充填采礦新型膠結材料流變特性研究

2013-09-07 08:55:50夏德勝南世卿

中國礦業 2013年1期

夏德勝，高謙，南世卿

（1.河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北唐山063000；2北京科技大學，北京100083）

隨著礦業資源開發的需求，充填采礦技術在實踐中不斷的革新和完善，逐漸成為一種高效、安全的采礦方法。充填采礦技術不僅滿足采礦工藝的要求，同時結合環境實現礦山廢物的綜合利用。尾砂膠結充填是充填采礦方法中重要的類型之一，意在降低開采成本和形成一個持久的有足夠強度的充填體[1]。膠結材料是充填技術中最為重要的因素之一，其中水泥全尾砂作為充填膠結材料應用于井下充填，在許多礦山得到一定的推廣應用[2]。利用鋼鐵廢渣配以激發劑，開發一種新型膠結材料通過與骨料（尾砂）的相互作用產生高于普通水泥的固化效果，對推廣充填采礦技術和尾砂的綜合利用產生積極的作用。為了滿足新型膠結材料在充填采礦中充填料漿管道輸送要求，研究其料漿的流變特性成為管道輸送能力和輸送過程中的安全和可靠性的關鍵環節[3]。本研究在石人溝鐵礦開展了水泥和新型膠結材料流變特性和流變參數的對比測試，通過兩種膠結材料的對比分析，揭示不同濃度條件下砂漿流變特性隨膠砂比的變化規律，進一步優化料漿濃度配比，從而為充填系統設計和運營提供依據。

1 兩種膠結材料基本特性試驗研究

試驗以新研發的鋼鐵廢渣加激發劑制成的新型膠結材料和冀東地區32.5水泥為對比膠結材料，以石人溝鐵礦的全尾砂為基質材料，測得尾砂比表面積1740.32cm2／g，密度2.52g／cm3。進行充填材料的砂漿流變特性試驗，選擇灰砂比分別是1∶8、1∶10、1∶12、1∶15四種和砂漿濃度在75%～83%范圍內進行兩種膠結材料砂漿流變測試，獲得砂漿的工作特性參數的試驗結果如表1所示。

根據表1中的全尾砂漿的塌落度、稠度、泌水率和沉降率的試驗數據，進行兩種膠結材料的流變特性對比分析和研究。

1.1 砂漿的塌落度對比分析

充填料漿因自重而流動、因內部阻力而停止的最終變形量將會產生坍落現象。坍落度大小主要取決于料漿中固體顆粒的級配和料漿濃度，直接反映著料漿流動性的好壞與流動阻力的大小[4]。表1中四種膠砂比的兩種膠結材料的塌落度與濃度的變化規律基本一致，即隨著濃度的提高而降低。對于1∶10的膠砂比，新膠結材料砂漿塌落度大于水泥，而對于1∶8、1∶12和1∶15的膠砂比水泥全尾砂漿的塌落度略大于新膠結材料的塌落度。

1.2 砂漿稠度的對比分析

分析砂漿稠度在于揭示砂漿的流變性，由此評價砂漿管道輸送的可行性與可靠性。表1中給出了4種膠砂比的兩種膠結材料的全尾砂漿流動度（稠度）隨著設計濃度的增大而減小。兩種膠結材料的稠度的變化規律基本沒有本質上的差異。

1.3 砂漿泌水率對比分析

砂漿泌水率是指泌水量與總含水量之比，反映了砂漿管流泌水和穩定性情況，其值越小，砂漿的穩定性越高[5]。表1給出了4種膠砂比的兩種膠結材料的全尾砂漿泌水率均隨著砂漿濃度的提高而降低。四種膠砂比中1∶10膠砂比的新型凝膠材料砂漿泌水率最低。

1.4 砂漿沉降率對比分析

充填料漿脫失后，充填體將發生縮水沉降，其沉降量的大小反應膠結充填體的接頂率，直接影響充填體充填效果和采場的穩定性。表1中兩種膠結材料的全尾砂漿充填體的沉降率也隨著砂漿濃度的提高而降低。1∶8的膠砂比中兩種膠結材料的沉降率基本相同，對于1∶10的膠砂比水泥材料的沉降率小于新型材料，但對于1∶15的膠砂比，新型材料的沉降率又小于水泥。

表1 兩種膠結材料石人溝鐵礦全尾砂漿流變特性試驗結果

2 兩種膠結材料流變參數測試

為了進一步研究兩種膠結材料的全尾砂砂漿的輸送性能，對兩種膠結材料的流變參數展開測試來衡量料漿管道輸送性能和充填料漿流動性的重要指標[6]。

采用石人溝鐵礦全尾砂，進行兩種膠結材料的全尾砂砂漿流變參數測試。選用美國BROOKFIELD公司生產的R／Splus混凝土流變儀進行試驗，試驗的溫度為室溫（28℃），轉子型號為V30－15，轉速從30～60r／min變速，測定步長為3s。

2.1 兩種膠結材料對比分析

表2為流變儀測試兩種膠結材料在不同的砂漿濃度條件下，屈服應力和粘度系數的流變參數數據結果。

在料漿濃度為66%的條件下，表2中水泥膠結材料全尾砂漿的屈服應力基本上隨著膠砂比的增加而增加；但新膠結材料全尾砂漿的屈服應力先是隨著膠砂比的增加而增大，然后當膠砂比增大到1∶12時，屈服應力將隨著膠砂比的增大減小，并逐步趨于穩定。

表2中水泥作為膠結材料的全尾砂漿的粘度系數，基本上隨著膠砂比的增加而增大。當膠砂比達到1∶10時，砂漿的粘度系數趨于穩定，接近于一定值。新型膠結材料的全尾砂漿的粘度系數隨膠砂比的變化為：降低—升高—降低，呈現出“S”型。對于1∶15～1∶12的低膠砂比砂漿，砂漿的粘度系數隨膠砂比的增加而增大，然后隨之減小，在膠砂比為1∶10時達到最小，隨后又隨著膠砂比的增加而增大。

表2 不同濃度的兩種膠結材料全尾砂漿流變參數測試結果

濃度為68%的條件下，表2所示的兩種膠結材料砂漿的屈服應力，水泥膠結材料隨膠砂比的增大而增大，而新型膠結材料則隨膠砂比的增加略有減小，但在1∶10的膠砂比時基本相等。68%濃度的水泥全尾砂漿粘度系數與膠砂比基本不變，而新型膠結材料仍顯現出“S型的變化規律”。

濃度為70%的條件下，表2中新型膠結材料全尾砂漿的屈服應力高于水泥材料，而粘度系數隨膠砂比的變化規律與低濃度的相似。

在72%的高濃度條件下，表2中兩種膠結材料的全尾砂漿的流變參數隨膠砂比的變化規律相類似。相比較，新型膠結材料的全尾砂漿流變特性對膠砂比更為敏感，但當膠砂比為1∶10時，新型膠結材料的流變參數均小于水泥材料。

2.用聯系的觀點看，“三嚴三實”契合了中國傳統政治文化精華。我國古代進步知識分子一直把修身、齊家、治國、平天下當作人生目標，“三嚴三實”以樸實無華的語言，契合了這一優秀傳統文化精華。契合了全心全意為人民服務的宗旨，要求領導干部必須堅持用權為民，按規則、按制度行使權力。契合了作風建設的現實要求，即持之以恒改進作風，不斷以作風建設的新成效為協調推進“四個全面”戰略布局提供堅強保障。