煤礦高濃度膠結充填料漿流變特性試驗研究?

陳 磊 趙 明 趙 健

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

煤礦高濃度膠結充填料漿流變特性試驗研究?

陳 磊 趙 明 趙 健

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

煤礦高濃度膠結充填材料由煤矸石、粉煤灰、水泥等材料混合而成，為得到充填料漿的流變特性，采用旋轉流變儀，通過試驗得到充填料漿的剪切速率-剪切應力流變曲線圖，經回歸分析確定了料漿的屈服應力和粘度系數，確定了流變模型和流變方程。分析了流變參數隨時間的變化規律，得到了管道輸送阻力損失算式，單位長度的管道輸送阻力損失是管道內徑、料漿輸送剪切速率和時間的函數，分析結果可以為充填系統的設計提供技術參數和依據。

高濃度膠結充填 充填料漿 流變特性

目前煤礦充填開采的主要方法有矸石充填、高水材料充填、膏體（似膏體）充填和膠結充填等。煤礦高濃度膠結充填以煤矸石、水泥、粉煤灰、水、外加劑等制成料漿，經管道輸送至充填采煤工作面，填充采空區，充填材料凝結后支撐采空區頂板，進而實現防止地表塌陷的目的。充填料漿在管道中的流動特性將影響料漿的輸送和充填效果，目前，許多學者對膠結材料特性、膠結充填料漿、全尾砂料漿等流變特性進行了研究，這些研究重點考慮了料漿自身的性質和輸送流量等因素，沒有充分考慮充填料漿的流變特性會隨時間變化而變化，本文以新陽煤礦10203充填采煤工作面為工程背景，在分析高濃度膠結充填料漿基本物理化學特征的基礎上，通過試驗研究了充填料漿的流變特性以及其隨時間的變化規律。

1　充填材料物化特性分析

煤礦高濃度膠結充填材料的骨料為煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥和粉煤灰。粉煤灰是燃煤電廠的固體排放物之一，是一種類似火山灰質的混合材料，目前，對粉煤灰的研究和利用已經非常廣泛，主要應用于土木工程、水泥材料生產、土壤改良等方面。本試驗用粉煤灰取自新陽煤礦附近的燃煤電廠，經能譜分析，本試驗所用粉煤灰樣品主要由Ca、Fe、Si、Al、Ti、S、K等元素組成。通過能譜半定量分析可知，該粉煤灰樣品中SiO2含量為42.76%，CaO含量為23.63%，Al2O3含量為22.53%，同時還含有少量Fe2O3等。粉煤灰樣品中的Al2O3、SiO2是一種活性成分，具有一定的火山灰性質，與水、水泥混合后，與水泥水化形成的Ca（OH）2再次發生化學反應后生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，見化學反應式，新生成的物質具有水硬膠凝性能，而且能夠在一定程度上增強料漿的強度和耐久性。

2　流變試驗

2.1試驗材料

煤礦高濃度膠結充填材料粉煤灰的最佳含量在18%～20%范圍內，充填料漿的理想質量濃度應控制在76%～80%的范圍內，因此選擇77%、78%和79%這3種濃度的充填料漿進行流變試驗，從而探尋出充填料漿的流變特性及其變化規律。為研究粉煤灰對料漿流變特性的影響，控制料漿濃度為78%時，選擇粉煤灰含量分別為18%、19%和20%的情況下進行試驗。因此，試驗樣本共分為5組，具體如表1所示。

表1　充填料漿試驗樣本配比

試驗過程中，每組試樣試驗3次，試驗結果取平均值。本試驗采用Anton Paar公司生產的Rheolab QC旋轉流變儀進行剪切流變試驗，通過測定充填料漿的剪切應力和塑性粘度與剪切速率的關系，找出其變化規律，從而確定料漿的流變模型。

2.2試驗方案和步驟

新陽煤礦充填開采工作面設計的充填管道長度為3500 m，設計的料漿在管道中的流速為1.65 m/s，則充填料漿在管道中流動的時間:

式中:T——料漿在管道中的流動時間，min；

L——充填管道總長度，取3500 m；

v——料漿流速，取1.65 m/s。

將數據代入式（1）計算得充填料漿在管道中流動時間約為36 min。

由于充填料漿中含有水泥、粉煤灰等膠凝材料，在管道輸送過程中，料漿的流變參數會隨時間而發生變化，因此在長距離管道輸送過程中，要研究不同時間段的流變參數。為了與工程實際相吻合，分別測定了放置0 min的充填料漿、放置20 min的充填料漿和放置40 min的充填料漿的流變參數。

試驗中設定初始剪切速率為10 s-1，末速率為120 s-1，共采集90個點的數據。按照特定的材料配比方案，將適量的煤矸石、水泥、粉煤灰和水放入攪拌桶中，攪拌均勻制成充填料漿，立即倒入流變儀桶中進行流變試驗，記錄試驗數據。然后將料漿再倒回至攪拌桶繼續攪拌，20 min后倒入流變儀桶中測量流變參數。重復上述步驟，測量40 min后料漿流變參數。

2.3試驗結果及分析

將每組樣品的試驗數據進行處理，分析剪切應力與剪切速率之間的關系。以3#樣品為例，給出了3#樣品在分別在0 min、20 min和40 min時試驗結果，見圖1，對試驗數據進行了擬合分析，剪切應力與剪切速率之間滿足線性關系，且相關系數均在0.93以上，擬合效果較好。

表2列出了所有試驗樣品的剪切應力與剪切速率關系，表中數據顯示，剪切應力與剪切速率均呈線性關系，其中3#、4#和5#樣本的線性相關系數均達到0.93以上。

圖1　3#樣本剪切應力與剪切速率關系

表2　充填料漿樣品剪切應力與剪切速率擬合關系試驗

在不同的放置時間下，料漿的表觀粘度與剪切速率之間也有一定的關系，如圖2所示。從圖2中可以看出，在3種不同的放置時間上，料漿的粘度變化過程呈現出相似的規律。隨著剪切速率的增加，充填料漿的表觀粘度在減小；隨著放置時間的延長，充填料漿的表觀粘度在增加。充填料漿放置40 min后，粘度隨剪切速率變化的曲線比較明顯，有比較明顯的不穩定階段、過渡階段和穩定階段3個過程，說明該段時間內，料漿內部發生了水化反應，產生了絮狀的懸浮物質，影響了料漿的粘度。

圖2　料漿粘度與剪切速率的關系

3　充填料漿的流變模型

煤礦高濃度膠結充填料漿為非牛頓流體，其流變行為可以近似用賓漢模型表示，模型表達式為:

式中:τs——充填料漿的剪切應力，Pa；

τy——料漿的屈服應力，Pa；

μb——料漿的賓漢塑性粘度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1。

以3#試驗樣品為例，試驗數據的擬合結果如圖1所示，剪切應力與剪切速率之間為線性關系，且相關系數均在0.93以上。因此，可以得到放置時間分別為0 min、20 min和40 min的料漿流變模型，分別如式（3）、式（4）和式（5）所示:

將式（2）與式（3）的相關對應項比較可知，充填料漿在放置0 min即初次攪拌均勻時的屈服應力為113.82 Pa，賓漢塑性粘度為4.8794 Pa·s，而且方程的擬合相關系數達到0.9731。同樣的，4#、5#試驗樣本試驗結果的擬合效果良好，相關系數均在0.9以上，具體如表3所示。

以3#樣本為例，分析充填料漿流變參數的變化規律。根據表3可知，放置20 min后，料漿的屈服應力和賓漢塑性粘度均發生了變化，屈服應力減小了5.14 Pa，賓漢塑性粘度卻增加了0.2002 Pa·s。當料漿放置40 min后，屈服應力比初始值減小了10.51 Pa，賓漢塑性粘度增加了0.4141 Pa·s。這表明時間對料漿的流變參數有一定的影響，說明隨著時間的延長，料漿各成分之間發生了化學反應，改變了料漿的內部結構。3#試驗樣本屈服應力、賓漢塑性粘度與時間的關系曲線見圖3。

表3　屈服應力與賓漢塑性粘度

圖3　3#樣本屈服應力、塑性粘度與時間關系曲線

對數據進行回歸分析，屈服應力與放置時間之間呈現線性函數關系，賓漢塑性粘度與放置時間之間也呈現線性函數關系，且相關系數均在0.99以上。分析4#、5#試驗樣本，屈服應力、賓漢塑性粘度與時間的關系也呈現相同的規律，擬合方程和相關系數如表4所示。

表4　屈服應力τy、塑性粘度μb與時間t的關系函數

4　管道輸送阻力損失計算

通過試驗確定了高濃度膠結充填料漿剪切速率與剪切應力之間的關系，可以計算料漿管道輸送系統的沿程阻力損失，為料漿輸送系統的設計提供技術參數。由于充填料漿采用的是管道輸送的方式，料漿在輸送方向上的剪切應力計算:

式中:Δp——輸送管道兩點之間的壓力差；

L——管道兩點之間的距離；

D——管道內徑。

將式（6）進行簡單變換，得到管道輸送沿程阻力損失:

以3#試驗樣本為例，確定充填料漿管道輸送沿程阻力的計算方法，將式（2）帶入式（7），可得:

由表4可知，τy、μb均為時間的函數，將表4中相關數據帶入式（8）可得:

由式（9）可知，輸送管道的沿程阻力損失大小是管道長度、管道內徑、剪切速率以及料漿在管道中的流動時間函數，當管道內徑一定時，單位長度輸送阻力損失與料漿流動時間、剪切速率有關。在進行充填管路設計時，除考慮管道內徑，還要充分考慮料漿的流速以及料漿在管道中流動的時間，以保證充填料漿安全、高效地送達充填工作面。

5　結論

（1）通過高濃度膠結充填料漿進行流變試驗，對粉煤灰含量為20%時的試驗數據進行回歸分析可知，剪切應力與剪切速率之間呈現線性關系。

（2）高濃度膠結充填料漿為非牛頓流體，其流變模型為賓漢模型，根據試驗數據可以得到屈服應力、賓漢塑性粘度等流變參數。

（3）高濃度膠結充填料漿管道輸送阻力損失量是管道長度、管道內徑、剪切速率以及料漿在管道中的流動時間函數，在進行充填系統設計時要充分考慮料漿在管道中的輸送時間因素。

［1］ 楊寶貴，王俊濤，李永亮等.煤礦井下高濃度膠結充填開采技術［J］.煤炭科學技術，2013（8）

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［8］ 趙有生.新陽煤礦高濃度膠結充填料漿輸送特性研究［D］.中國礦業大學（北京），2014

（責任編輯 張毅玲）

Experimental study of rheological properties of cemented filling slurry with high concentration

Chen Lei，Zhao Ming，Zhao Jian
（College of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Cemented filling materials with high concentration for mines were composed of coal gangue，fly ash，cement and other materials，in order to study rheological properties of the cemented filling slurry，rotational rheometer was used to obtain shear rate-shear stress rheological curve of filling slurry by experiments，yield stress and viscosity coefficient were determined by regression analysis，and rheological model and rheological equation were achieved.Variation law of rheological parameters with time was analyzed，and expression for calculating resistance loss of pipeline transportation was obtained.The pipe conveying resistance loss per unit length was a function of the pipe diameter，the shear rate and the time of the slurry transportation.The analysis results could provide technical parameters and basis for design of filling system.

high concentration cemented filling，filling slurry，rheological property

TD823.7

A

?“十一五”國家科技支撐計劃資助項目（2011BAB48B02），中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2014QZ03）

陳磊（1982-），男，安徽太和人，講師，中國礦業大學（北京）在讀博士研究生，主要研究方向為煤礦充填開采、礦山壓力與巖層控制。