廢石—棒磨砂混合充填料漿工作特性與流變參數試驗

韋寒波 高 謙

（1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京市建筑節能與建筑材料管理辦公室，北京 100045）

隨著我國對環境保護日趨嚴格以及對地質災害防控迫切要求，充填采礦法應用越來越廣泛。充填采礦可以減少礦石損失貧化、提高廢石利用率、避免采空區塌陷、防治地質災害［1-3］。充填材料的選擇和配比對充填體強度、管道輸送和充填成本起決定性作用。廢棄物在充填采礦中大量資源化利用，不僅可以保護環境，而且還能夠降低充填采礦成本，同時獲得顯著的經濟效益和社會效益。

近年來針對充填材料的選擇、料漿特性優化、低成本物料開發等問題，諸多學者進行了大量研究，高謙、趙國彥、張修香等［4-6］應用響應曲面法研究充填料漿特性變化規律，并進行配比優化；溫震江等［7］對廢石—棒磨砂混合骨料級配對充填料漿離析的影響進行了研究，確定混合骨料平均粒徑和粒徑分散系數并成功驗證；李立濤等［8-9］基于正交試驗和神經網絡對充填膠凝材料配比進行優化；付自國等［10］基于數據擬合規律，提出強度齡期數學模型用以指導配比設計；楊志強、張秀勇等［11-14］對多固廢混合充填料漿的流變特性、管輸阻力因素和減阻技術進行了系統研究；巴蕾、李茂輝、楊嘯等［15-17］開展了礦山固體廢棄物混合骨料充填料漿膠結體強度與配比優化試驗研究。

針對廢石—棒磨砂混合粗骨料和低成本固結粉綠色充填膠凝材料，本項目基于正交試驗方案，開展不同配比的混合充填料漿管道輸送特性以及流變特性研究，分析變化規律和關鍵影響因素。同時，尋找廢石—棒磨砂混合粗骨料充填料漿配比最優組合，使其在滿足管道穩定自流輸送的前提下，達到磨損最少和經濟效益最大的目的，為同類礦山開展充填料漿配比設計及優化提供參考。

1 試驗方案及測試結果

充填料漿的流動性、穩定性和可塑性是評價其工作特性的重要因素。料漿的流動性表征料漿在管道中輸送的難易程度，通常采用料漿的塌落度、擴散度和稠度來度量；料漿的穩定性表征料漿的分層、離析和飽水程度，通常采用料漿的分層度、泌水率等參數來表征；料漿的可塑性反映料漿粘度以及抗剪切能力。同時，高濃度充填料漿是一種復雜的懸浮體，常采用H-B體或賓漢體來表征，通過開展流變參數測試，獲取屈服應力和粘度系數，用以進行料漿管輸特性分析與評價。

（1）充填骨料。采用金川礦山掘進過程中產生的-12 mm廢石與金川公司砂石廠-5 mm棒磨砂二元混合骨料，廢石與棒磨砂配比（廢砂比）分別為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。

（2）料漿濃度。根據工業生產充填料漿參數，料漿質量濃度分別為78%、80%、82%、84%。

（3）膠凝材料。采用現場充填實際所用膠凝材料，即金泥礦用水泥與煕金公司生產的工業固結粉（水泥與固結粉配比為3∶7），膠凝材料與棒磨砂配比（膠砂比）分別為1∶4、1∶5、1∶6。

（4）按照標準實驗規程操作要求和正交試驗設計方案，制備廢石—棒磨砂混合充填料漿，分別測定在不同配比條件下充填料漿工作特性參數（塌落度、擴散度、稠度、分層度、泌水率）和流變參數（屈服應力、粘度系數），試驗分組情況及相關參數測試結果見表1。

按照礦區充填系統自流輸送工藝設計，充填料漿工作特性參數的基本要求：塌落度≥20 cm、稠度≥9 cm、分層度≤2.0 cm。表1參數測試結果顯示，料漿工作特性能滿足充填基本要求。廢砂比為2∶8和料漿濃度為78%的3組料漿，以及廢砂比為1∶9和料漿濃度為78%、80%的6組料漿，在試驗過程中出現了嚴重的分層離析，導致該9組試驗沒有獲得可靠的流變參數測試結果。

2 料漿特性變化與影響因素分析

2.1 料漿工作特性分析

根據正交試驗方案，設計了3個因素，每個因素選取3～4個水平，通過單因素分析難以觀察到總體變化規律。為此，需要開展混合充填料漿工作特性多因素回歸分析。自變量料漿廢砂比、膠砂比、料漿質量濃度分別采用X1、X2、X3表示，對表1充填料漿測試數據分別進行回歸分析，由此獲得各參數回歸方程：

式中，T1為料漿塌落度，cm；T2為料漿擴散度，cm；T3為料漿稠度，cm；T4為料漿分層度，cm；T5為料漿的泌水率，%。

根據回歸分析結果可知，料漿坍落度、擴散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質量濃度的變化規律基本相同，料漿質量濃度是影響工作特性的最顯著因素，各參數變化規律如下：

（1）塌落度隨料漿質量濃度的增大而減小；隨膠砂比的增大而減小，但影響不明顯；隨廢砂比的增大而迅速減小，究其原因，是因為廢石粗骨料含泥量多，隨著廢砂比增大，細泥含量增多，導致充填料漿變稠，從而提高了料漿的濃度，料漿塌落度隨之降低。

（2）擴散度隨廢砂比、膠砂比、料漿質量濃度增減變化規律與塌落度基本一致。

（3）稠度隨料漿質量濃度增大而減小；隨廢砂比增大而減小。表明隨著料漿質量濃度和廢砂比增大，料漿越來越粘稠，料漿流動性逐漸降低。

（4）分層度隨廢砂比、膠砂比、料漿質量濃度的變化規律不一致，與廢砂比正相關，與膠砂比及料漿質量濃度負相關，其中料漿質量濃度對分層度影響最顯著。

（5）泌水率隨料漿質量濃度的增大逐漸減小，說明料漿的保水性和穩定性逐漸增強。

2.2 料漿流變參數分析

本次料漿流變參數試驗采用高精度的R/S+SST型四葉槳式旋轉流變儀，選擇30/15槳式轉子，轉速設置初始值20 r/min，終值120 r/min，檢測次數100次。將流變試驗獲取的數據使用回歸軟件進行分析，由此獲得剪切率與剪切應力的流變曲線（其中料漿質量濃度82%和膠砂比1∶5的4組不同廢砂比料漿流變曲線及擬合結果如圖1所示）。根據試驗所得的曲線與典型流體流動特性曲線對照，可以明顯得出料漿流變曲線屬于具有屈服應力的偽塑性體特征，初步確定本次試驗廢石—棒磨砂混合料漿的流變關系為具有屈服應力的偽塑性體，可采用H-B模型進行數據回歸分析。

根據表1料漿流變參數測試結果，針對料漿的屈服應力、粘度系數進行影響因素的多元素回歸及相關性檢驗。回歸相關性檢驗和顯著性檢驗結果表明，料漿屈服應力的回歸方程與測試結果擬合較好，但料漿粘度系數擬合較差。料漿屈服應力τ0、粘度系數K的回歸方程：

回歸分析結果表明，料漿屈服應力主要影響因素是料漿質量濃度，屈服應力隨料漿質量濃度提高而增大；其次是廢砂比，膠砂比對料漿屈服應力影響不顯著。粘度系數的主要影響因素是膠砂比，粘度系數隨膠砂比增大而減小；其次是料漿質量濃度，廢砂比對料漿粘度系數的影響較小。

3 料漿配比設計優化

開展廢石—棒磨砂混合料漿工作特性和流變特性研究，就是為了尋找混合充填料漿配比最優組合，使其在滿足管道穩定自流輸送的前提下，達到磨損最少和經濟效益最大的目的。充填料漿特性主要受料漿的濃度、膠砂比、廢砂比3個因素影響，各因素之間既相關作用又互為制約，導致各影響因素對料漿流變特性產生較為復雜的作用。

本次研究應用Design Expert中響應曲面法進行分析和優化設計。對混合充填料漿工作特性參數進行分析時的響應為塌落度和泌水率，通過調整3個影響因素使其響應達到最優（最大或最小）。自變量為廢砂比、膠砂比和料漿質量濃度，依次建立混合充填料漿的響應面優化模型，由此獲得3個影響因素對因變量（塌落度和泌水率）的等高線和響應曲面見圖2～圖5。

由料漿工作特性參數影響因素分析可知，影響料漿塌落度和泌水率顯著因素順序為：料漿質量濃度>廢砂比>膠砂比。以最顯著影響因素的料漿質量濃度和廢砂比作為自變量函數，對因變量塌落度、泌水率作出等高線和響應曲面，由此獲得的最優膠砂比為0.21（約1∶5）。再利用Design Expert軟件Optimization工具箱對廢石—棒磨砂混合料漿的廢砂比、膠砂比、料漿濃度進行優化設計，由此獲得料漿配比優化組合見表2。優化設計考慮到棒磨砂8%的含水率影響，整個料漿濃度實際折減為79%。

4 結 論

（1）基于正交試驗設計方案，開展了48組不同配比的廢石—棒磨砂混合骨料充填料漿工作特性及流變參數測試。通過分析工作特性參數變化規律可知，料漿坍落度、擴散度、稠度、分層度和泌水率隨膠砂比及料漿質量濃度的變化規律相同，料漿質量濃度是影響工作特性的最顯著因素。

（2）廢石粗骨料含泥量多，隨著廢砂比增大，細泥含量增多，導致料漿變稠，從而提高了料漿的濃度，料漿塌落度隨之降低。料漿質量濃度和廢砂比增大，料漿越來越粘稠，料漿流動性逐漸降低。泌水率隨料漿質量濃度增大逐漸減小，說明料漿的保水性和穩定性逐漸增強。

（3）廢石—棒磨砂混合充填料漿的流變關系為具有屈服應力的偽塑性體，可采用H-B模型進行數據回歸分析。屈服應力主要影響因素是料漿濃度，屈服應力隨料漿質量濃度提高而增大；其次是廢砂比，膠砂比對料漿屈服應力影響不顯著。粘度系數主要影響因素是膠砂比，粘度系數隨膠砂比增大而減小；其次是料漿質量濃度，廢砂比對料漿粘度系數的影響較小。

（4）采用響應曲面法進行廢石—棒磨砂混合充填料漿配比優化設計，由此獲得滿足金川礦山高濃度料漿自流輸送的優化設計參數為：廢砂比為0.62（接近4∶6）、膠砂比為1∶5、料漿質量濃度為81.85%。混合充填料漿塌落度為27.24 cm、泌水率為9.25%。