高濃度全尾砂充填料漿流變特性試驗研究

侯國權，郭利杰，楊 超，許文遠

（北京礦冶研究總院，北京100160）

某硫金礦山經過長年開采，截至目前已形成超過130萬m3的采空區。大量采空區的存在，破壞了巖體的原巖應力平衡，成為影響礦山安全生產及礦區人員財產安全最主要的危險源。而且充填料來源困難，所以采用全尾砂充填處理空區，不僅可以消除空區的安全隱患，還可以避免地表尾礦庫的建設。

在全尾砂充填實踐中，充填料漿管道的輸送能力管道阻力以及輸送過程的安全與可靠性取決于料漿濃度和灰砂比以及膠結材料性質。針對全尾砂充填料漿開展流變特性研究是決定其能否進行管道輸送及其輸送的難易程度的重要指標，流動性越好越易于實現管道自流輸送，反之則難于實現管道自流輸送［1－4］。

1 尾砂基本性質研究

粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量，尾砂的粒度分布情況決定著充填工藝的全過程，對造漿、輸送和充填體質量影響都很大。本文利用馬爾文激光粒度測試儀測試全尾砂粒級組成，測試分析結果見表1，圖1為全尾砂粒級組成曲線。

圖1 全尾砂粒度分布曲線

通過測試得出全尾砂的主要粒徑參數為：d10為7.621μm，d50為120.317μm，d90為385.855μm，不均勻系數α＝20.89（α＝d60/d10，d10、d60分別是累計含量為10%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑）。試驗結果表明，全尾砂細泥含量較低，大于74μm的尾砂量為63.80%，粗細顆粒搭配不均勻。

表1 全尾砂激光粒度分析匯總結果

根據國內外充填的經驗，當充填料固體物料中－25μm顆粒含量高于25%時，該種充填料才可能成為穩定性較好具有一定輸送性的結構流充填料漿。根 據 粒 度 分 析，全 尾 砂－25μm含 量 為19.33%，水泥－25μm含量一般認為在80%以上，通過合理的配比，可以實現高濃度充填。

2 全尾砂充填料漿擴散度試驗

測定擴散度主要是為了掌握充填料漿流動性，評定粘聚性和保水性。本試驗采用目前較通用的“坍落筒法”，它的試驗設備、方法簡單，試驗數據一定程度上也能夠反映料漿的流動特性。試驗方法見圖2。

圖2 充填料漿擴散度試驗過程

通過試驗測定全尾砂擴散度試驗結果見表2。通過擴散度試驗結果可以看出，隨著充填料漿濃度的增加，其流動性越差。全尾砂充填料漿濃度在74%以下時流動性較好，76%時流動性差。

3 全尾砂充填料漿流變試驗

3.1 流體模型

流變模型是流體在載荷下，其切變率和切應力的關系。根據不同的流變性能，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。

表2 全尾砂充填料漿擴散度試驗數據/cm

3.1.1 牛頓流體

牛頓流體的剪切應力與速度梯度呈線性關系，用公式表示為：τ＝μ（dvx/dy）＝μγ，式中的比例系數μ反映了流體內摩擦力的大小，稱為流體的動力粘性系數。

3.1.2 非牛頓流體

對于非牛頓型流體，人們提出了幾個描述內摩擦特性的流變方程模型，譬如Ostwald—dewaele冪律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham模型等。

1）冪律模型認為，非牛頓型流體的黏度函數是速度梯度或剪切速率絕對值的一個指數函數，其表達式為：η＝K（dvx/dy）n＝Kγn－1，式中，K為稠度系數（Pa·sn）；n為流體特性指數，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度。工業上80%以上的非牛頓流體均可用此模型計算。

2）Bingham流體，即塑性流體是指當剪切應力大于屈服應力時，漿體才能發生流動，具有塑性液體性質；當剪切應力小于屈服應力時，漿體沒有流動性，表現為固體。其表達式為：τ＝τ0＋ηplγ，式中τ0代表屈服應力（Pa）；ηpl代表塑性黏度系數（Pa·s）。塑性黏度ηpl是漿體內部結構阻礙流動的一種性能，反映了漿體體系的變形速率。當剪切應力高于屈服應力時，漿體流動同時它的流動阻力由塑性黏度決定。這兩個流變參數值的變化主要受漿體的組成和漿體體系內的顆粒性質的影響。

3）赫 切爾－巴爾克（Hereshel－Bulkley或H－B）流體是指當剪切應力τ超過臨界值τ0后才開始流動，并且剪切速率隨（τ－τ0）成冪律增加的流體［5－7］。

3.2 試驗方法

本試驗采用美國Brookfield公司的新型流變儀，使用槳式轉子測定不同條件下料漿的流變性能。流變儀由低速檔開始，逐漸增大，運行120s，每秒記錄一個讀數。根據統計軟件RHE03000顯示的數值作出流變曲線并進行擬合，最終得到流變模型及相應的流變參數。

3.3 流變實驗結果分析

對不同濃度和不同灰砂比全尾砂充填料漿的（濃度范圍70%、72%、74%，灰砂比1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20）流變特性進行測試，結果見表3，相應的剪切應力和剪切速率關系曲線見圖3～5。

表3 試驗全尾砂充填料漿流變方程模型

圖3 灰砂比1∶4全尾砂漿關系曲線

圖4 灰砂比1∶8全尾砂漿關系曲線

從表3和圖3～5可知，不同灰砂比全尾砂料漿流變特性關系曲線中可以看出，不同灰砂比的全尾砂充填料漿，剪切屈服應力和黏度系數隨著剪切速率的增加而增大。隨著料漿濃度增大，剪切屈服應力增大。當全尾砂充填料漿濃度達到74%時，漿體流動所需要克服的剪切應力成指數增長，比濃度為72%時的數值大2～3倍，說明全尾砂充填料漿的上限濃度為74%。

圖5 灰砂比1∶15全尾砂漿關系曲線

4 結論

1）通過對全尾砂不同濃度料漿的擴散度試驗可知，全尾砂充填料漿濃度在74%以下時流動性較好，76%時自流困難。

2）根據流變試驗結果可知，全尾砂料漿濃度在70%～74%之間時，其料漿屬于Bingham流體。試驗結果表明，其主要流變參數τ0，在砂灰比一定的條件下，隨著料漿濃度增大而增大，其中，在料漿濃度由72%提高到74%時，τ0提高了2～3倍，說明濃度為74%時為料漿輸送阻力極具增大的突變點，即濃度大于74%時，料漿輸送困難，這一點與擴散度試驗結論相一致。

［1］ 周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京：冶金工業出版社，2007：1－15.

［2］ 古德生，李夕兵，等.現代金屬礦床開采科學技術［M］.北京：冶金工業出版社，2006：1－12.

［3］ 劉同有，等.充填采礦技術與應用［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［4］ 胡華，孫恒虎.礦山充填工藝技術的發展及似膏體充填新技術［J］.中國礦業，2001，10（6）：47－50.

［5］ 余斌，張紹才，李政等.高濃度尾砂充填料漿管道輸送性能試驗［J］.河北冶金，2003（3）：7－10.

［6］ 許毓海，許新啟.高濃度（膏體）充填流變特性及自流輸送參數的合理確定［J］.礦冶，2004，13（3）：16－19.

［7］ 楊根祥，全尾砂高濃度充填料漿的流變特性［J］.沈陽黃金學院學報，1995（2）：143－147.