得全尾砂膏體臨界濃度為75.2%，并且礦山濃密機底流濃度為73%～75%，基于實際操作中盡量不要二次加水的原則，在75%質(zhì)量濃度附近進行全面法試驗。料漿濃度定為74%～78%，灰砂比范圍為 1∶8～1∶24，高灰砂比主要用于一步驟回采充填，低灰砂比主要用于二步驟回采充填，試驗結(jié)果如表4。

表4 全尾砂料漿試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental results data of unclassified tailings slurry

由表4可知，當料漿質(zhì)量濃度為74%～78%時，塌落度范圍為22～28.4 cm；流動性在74%～76%時較好，當全尾砂料漿質(zhì)量濃度增加至78%時，流變性變差。不同濃度、不同砂灰比料漿塌落度隨砂灰比變化情況如圖4。由圖4可知，隨著水泥添加量的減小，料漿的流動性逐漸變差，但其影響相對較小?？偟膩碚f，料漿質(zhì)量濃度為74%～76%時，塌落度范圍在容易輸送范圍之內(nèi)。料漿質(zhì)量濃度為78%時，塌落度下降明顯，流動性變差，無法滿足自流輸送。

圖4 不同濃度、不同砂灰比全尾砂料漿塌落度Fig.4 Slurry degree of full tailings slurry with different concentration and different sand ash ratio

不同濃度、不同砂灰比膏體單軸抗壓強度如圖5。隨著水泥單耗的降低，膏體強度逐漸減小，隨著養(yǎng)護齡期的增加，膏體強度逐漸增大，這一規(guī)律也是較為普遍的認識。需要注意的是，當料漿質(zhì)量濃度為74%時，隨著水泥添加量的降低，灰砂比從1∶8降低至1∶16、以及從 1∶16 降低至 1∶24，膏體強度下降幅度較為明顯。當料漿濃度增加為75%、76%和78%時，灰砂比由1∶16降低至1∶24時，其強度下降幅度較小。因此，在實際充填時，料漿質(zhì)量濃度在75%以上時，灰砂比可以跳過 1∶16 和 1∶20，直接采用 1∶24 即可。

由圖5可知，灰砂比為1∶24時，7天單軸抗壓強度均大于0.3 MPa，28天單軸抗壓強度超過0.5 MPa，滿足自立強度要求?；疑氨葹?∶8時，28天單軸抗壓強度在1 MPa左右，滿足一步驟回采要求。最終結(jié)合料漿流動性和試塊強度綜合考慮，推薦一步驟回采膏體充填料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶8，二步驟回采膏體充填料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶24。

4 結(jié)論

圖5 不同養(yǎng)護齡期、不同濃度、不同砂灰比下膏體單軸抗壓強度Fig.5 Uniaxial compressive strength of paste with different conservation periods，different concentration and different sand ash ratio

（1）屈服應(yīng)力增量隨著料漿質(zhì)量濃度的增大其增幅也在增大，屈服應(yīng)力增量在料漿質(zhì)量濃度由75%增加至76%時存在一個大范圍躍升過程是因為細顆粒及其表面吸附一定厚度的水膜，當料漿質(zhì)量濃度持續(xù)升高，部分顆粒之間通過水膜接觸變成直接接觸，大大增加料漿內(nèi)部的摩擦阻力，出現(xiàn)屈服應(yīng)力陡增的現(xiàn)象。

（2）料漿質(zhì)量濃度在75%附近時的n值最接近1，一般工程定義n值為1附近的漿體為適宜輸送的膏體。綜合屈服應(yīng)力方面考慮得出全尾砂膏體臨界濃度約為75.2%。

（3）由不同濃度、不同灰砂比單軸抗壓強度試驗數(shù)據(jù)可知，隨著水泥單耗即灰砂比的降低，膏體強度逐漸減小，隨著養(yǎng)護齡期的增加，膏體強度逐漸增大。

（4）該礦山膏體充填建議配比為一步驟：料漿質(zhì)量濃度75%～76%，灰砂比1∶8，28 d單軸抗壓強度1.17～1.28MPa，塌落度范圍28～28.3cm。二步驟：料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶24，28 d單軸抗壓強度0.56～0.61 MPa，塌落度范圍26.5～27.4 cm。