泵送劑改善膏體流變性能試驗及機理分析

吳愛祥，艾純明，王貽明，楊錫祥，周發陸

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泵送劑改善膏體流變性能試驗及機理分析

吳愛祥1，艾純明2，王貽明1，楊錫祥3，周發陸3

(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. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島，125105；3. 招金礦業伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什，844300)

為改善膏體在進行膏體充填試驗時的流動性能，進行泵送劑的試驗研究并測試泵送劑的持久性，從膏體絮團結構入手，對泵送劑改善膏體流動性的機理進行分析。研究結果表明：添加泵送劑之后，膏體的屈服應力減小為原來的1/10，黏度降低57%，膏體輸送的沿程阻力由59.43 MPa減小為6.20 MPa。0.8 h內膏體的剪切應力只增加4%。膏體內的絮團結構是導致膏體流動性差的主要原因。通過進行顯微圖像觀測，證實泵送劑可破壞膏體絮團結構。泵送劑的主要作用有吸附作用、分散作用、潤滑作用，理論分析與試驗結果一致。

泵送劑；膏體輸送；流變性；沿程阻力

膏體充填技術具有不分層、不離析、不沉淀的特點[1]，用于礦山井下充填水泥具有耗量低、充填體接頂性能和整體性能良好的優點。膏體充填使礦山產生的尾砂得到完全回收利用成為可能[2?3]，不僅大幅降低了充填采空區的費用，還解決了環境污染問題[4]，保證了礦山的可持續發展，因此，膏體充填越來越受到人們的青睞[5?6]。新疆某銅礦采用淺孔留礦法進行礦石回采，大量的采空區導致井下采動二次應力較大，采場垮冒現象頻現，安全性差，且上盤圍巖冒落導致礦石貧化嚴重，選礦成本加大。同時，高應力引起巷道嚴重變形，支護成本高，采礦安全風險大。為解決以上問題，礦山決定采用下向進路式充填采礦法。礦體圍巖為細粉砂泥巖，具有遇水泥化現象，因此，充填方式宜采用膏體充填。在前期的探索性試驗中發現：使用全尾砂制成膏體最大質量分數為75%，繼續加大質量分數，則流動性變差，難以實現泵送。這是由于尾砂顆粒較細，以及含有一定量的泥巖造成的。因此，為了保證較高的充填質量分數，并改善膏體的流動性，借鑒混凝土輸送技術[7?9]，提出在膏體制備過程中加入添加劑的技術方案。近年來，品種繁多的外加劑在建筑混凝土中應用十分廣泛，其中用于改善流動性主要有減水劑、泵送劑等[10?11]。但是混凝土外加劑用于礦山充填生產實踐中還不多見[12]，用于膏體充填生產實踐方面報道較少。開展泵送劑在膏體充填中的應用研究，將改變膏體的流變性能，從而降低膏體在管道輸送中的沿程阻力，有利于膏體技術的推廣應用。本文作者研究泵送劑試驗及測試泵送劑持久性，并分析泵送劑改善膏體流動性的機理。

1 試驗材料

本次膏體流動性測試的試驗材料包括膠凝材料、粗骨料、泵送劑和全尾砂。

1) 膠結材料選用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5；

2) 粗骨料為地表廢石，粒徑破碎至10 mm以下，平均粒徑為3.92 mm；

3) 通過前期的對比坍落度進行泵送劑優選試驗，確定泵送劑C為本次試驗的添加劑。

4) 全尾砂取自該礦山選礦廠，烘干后備用。使用激光粒度儀(LMS?30型)對尾砂的粒級組成進行分析，結果如圖1所示。

圖1 全尾礦粒級組成曲線

不均勻系數u為

曲率系數c為

平均粒徑cp為

式中：60，30和10分別為篩下累積60%，30%和10%對應的顆粒粒度；d和d+1為第組粒度范圍；a為第組粒度范圍的質量分布頻率。

一般數u≥5表示顆粒分布范圍大，級配良好；c表示級配連續情況，c1~3時表示級配良好，密實程度較好。因此，可以得出尾砂粒級分布范圍較大，連續狀況較好。

粒級分析結果表明該尾砂細粒級質量分數大，粒徑小于74 μm的顆粒占總數量的64.32%，粒徑小于45 μm的顆粒為總數量的43.1%，將對膏體的流動性造成較大負面影響。尾礦顆粒粒徑小說明其比表面積大，顆粒表面需要吸附更多的自由水，因此，其在泵送劑質量分數相同時，膏體流動性較差。

2 膏體流變性測試

2.1 試驗儀器與方法

測量膏體流變性使用的儀器主要為流變儀(Brookfield R/S+Rheometer)，十字形轉子型號為V60?30?3tol。

為了更準確地測得料漿屈服應力和塑性黏度等流變參數，測量采用控制剪切應力法(controlled shear stress，CSS)。根據前期探索性試驗發現，本次試驗膏體近似于Bingham體，因此，采用此模型對流變參數進行擬合分析，Bingham流變模型如下：

式中：為屈服應力，Pa；0為動態屈服應力，Pa；為塑性黏度，Pa?s；為剪切速率，s?1。

2.2 試驗原理

膏體的流變性能包括屈服應力和塑性黏度等參數，直接決定膏體輸送沿程阻力[13]，即

式中：為摩阻損失，Pa/m；為管道內徑，m；為流速，m/s。

由式(5)可以看出：在管徑一定的情況下，屈服應力和塑性黏度是影響其管輸阻力的重要因素，且均與摩阻損失成正比。細顆粒尾礦之間的內聚力導致膏體具有較高黏度，影響膏體的流變性。

2.3 試驗結果

不同泵送劑摻量的膏體流變性測試結果如圖2所示。采用Bingham模型對流變參數進行回歸分析，得到不同泵送劑添加量條件下的膏體流變模型，如表1所示。由此得出了5組膏體的屈服應力和黏度，如圖3所示。