新型膠凝材料全尾砂漿流變特性探析

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1、新型膠凝材料全尾砂漿流變特性探析　　摘要：膠結(jié)充填采礦的料漿制備是將礦山尾砂或者加工后的惰性材料加入適量的膠凝材料，按適當(dāng)?shù)乃氨然旌?，攪拌均勻后通過管道等向采空區(qū)輸送，然后在采空區(qū)堆放并使?jié){體脫去多余的水，形成可以達(dá)到一定工業(yè)強(qiáng)度要求的充填體。本文針對(duì)石人溝鐵礦尾砂的物理特性與化學(xué)特性開展研究，并對(duì)新型膠凝材料對(duì)全尾砂漿的流動(dòng)性的影響進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)，為優(yōu)化充填料漿配比和管道輸送參數(shù)奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：采礦工程；新型膠結(jié)材料；全尾砂漿；流變特性中圖分類號(hào)：X752文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言7礦山膠結(jié)充填過程中充填物料的成本占采礦成本的1/3~1//2，而膠結(jié)材料是充填采礦成本的重要組成部分。全尾砂

2、充填采礦過程中，采用“高水速凝固化材料”作為膠凝材料，選用礦山選廠的分級(jí)尾砂作為惰性材料，配置成充填料漿。在滿足回填充填體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，如何開發(fā)低成本、高強(qiáng)度的新型膠結(jié)材料以及提高料漿輸送濃度成為研究新型膠凝材料的關(guān)鍵[1]。本文針對(duì)膠結(jié)充填采礦中所涉及的六要素、五參數(shù)和四目標(biāo)，開展了石人溝鐵礦充填法采礦技術(shù)項(xiàng)目的研究工作：首先，以高謙老師的開發(fā)出以水淬渣為主要原料的新型膠凝材料作為膠凝材料；然后，進(jìn)行了全尾砂充填物料的物化性質(zhì)分析和顆粒級(jí)配研究；第三，針對(duì)新型膠凝材料的全尾砂高濃度充填技術(shù)，進(jìn)行全尾砂料漿流變特性測(cè)試，揭示料漿輸送特性、充填體強(qiáng)度與料漿濃度、膠砂比的關(guān)系，從而為充填料漿優(yōu)

3、化配比奠定基礎(chǔ)。2試驗(yàn)研究方法2.1流變參數(shù)測(cè)試涉及的內(nèi)容在充填采礦技術(shù)中高濃度結(jié)構(gòu)流的輸送性能與流變特性對(duì)于系統(tǒng)與技術(shù)的成功應(yīng)用非常重要，充填料漿的流變參數(shù)主要包括初始切應(yīng)力和塑性黏度，這兩項(xiàng)指標(biāo)是衡量料漿輸送性能的重要指標(biāo)[2]。對(duì)充填料漿進(jìn)行黏度實(shí)驗(yàn)是為了是用流變參數(shù)去考察充填料漿輸送的水力坡度，確定沿程摩阻損失的計(jì)算方法，這些內(nèi)容可以通過對(duì)膏體充填料漿的輸送性能進(jìn)行的試驗(yàn)來獲得[3]。黏度是指在流動(dòng)過程中管壁對(duì)流體的阻抗能力。黏度主要包括動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度，本次試驗(yàn)所測(cè)的黏度為動(dòng)力黏度。動(dòng)力黏度是液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，以Pa·s為單位。本試驗(yàn)采用R/S

4、+SST軟固體流變儀，使用Rheo30001.0(2007）軟件進(jìn)行測(cè)定。2.2高濃度砂漿的臨界流態(tài)2.2.1高濃度全尾砂漿的流態(tài)特性7全尾砂具備均質(zhì)流態(tài)的基本條件，即含有一定量的細(xì)小粒狀尾砂。當(dāng)充填過程中的全尾砂漿濃度達(dá)到一定限度時(shí)，砂漿中的細(xì)粒尾砂就會(huì)形成維持固體顆粒懸浮而不發(fā)生沉降的絮網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4]。當(dāng)形成絮網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，高濃度就是兩相流從非均質(zhì)流態(tài)向均質(zhì)流態(tài)過渡的起始濃度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的砂漿濃度即為臨界流態(tài)濃度或簡(jiǎn)稱為臨界濃度。由于該濃度是全尾砂漿呈現(xiàn)均質(zhì)流態(tài)的最低濃度，因此也稱為高濃度的下限濃度。可見，全尾砂漿的砂漿均質(zhì)和非均質(zhì)流態(tài)的分界濃度即為臨界濃度或下限濃度[5]。也就是說，高濃

5、度全尾砂漿是膠結(jié)充填料漿的流態(tài)從一般的兩相流的非均質(zhì)流態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗凭|(zhì)非牛頓流，高濃度就是指大于臨界濃度的料漿濃度。2.2.2高濃度料漿的起始濃度試驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)中主要采用砂漿的泌水率試驗(yàn)確定高濃度料漿的起始濃度。7將配制出不同濃度的料漿放置在量筒中，靜止一段時(shí)間后，測(cè)定料漿的泌水率，料漿的泌水率達(dá)到最小時(shí)的料漿濃度即為臨界濃度。由于不同礦山的全尾砂顆粒粒徑與細(xì)砂含量不盡相同，因此，相應(yīng)的高濃度漿體的起始濃度或臨界濃度也不盡相同。因此，需要通過大量的試驗(yàn)加以確定。根據(jù)前人研究，對(duì)于含有粗骨料的充填料漿的臨界流態(tài)濃度變化區(qū)域在76%～78%之間，而全尾砂充填料漿的臨界濃度一般在68%~70%的范圍

6、內(nèi)[6]。需要指出的是，對(duì)于添加膠凝材料的全尾砂漿，膠凝材料與膠砂比對(duì)全尾砂漿的高濃度臨界值產(chǎn)生影響。因此，需要采用膠凝材料和選定的膠砂比進(jìn)行試驗(yàn)，由此確定高濃度充填砂漿的臨界濃度以及上限濃度。2.3流變特性參數(shù)的測(cè)試方法配制1000ml砂漿，用標(biāo)準(zhǔn)砂漿稠度儀檢測(cè)砂漿的稠度，采用R/S+SST軟固體流變儀檢測(cè)砂漿的流變參數(shù)，流變參數(shù)檢測(cè)程序設(shè)置如下：（1）轉(zhuǎn)子選擇：30/15槳式轉(zhuǎn)子；（2）轉(zhuǎn)速設(shè)置：初始值30rpm，終了值120rpm；（3）檢測(cè)頻率：4.8秒；（4）檢測(cè)次數(shù)：50次。2.4流變測(cè)試中的剪切速率采用R/S流變儀檢測(cè)砂漿的流變參數(shù)，確定剪切速率的范圍極其重要。對(duì)于特定的輸送

7、管道，剪切速率與管道的平均速率相關(guān)。因此，根據(jù)礦山充填充填系統(tǒng)能力要求，合理選擇管徑和流速，由此根據(jù)來確定剪切速率的合理范圍。根據(jù)礦山充填系統(tǒng)單套充填能力和采用的管徑，確定剪切速率的范圍100Pa·s。7流變特性參數(shù)的測(cè)試主要在本學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，所選用的充填材料為石人溝的尾砂，制備兩種不同膠結(jié)材料（新型膠凝材料和水泥）的全尾砂料漿進(jìn)行試驗(yàn)，料漿濃度：66％、68%、70%、72%，膠砂比（膠結(jié)材料：尾砂）：1：8、1