分析細(xì)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(tuán)山東富全礦業(yè)有限公司采運(yùn)車間，山東濟(jì)寧 272516

為了確保礦山生產(chǎn)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(qū)，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(huán)境的影響。隨著充填采礦法的應(yīng)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(guān)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(guī)律，這樣才能對危險情況進(jìn)行預(yù)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(xì)粒尾礦作為充填骨料，然后通過一定的試驗(yàn)，得出了在充填料漿不同的濃度下相應(yīng)塌落度、流變速度及流變參數(shù)等的變化規(guī)律，從而對其具體的充填能力進(jìn)行了系統(tǒng)化的研究與分析。

1 試驗(yàn)研究材料

我公司鐵礦石尾礦，發(fā)現(xiàn)其尾礦礦粒主要以微細(xì)粒為主，其表觀密度為3.08t/m3；經(jīng)過了一定的測定之后，發(fā)現(xiàn)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(xì)粒達(dá)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(yàn)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(guān)規(guī)范進(jìn)行。

當(dāng)開始塌落度的測量試驗(yàn)時，首先要對充填料漿進(jìn)行均勻攪拌，然后將這些料漿裝入桶內(nèi)（裝入時必須按照標(biāo)準(zhǔn)《（GB/T50080）普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(kuò)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(yàn)

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(yàn)（傾斜管道試驗(yàn)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(yàn)中，傾斜管道采用的是一種有機(jī)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(shè)置為高度差0.85m左右。和前一個試驗(yàn)一樣，要用攪拌桶對預(yù)先設(shè)計的不同濃度的充填物料進(jìn)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(xiàn)一種均勻狀態(tài)后，便可以測定料漿的流動速度。

2.3 料漿流變參數(shù)的測量

對于料漿流變參數(shù)的測量而言，應(yīng)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(yīng)的攪拌機(jī)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(guān)的測量容器中，并采用旋轉(zhuǎn)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(guān)的屈服應(yīng)力。對于試驗(yàn)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(guān)的流變參數(shù)。

3 試驗(yàn)的結(jié)果及討論

3.1 不同濃度的料漿塌落度結(jié)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(yàn)中所得結(jié)果表明，塌落度會逐漸減小，當(dāng)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(shí)際的輸送要求；但是，當(dāng)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(dāng)尾礦濃度在63%左右時，具有流動性變差劇烈的特性?；诖耍瑸榱吮Ｕ铣涮盍蠞{保持一個良好的流動性，便相應(yīng)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(jié)果

本文以充填料漿濃度在61.4%～68.1%為例，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，料漿濃度在63.3%的時候?yàn)檗D(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是說在大于63.3%的時候料漿的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)中的料漿臨界濃度。

3.3 不同濃度的料漿流變參數(shù)測量結(jié)果

本文以充填料漿濃度在53.5%～65.7%為例，通過現(xiàn)場的實(shí)際試驗(yàn)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(xiàn)出一種增加的趨勢。當(dāng)充填料漿濃度大于了58.4%之后，粘度呈現(xiàn)出的增速更快，而屈服應(yīng)力增速的臨界點(diǎn)則為充填料漿濃度63.3%的時候?？偟膩碚f，當(dāng)屈服應(yīng)力與粘度太大，則會相應(yīng)地增加在管道中的流動阻力，從而降低流速，這不僅會導(dǎo)致實(shí)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(dāng)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(shí)際流速高于此臨界點(diǎn)，則會導(dǎo)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(jié)出了在實(shí)際的應(yīng)用中，盡量選擇流速在臨界點(diǎn)之下。

3.4.2 理論結(jié)果計算

根據(jù)相關(guān)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(guān)數(shù)據(jù)，便可以測出具體的充填能力。具體來講，與充填能力有關(guān)的因素主要有：料漿水力坡度、料漿屈服應(yīng)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(jù)以上的相關(guān)計算及分析，我們可以得到以下幾個方面的結(jié)論：

1）對于同一管徑而言，當(dāng)料漿的濃度增加，充填料漿的流量與流速都呈現(xiàn)出一種減小的趨勢，而根據(jù)相關(guān)的臨界流速需求，則需要對每一個管徑設(shè)置相關(guān)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(yīng)為53.5%、60.9%、63.3%。

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

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)，可以測出不同充填料漿濃度下的塌落度、料漿流變參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)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(xì)粒尾礦充填料漿的流變性及充填能力進(jìn)行研究，對于采礦事業(yè)有著非常重大的意義，這是采礦行業(yè)必須長期探索與研究的課題。

[1]呂憲俊,金子橋,胡術(shù)剛等.細(xì)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(shù)剛,金子橋，等.細(xì)粒尾礦充填料漿的流變特性及輸送工藝參數(shù)研究[D].第五屆中國充填采礦技術(shù)與裝備大會論文集，2011：92-95.