武山銅礦全尾砂膏體流變特性試驗(yàn)研究

羅龍波，保文俊，劉殿華

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

充填采礦法因兼具控制地壓和提高礦石回收率的特點(diǎn)，特別是尾砂充填采礦法具有 “一廢治兩害”的功能，在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1-2］。膏體充填具有不離析、不脫水、充填體質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，代表著礦山充填技術(shù)的發(fā)展方向，被譽(yù)為21 世紀(jì)綠色開采新技術(shù)［3-4］。膏體的流變特性是膏體管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是確保膏體安全、可靠輸送的關(guān)鍵［5-7］。本文通過(guò)開展坍落度、流變參數(shù)測(cè)試等試驗(yàn)研究某銅礦全尾砂膏體的流變特性，分析質(zhì)量濃度、灰砂比因素對(duì)膏體流變特性的影響，并根據(jù)膏體流變參數(shù)與管道輸送阻力的數(shù)學(xué)模型確定管道輸送參數(shù)，為礦山充填提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用全尾砂取自礦山選礦車間，膠凝材料為P.O 42.5 級(jí)水泥，實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）開展全尾砂的含水率、相對(duì)密度、自然堆積密度、孔隙率、滲透系數(shù)等物理性能指標(biāo)測(cè)試［8］，結(jié)果見表1。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP）、EDTA 滴定法、電位法等測(cè)試全尾砂的化學(xué)成分，測(cè)試結(jié)果見圖1。

表1 全尾砂（風(fēng)干）的物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖1 全尾砂的化學(xué)成分組成

采用Winner 2000 激光粒度分析儀測(cè)試全尾砂的粒徑分布，結(jié)果見圖2。其中-200 目（≤0.074mm）尾砂顆粒占比66.49%，-400 目（≤0.037mm）尾砂顆粒占比40.93%，尾砂的不均勻系數(shù)Cu 和曲率系數(shù)Cc 分別為14.56 和2.53，屬于級(jí)配連續(xù)不均勻的全尾砂。

圖2 全尾砂的顆粒粒徑分布曲線

2.2 試驗(yàn)方案

采用全面試驗(yàn)法，配置重量濃度為70%、72%、74%、76%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的充填料漿，分別測(cè)試其坍落度、稠度、分層度和流變參數(shù)。坍落度測(cè)試按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行［9］，稠度和分層度按照J(rèn)GJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行［10］。采用美國(guó)Brookfield R/S 流變儀測(cè)試充填料漿的流變參數(shù)，該流變儀采用十字形轉(zhuǎn)子，對(duì)樣品的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞較小，有效地克服了圓柱面的滑移效應(yīng)，提高了測(cè)量的精度，如圖3 所示。

圖3 Brookfield R/S 流變儀

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 坍落度測(cè)試

圖4（a）為不同配比充填料漿的坍落度測(cè)試結(jié)果。由圖4（a）可知，相同重量濃度下，灰砂比對(duì)充填料漿的坍落度有一定的影響，灰砂比的增加導(dǎo)致坍落度的減小，且隨濃度的增高，灰砂比對(duì)坍落度的影響越明顯，當(dāng)濃度為76%時(shí)，灰砂比1∶4和1∶10 充填料漿坍落度差值為5.22cm。相同灰砂比下，充填料漿的坍落度隨重量濃度的增加而減小，當(dāng)濃度超過(guò)74%時(shí)，坍落度急驟下降，當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí)，濃度74%和76%充填料漿的坍落度差值為5.15cm。膏體的坍落度范圍是15～25cm，重量濃度為76%不同灰砂比的充填料漿達(dá)到膏體，但流動(dòng)性較差，73%～75%之間存在流動(dòng)性分界點(diǎn)。

圖4 充填料漿坍落度測(cè)試

3.2 稠度和分層度測(cè)試

圖5（a）和（b）分別為充填料漿稠度和分層度測(cè)試結(jié)果。由圖5（a）可知，相同濃度下，灰砂比對(duì)充填料漿的稠度影響不明顯，當(dāng)濃度為76%時(shí)，隨灰砂比的增加料漿的稠度有一定的降低。相同灰砂比下，稠度隨料漿濃度的增加而降低，當(dāng)濃度超過(guò)74%時(shí)，稠度急驟下降，當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí)，濃度74%和76%充填料漿的稠度差值為3.35cm。重量濃度70%～74%的范圍內(nèi)，料漿的稠度均大于10cm，即流動(dòng)性較好，而質(zhì)量濃度為76%的料漿流動(dòng)性較差。

由圖5（b）可知，相同濃度下，灰砂比對(duì)充填料漿的分層度地影響無(wú)規(guī)律性。相同灰砂比下，分層度隨料漿濃度的增加而降低。膏體要求料漿的分層度小于2cm，試驗(yàn)配比下各組料漿的分層度均小于2cm，則表明各組料漿均比較穩(wěn)定，能夠滿足管道輸送，不易沉降而發(fā)生堵管事故。

圖5 充填料漿稠度和分層度測(cè)試結(jié)果

3.3 流變參數(shù)測(cè)試

圖6（a）和（b）為充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)測(cè)試結(jié)果。由圖6（a）可知，相同濃度下，灰砂比對(duì)充填料漿的屈服應(yīng)力有一定的影響，灰砂比的增加導(dǎo)致屈服應(yīng)力的增加，當(dāng)濃度為76%時(shí)，灰砂比1∶4 和1∶10 料漿的屈服應(yīng)力差值為110.7Pa。相同灰砂比下，充填料漿的屈服應(yīng)力隨濃度的增加而增大，當(dāng)濃度超過(guò)74%時(shí)，料漿的屈服應(yīng)力急劇增加，這與坍落度、稠度測(cè)試結(jié)果相一致。通常認(rèn)為膏體的屈服應(yīng)力為200±25Pa，但膏體的流動(dòng)性差，不易于輸送，一般采用略小于膏體重量濃度的料漿進(jìn)行管道輸送，因此推薦充填料漿的濃度為72%～74%，采用高濃度充填時(shí)，在保證強(qiáng)度條件下可降低灰砂比以提高料漿的流動(dòng)性。

圖6 充填料漿的流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖6（b）可知，充填料漿的黏度系數(shù)與重量濃度和灰砂比無(wú)較明顯的規(guī)律，當(dāng)濃度為76%，灰砂比為1∶10 時(shí)，料漿的黏度系數(shù)最大為0.3764Pa·s。

4 管道輸送性能分析

充填料漿由固體顆粒與水構(gòu)成，是一種典型的兩相流。膏體充填時(shí)漿體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流特性，依靠砂漿前后形成的流體壓差推動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，只要充填料漿輸送速度大于臨界流速，充填就不易發(fā)生堵管現(xiàn)象，從而保證充填系統(tǒng)正常。根據(jù)充填料漿特性，其臨界流速可由下式（1）估算［11-12］：

式中：Fl為與粒徑、濃度等有關(guān)的速度系數(shù)，根據(jù)充填料中值粒徑，查圖得Fl≈1.14；DI為管道內(nèi)徑；g 為重力加速度；γm為混合料密度；γ1為輸送載體（水和100μm 以下細(xì)顆粒）密度。

輸送載體的密度γ1由下式（2）計(jì)算：

式中：G100為粒徑小于100μm 的混合料質(zhì)量，Gw為水的質(zhì)量，Q100為粒徑小于100μm 的混合料體積，Qw為水的體積。

膏體充填料漿流態(tài)屬于賓漢姆（Bingham）體，根據(jù)白金漢（Buckingham）方程可得膏體料漿的沿程阻力損失計(jì)算公式［13-14］：

表2 不同充填流量和配比下膏體料漿的臨界流速和沿程阻力損失計(jì)算結(jié)果

式中：jm為管流沿程阻力損失，Pa/m；τ0為料漿初始屈服應(yīng)力，Pa；D 為輸送管道內(nèi)徑，m；v 為輸送管內(nèi)料漿平均流速，m/s；η 為料漿黏度系數(shù)，Pa·s。

根據(jù)礦山充填設(shè)計(jì)，膏體料漿輸送管道采用φ190×11 mm 的無(wú)縫鋼管，結(jié)合膏體料漿流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算不同充填流量和配比下膏體料漿的臨界流速和沿程阻力損失，結(jié)果見表2。

相同管徑下，充填料漿的臨界流速隨濃度和灰砂比的增加而減小，沿程阻力損失隨充填流量和灰砂比的增加而增大。礦山充填流量為100m3/h、120m3/h、150m3/h 和180m3/h 的輸送管內(nèi)平均流速

分別1.25m/s、1.50m/s、1.88 m/s 和2.26 m/s。膏體充填料漿管道輸送需選擇合適的流速，當(dāng)流速過(guò)高時(shí)，其輸送阻力及管道磨損較為嚴(yán)重，當(dāng)流速過(guò)低時(shí)，易出現(xiàn)堵管事故。根據(jù)推薦的膏體充填料漿重量濃度為72%～74%，由表2 可知，該濃度范圍內(nèi)膏體料漿的臨界流速最大為1.69m/s。因此，推薦礦山充填流量控制在150 m3/h 左右，最大沿程阻力損失為3.53kPa/m。

5 結(jié)論

（1）充填料漿的坍落度隨灰砂比和重量濃度的增加而減小，料漿的濃度越高，灰砂比對(duì)坍落度的影響越大。重量濃度顯著影響料漿的坍落度，當(dāng)濃度超過(guò)74%時(shí)，充填料漿的坍落度急驟下降，73%～75%之間存在流動(dòng)性分界點(diǎn)。重量濃度為76%充填料漿的坍落度在20.4～25.62cm 范圍內(nèi)，已達(dá)到膏體，但流動(dòng)性差。

（2）充填料漿的稠度和分層度均隨重量濃度的增加而減小，灰砂比對(duì)其影響不明顯。在重量濃度72%～74%范圍內(nèi)，料漿稠度均大于10cm，料漿流動(dòng)性好。濃度70%～76%范圍內(nèi)充填料漿的分層度均小于2cm，料漿穩(wěn)定性好，不易沉降而發(fā)生堵管事故。

（3）充填料漿的屈服應(yīng)力隨灰砂比和重量濃度的增加而增大，料漿的濃度越高，灰砂比對(duì)屈服應(yīng)力的影響越明顯，當(dāng)濃度超過(guò)74%時(shí)，料漿的屈服應(yīng)力急劇增加，與坍落度、稠度測(cè)試結(jié)果相一致。推薦充填料漿的重量濃度為72%～74%。

（4）充填料漿的臨界流速隨濃度和灰砂比的增加而減小，沿程阻力損失隨充填流量和灰砂比的增加而增大。通過(guò)分析重量濃度為72%～74%充填料漿的臨界流速，推薦充填流量控制在150 m3/h 左右，最大沿程阻力損失為3.53kPa/m。