分析細粒尾礦充填料漿的流變性及充填能力研究

孫澤光，蔣 振

中鋼集團山東富全礦業有限公司采運車間，山東濟寧 272516

為了確保礦山生產高效且安全，我公司采用的開采方式為向上分層充填采礦法，此種方法除了可以治理地下的采空區，避免塌陷及安全隱患，還能提高回采率，利用尾礦、廢石等廢棄物，減輕了廢棄物對礦山及周邊環境的影響。隨著充填采礦法的應用越來越普遍，對其研究也逐漸增多，而在具體的采礦中，更加關注重充填料漿的流變性。對于流變性而言，其影響因素有充填物料的配比、充填物料的粒度大小等。為了保障采礦安全，必須控制充填骨料的流變性，使其規律，這樣才能對危險情況進行預測并及時做好防御措施。本文以我公司礦山為例，其主要選擇的是細粒尾礦作為充填骨料，然后通過一定的試驗，得出了在充填料漿不同的濃度下相應塌落度、流變速度及流變參數等的變化規律，從而對其具體的充填能力進行了系統化的研究與分析。

1 試驗研究材料

我公司鐵礦石尾礦，發現其尾礦礦粒主要以微細粒為主，其表觀密度為3.08t/m3；經過了一定的測定之后，發現添加PC32.5硅酸鹽水泥之后，比表面積為370m2/kg，表觀密度為2.99t/m3。通過對微粒的具體分析后，得知此尾礦微細粒達到了70%之多，其中尾礦中最大粒度約為0.44mm，其平均粒徑約為0.096mm。

2 試驗研究方法

2.1 充填料漿塌落度測量

一般而言，對于不同濃度下的充填料漿塌落度而言，主要測量工具為圓錐筒，本文中采用的是圓錐筒桶高為300mm，上口的直徑為100mm，下口的直徑為200mm，在具體的測量過程中，必須按照建筑工程的相關規范進行。

當開始塌落度的測量試驗時，首先要對充填料漿進行均勻攪拌，然后將這些料漿裝入桶內（裝入時必須按照標準《（GB/T50080）普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行），最后提起塌落桶，里面的漿體便會由于重力作用向四周流動擴散，而高度也會逐漸下降，漿體最后的塌落高度則為充填料漿的塌落度。總之，塌落度越大，則充填料漿的流動性就越好。

2.2 斜管試驗

對于不同濃度充填料漿在相同條件下的自流輸送的流速大小的測定，一般采用的是斜管試驗（傾斜管道試驗裝置），以此測定料漿濃度的變化引起的流動變化情況。

在具體的試驗中，傾斜管道采用的是一種有機玻璃管，長度在1.8m左右，而直徑一般為25mm，對于入料口與出料料口而言，一般需要設置為高度差0.85m左右。和前一個試驗一樣，要用攪拌桶對預先設計的不同濃度的充填物料進行攪拌，等到充填物料均勻之后，勻速將其倒入受料的漏斗之中，等到料漿的流速呈現一種均勻狀態后，便可以測定料漿的流動速度。

2.3 料漿流變參數的測量

對于料漿流變參數的測量而言，應先將料漿的物料（水泥灰、尾礦、水）按照一定的比例配好，然后放入相應的攪拌機中攪拌，一般而言，先慢速攪拌約兩分鐘后，繼而用刮刀迅速刮下攪拌罐壁上的漿體，然后再快速攪拌約兩分鐘，最后倒入相關的測量容器中，并采用旋轉粘度計測定料漿的粘度，同時還需要利用流變儀測定其相關的屈服應力。對于試驗的每一組都需要測量至少三次，然后對其求平均值，最后得出相關的流變參數。

3 試驗的結果及討論

3.1 不同濃度的料漿塌落度結果及分析

本文以充填料漿濃度在53.5%～68.1%為例，隨著濃度的不斷增加，試驗中所得結果表明，塌落度會逐漸減小，當濃度小于68.1%時，充填料漿的塌落度一般都在22cm及以上，這滿足了實際的輸送要求；但是，當尾礦濃度在63%左右時，塌落度的速度改變非常劇烈，其具體的下降速度從平緩一下驟減，這表明了當尾礦濃度在63%左右時，具有流動性變差劇烈的特性。基于此，為了保障充填料漿保持一個良好的流動性，便相應地要求尾礦濃度必須保持在63%以下。

3.2 不同濃度的料漿斜管輸送速度大小測量結果

本文以充填料漿濃度在61.4%～68.1%為例，相關試驗結果表明，料漿濃度在63.3%的時候為轉折點，也就是說在大于63.3%的時候料漿的流速遠遠低于了小于63.3%濃度的料漿流速。換句話說，63.3%屬于本試驗中的料漿臨界濃度。

3.3 不同濃度的料漿流變參數測量結果

本文以充填料漿濃度在53.5%～65.7%為例，通過現場的實際試驗表明，在不同尾礦濃度與相同灰砂比情況下，隨著充填料漿的濃度增加，其自身的屈服能力及粘度都會呈現出一種增加的趨勢。當充填料漿濃度大于了58.4%之后，粘度呈現出的增速更快，而屈服應力增速的臨界點則為充填料漿濃度63.3%的時候。總的來說，當屈服應力與粘度太大，則會相應地增加在管道中的流動阻力，從而降低流速，這不僅會導致實際填充能力不足，也會造成堵管事故。因此，最為理想的情況為保證充填料漿的濃度保持在63%以下。

3.4 自流充填能力探討

3.4.1 充填流速的選擇

當充填料漿的濃度在50%～60%時，便屬于高濃度漿體，而在具體的輸送中便會存在一個臨界流速。對于這個臨界流速而言，一旦實際流速高于此臨界點，則會導致管道的磨損加重；反之，則會造成堵管事故。通過分析對比，總結出了在實際的應用中，盡量選擇流速在臨界點之下。

3.4.2 理論結果計算

根據相關的理論，便可以計算出充填料漿的充填能力，本文計算的是賓漢姆流體水力坡度與自流輸送水力坡度，利用這兩個方面的相關數據，便可以測出具體的充填能力。具體來講，與充填能力有關的因素主要有：料漿水力坡度、料漿屈服應力、料漿粘度、料漿流速、管道的總長度、總高度差、局部的阻力折后10%的總長、管道直徑及料漿密度等。

3.4.3 充填能力的選擇

根據以上的相關計算及分析，我們可以得到以下幾個方面的結論：

1）對于同一管徑而言，當料漿的濃度增加，充填料漿的流量與流速都呈現出一種減小的趨勢，而根據相關的臨界流速需求，則需要對每一個管徑設置相關的適宜充填濃度。比如管徑為50mm、100mm、125mm時，適宜的充填料漿濃度分別對應為53.5%、60.9%、63.3%。

2）對于同一濃度而言，當管徑增加，料漿的流量及流速都會相應增加，根據具體流速的設計要求，每個濃度下都應設置一個合理的管徑。一般而言，當料漿濃度為3.5%、60.9%、63.3%時，其對應的合理管徑分別為50mm、100mm、125mm，同時在各自適應的管徑下，其最大的充填能力分別為16.49、64.05、97.59m3/h。

4 結論

通過試驗，可以測出不同充填料漿濃度下的塌落度、料漿流變參數等，這些數據表明料漿濃度往往會影響整個料漿的流動性，隨著濃度的變化，料漿流動性也會變化，并且存在一個臨界值。一旦料漿濃度高于此臨界值，流動性就會急劇降低。總之，對于細粒尾礦充填料漿的流變性及充填能力進行研究，對于采礦事業有著非常重大的意義，這是采礦行業必須長期探索與研究的課題。

[1]呂憲俊,金子橋,胡術剛等.細粒尾礦充填料漿的流變性及充填能力研究[J].金屬礦山，2011(5)：32-35.

[2]呂憲俊,胡術剛,金子橋，等.細粒尾礦充填料漿的流變特性及輸送工藝參數研究[D].第五屆中國充填采礦技術與裝備大會論文集，2011：92-95.