溫震江， 高 謙， 王永定， 何建元

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京 100083；2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室， 甘肅 金昌 737100)

隨著社會的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開采與利用日益增多，采礦活動也逐漸向高應力、高地壓的深部發(fā)展[1].現(xiàn)有的充填采礦方法中，充填采礦法由于其損失貧化小、安全性高等特點被礦山廣泛應用[2].金川礦山采用下向分層膠結(jié)充填法進行采礦，為了提高充填體強度，同時降低充填成本，金川采用混合骨料進行充填[3]，然而當骨料混合不均勻、級配不合理時，對料漿流變特性和管道輸送帶來影響，會導致一系列料漿輸送問題，不僅關(guān)系到充填體整體穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)，而且還會直接影響充填成本[3].所以，對充填料漿流變特性進行研究是保證料漿安全穩(wěn)定輸送的重點.影響料漿流變特性的因素很多，其中骨料粒徑級配和料漿質(zhì)量分數(shù)較為顯著[4].對此國內(nèi)外專家進行了深入研究，其中，Santos等[5]研究表明，采用連續(xù)級配骨料配制的自密實混凝土，相比于間斷級配骨料混凝土具有更好的抗離析性能；朱夢良等[6]研究了骨料粒徑級配對混凝土強度和流變特性的影響；王洪江等[7]闡述了粗粒級膏體充填存在的問題；楊志強等[3]研究了質(zhì)量分數(shù)對料漿流變特性的影響，并對臨界濃度就行了研究；吳愛祥等[8-9]研究表明料漿質(zhì)量分數(shù)的變化直接影響料漿性質(zhì)，進而影響管輸阻力.對于混合骨料的高濃度充填礦山來說，確定合理的骨料配比和料漿質(zhì)量分數(shù)，對避免因骨料粒徑過大造成料漿分層離析甚至堵管至關(guān)重要.為了探究混合骨料配比及料漿質(zhì)量分數(shù)對料漿流變特性的影響，確定保證料漿骨料不沉淀離析的臨界粒徑，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合金川礦山實際情況，通過進行流變試驗研究充填料漿流變性指標與骨料級配參數(shù)的關(guān)系[3]，為確定和優(yōu)化混合骨料配比、選擇合理的粒徑范圍和料漿質(zhì)量分數(shù)、保證高濃度料漿的制備和輸送提供理論依據(jù).

1 試驗材料

1.1 充填材料物化分析

本試驗骨料主要采用廢石和棒磨砂混合骨料，利用XRF分析其化學組成，如表1所示，并分別測定其物理指標，如表2所示.可以看出二者主要成分均為SiO2，質(zhì)量分數(shù)分別為36.31%和63.6%，二者堆積密實度均為60%左右；膠凝材料采用礦山專用的P.O 38.5水泥，初凝時間大于45 min.

表1 充填骨料化學成分組成(質(zhì)量分數(shù))

表2 充填骨料物理參數(shù)

1.2 混合骨料配比及粒徑級配分析

為了確定廢石和棒磨砂混合骨料配比(以下簡稱“廢砂比”)范圍，首先對廢石和棒磨砂粒徑級配進行分析，并采用泰波公式進行擬合，結(jié)果如圖1所示.可知廢石級配和棒磨砂級配指數(shù)分別為0.619 9和0.307 2，相對于理想狀態(tài)的Fuller級配指數(shù)0.5分別偏大和偏小，因此二者均不宜單獨使用.而是將廢石作為粗骨料，棒磨砂作為細骨料混合使用，以改善廢石級配[10].然后根據(jù)工業(yè)充填中使用的廢砂比范圍進行骨料粒徑級配分析和堆積密實度試驗，結(jié)果如圖2和圖3所示.基于泰波級配理論和堆積密實度最大原則，確定試驗中廢石和棒磨砂配比為6∶4，7∶3，8∶2，9∶1四種級配，并且計算得出級配特征值，如表3所示.

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 試驗方法

試驗采用高精度的R/S+SST型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀，并通過Rheo3000軟件設(shè)置操作參數(shù)進行實時監(jiān)測.根據(jù)礦山現(xiàn)場充填配比范圍并結(jié)合前期研究[2]，為了消除膠凝材料對試驗的影響，按照骨料400 g、固定膠凝材料100 g和一定比例的水分別制備質(zhì)量分數(shù)為78%～84%的料漿.攪拌均勻后測定其流變參數(shù)，測試速率設(shè)定為0～120 s-1，共120個轉(zhuǎn)速點，每1s釆集一組數(shù)據(jù)[9].對每組試驗進行多次測量取平均值，以保證試驗準確性.

2.2 試驗結(jié)果

高濃度料漿常采用赫謝爾-爾克萊(簡稱H-B)模型來表征，以初始屈服應力τ0、黏度μ和流變特性指數(shù)n等參數(shù)描述其流變特性[9]，表達式如式(1)所示，并據(jù)此對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，得到不同骨料配比和濃度下料漿流變特性參數(shù)，如表4所示.

τ=τ0+μγn.

(1)

式中：τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；μ為表觀黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1；n為流變特性指數(shù).當n=1，τ0=0時，為牛頓體；當n=1，τ0>0時，為賓漢姆體；當n>1時，為膨脹體；當n<1時，為偽塑性體[9，11].

表3 不同配比的混合骨料粒徑級配特征值

表4 不同配比的混合骨料充填料漿的流變參數(shù)測試結(jié)果

3 流變試驗結(jié)果分析

3.1 流變參數(shù)分析

屈服應力和黏度是表征料漿流變特性的兩個常用指標，二者均與料漿的質(zhì)量分數(shù)、固體顆粒的粒徑與級配等因素密切相關(guān)[11-12].根據(jù)表4結(jié)果可以看出，隨著骨料配比和料漿質(zhì)量分數(shù)的變化，屈服應力和黏度均發(fā)生不同程度的變化，如圖4所示.骨料配比對流變參數(shù)有明顯的影響，隨著混合骨料中棒磨砂含量的增大，料漿屈服應力和黏度也基本表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢：隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的增大，屈服應力和黏度均發(fā)生不同程度增大，并且屈服應力在料漿質(zhì)量分數(shù)為78%～80%時增長較平緩，而當料漿質(zhì)量分數(shù)大于80%時，屈服應力增長較快.隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的增大，料漿黏稠性也增大，從而使得漿體顆粒之間摩擦力加大，導致料漿黏度增大.

根據(jù)表4中料漿流動性指數(shù)n的結(jié)果可以看出，除了廢砂比6∶4的78%的料漿流變性指數(shù)n大于1，屬于膨脹體，其余均小于1，屬于偽塑性體.

3.2 流變特性分析

金川礦山工業(yè)充填，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，料漿質(zhì)量分數(shù)為80%左右，限于篇幅，以質(zhì)量分數(shù)78%和80%為代表來研究料漿流變特性.質(zhì)量分數(shù)78%各配比骨料的料漿流變特性曲線如圖5所示，可以看出：不同配比混合骨料的料漿流變曲線隨著剪切速率的變化存在一定的差異，除了廢砂比為6∶4的混合骨料，其余各配比骨料充填料漿流變特性曲線趨勢基本相似.這是因為同一骨料配比的料漿隨著剪切速率的變化，其流變特性也隨之變化，大致分為三個階段[13-14]：第一階段AB段，即剪切速率在0～10 s-1范圍內(nèi)，處于不穩(wěn)定階段，料漿具有偽塑性，屬于偽塑性體；第二階段BC段，即剪切速率介于10～65 s-1之間，屬于賓漢姆體；第三階段CD段，即剪切速率大于65 s-1，符合屈服應力偽塑性體的特征，而表觀黏度大致保持定值，料漿處于穩(wěn)定階段.

圖6為質(zhì)量分數(shù)80%不同骨料配比的充填料漿流變特性曲線.可以看出其與78%條件下的流變特性規(guī)律大致相似，但是其剪切應力和表觀黏度相應的增值均較質(zhì)量分數(shù)78%條件下大，其原因是料漿質(zhì)量分數(shù)越大，水分含量越少，漿體顆粒間摩擦力加大，使得屈服應力增長較快；同時料漿黏稠性也增大，從而使得漿體顆粒之間摩擦力加大，導致料漿黏度增大.

由圖5和圖6的料漿流變特性曲線分析可以看出，隨著剪切速率的變化，相同骨料配比的料漿，其黏度先減小后趨于穩(wěn)定，而對于不同骨料配比，廢砂比為7∶3的混合骨料的表現(xiàn)出明顯的料漿流變特性，并且流變模型較為穩(wěn)定.結(jié)合表3、圖1和圖2級配參數(shù)和堆積密實度試驗可以看出，廢砂比為7∶3的混合骨料堆積密實度最大，粒徑級配特征曲線更接近理想狀態(tài)的Fuller曲線，較其余3組更優(yōu)；表明混合骨料級配對料漿流變特性具有很大的影響.

3.3 流變特性參數(shù)與骨料級配相關(guān)性分析

為了探究料漿流變特性參數(shù)y與骨料級配參數(shù)x的相關(guān)性，采用最小二乘法擬合：

y=a+bx.

(2)

據(jù)此得到x與y的相關(guān)系數(shù)r.其中：當0.8<|r|≤1時，x與y極強相關(guān)；0.6<|r|≤0.8時，強相關(guān)； 0.4<|r|≤0.6時，中等相關(guān)；|r|≤0.4時，不相關(guān)或弱相關(guān)[15].

針對表3和表4試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)性方程對其進行最小二乘法計算，并得到不同料漿質(zhì)量分數(shù)條件下相應的擬合結(jié)果，限于篇幅，文中僅列出質(zhì)量分數(shù)78%和80%的結(jié)果，見表5～表6.可以看出：在不同質(zhì)量分數(shù)條件下，屈服應力與各特征粒徑相關(guān)系數(shù)基本都大于0.6，表明強相關(guān)，其中與d90相關(guān)系數(shù)均達到0.8，表明二者極相關(guān)；但隨著特征粒徑的減小，其相關(guān)性也逐漸減弱；隨著特征粒徑的增大，其與表觀黏度二者的相關(guān)系數(shù)逐漸增大，表明相關(guān)性逐漸增強，其中表觀黏度與d90相關(guān)系數(shù)都大于0.6，表明二者相關(guān)性強；隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的提高，流變特性參數(shù)與骨料粒徑級配二者相關(guān)性發(fā)生變化趨勢如圖7所示，其中屈服應力大致表現(xiàn)為：極強相關(guān)(78%，80%)—強相關(guān)(82%)—中等相關(guān)(84%)，其中

表5 質(zhì)量分數(shù)78%的料漿流變參數(shù)與骨料粒徑級配相關(guān)性

表6 質(zhì)量分數(shù)80%的料漿流變參數(shù)與骨料粒徑級配相關(guān)性

質(zhì)量分數(shù)為80%時，相關(guān)性最大.然而，隨著質(zhì)量分數(shù)的提高，表觀黏度與骨料粒徑級配的相關(guān)性則是逐漸增大，表現(xiàn)為：中等相關(guān)(78%，80%)—強相關(guān)(82%)—極強相關(guān)(84%).在同等條件下，特征粒徑d90與料漿屈服應力和表觀黏度的相關(guān)性最大，則說明粗顆粒對于料漿流變特性影響較大；隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的增大，特征粒徑d90與表觀黏度和屈服應力的相關(guān)性先增大后減小，均在質(zhì)量分數(shù)80%時達到最大，這是因為料漿質(zhì)量分數(shù)過高時，其對流變特性的影響要大于骨料粒徑級配.

4 料漿穩(wěn)定性及臨界粒徑

4.1 料漿穩(wěn)定性分析

金川礦山采用的是廢石和棒磨砂混合骨料的高濃度自流輸送充填技術(shù)，在充填過程中，料漿穩(wěn)定性的好壞不僅影響管道磨損，而且影響輸送過程中骨料的沉降，甚至造成堵管、爆管，是料漿順利輸送與否的關(guān)鍵[14].骨料級配不均勻和骨料顆粒過大會造成料漿泌水、粗骨料沉降、料漿分層離析，甚至造成堵管，影響料漿穩(wěn)定性.料漿的穩(wěn)定輸送實質(zhì)就是在保證充填體強度的前提下，選擇合理的質(zhì)量分數(shù)和骨料粒徑級配，盡可能地控制料漿分層離析、降低管輸阻力、減小管道磨損，使其能夠穩(wěn)定地通過管道自流輸送到采空區(qū).

4.2 骨料臨界粒徑的確定

骨料粒徑級配是影響料漿穩(wěn)定性的一個重要因素，因此，在合理質(zhì)量分數(shù)的條件下確定骨料臨界粒徑，對于控制料漿分層離析、保證料漿穩(wěn)定輸送具有重要意義.為了研究骨料在料漿中的受力情況，可將其簡化為質(zhì)地均勻的球形顆粒[14]，其受力分析如圖8所示.可以看出骨料顆粒在料漿中不僅受到重力G,還受到一個沉降阻力F，為了確保骨料不發(fā)生沉降離析，即粗顆粒在料漿中處于一個臨界平衡狀態(tài)，其合力為零[15]:

F-G=0 .

(3)

其中，球形顆粒在料漿中所受重力G為

(4)

沉降阻力F為料漿屈服應力τ0在骨料顆粒表面引起的剪切阻力的合力，如式(5)所示：

(5)

式中：ρ1為料漿密度，kg/m3；ρ2為粗骨料表觀密度，kg/m3；d為骨料顆粒直徑，m；A為骨料粗顆粒橫截面積，m2；τ0為料漿屈服應力，Pa.

聯(lián)立式(3)～式(5)得到臨界條件下料漿中骨料不發(fā)生沉降離析的粒徑d如式(6)所示，可以看出，臨界粒徑與料漿流變特性相關(guān).

(6)

根據(jù)環(huán)管試驗及現(xiàn)場工業(yè)充填管道輸送阻力監(jiān)測結(jié)果顯示，對于工業(yè)充填配比的廢石和棒磨砂混合骨料，料漿質(zhì)量分數(shù)78%～84%時能夠滿足自流輸送而且阻力較小，結(jié)合料漿流變特性參數(shù)與骨料粒徑相關(guān)性研究，確定廢砂比6∶4～9∶1在78%～84%條件下流變模型較為穩(wěn)定，屈服應力τ0介于13.71～205.88 Pa.根據(jù)表4中相關(guān)參數(shù)及相應條件下骨料表觀密度ρ2及料漿密度ρ1代入式(6)，可得到金川礦山混合骨料臨界粒徑范圍為13.8～21.6 mm.因此金川礦山將廢石破碎最大粒徑由20 mm和16 mm改為12 mm，以保證料漿穩(wěn)定性，降低甚至避免骨料沉降造成堵管.

5 結(jié) 論

1) 采用流變儀對各骨料配比下不同質(zhì)量分數(shù)的料漿進行測定，并基于H-B模型進行擬合，得出相應的流變參數(shù)，可以看出除了廢砂比6∶4，質(zhì)量分數(shù)為78%時，流變指數(shù)n>1，屬于膨脹體，其余流變性指數(shù)n均小于1，均屬于偽塑性體.

2) 隨著料漿剪切速率的增大，料漿流變特性曲線也隨之變化，呈現(xiàn)出不同的流變模型特性，料漿剪切應力(表觀黏度)可分為三個階段：偽塑性體(不穩(wěn)定階段)—賓漢姆體(過渡階段)—屈服應力的偽塑性體(穩(wěn)定階段).

3) 料漿屈服應力和表觀黏度均與骨料特征粒徑d90相關(guān)性最高，說明骨料粒徑級配對流變特性有很大影響；隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的增大，屈服應力(表觀黏度)與骨料粒徑級配相關(guān)性變化趨勢分別為：78%，80%極強相關(guān)(中等相關(guān))—82%強相關(guān)(強相關(guān))—84%中等相關(guān)(極強相關(guān)).

4) 通過對骨料顆粒建立力學模型分析，得到相應臨界粒徑范圍約為13.8～21.6 mm，為金川礦山粗骨料破碎的最大粒徑選擇提供理論依據(jù).