高浓度全尾砂充填料浆流变特性试验研究

侯国权，郭利杰，杨 超，许文远

（北京矿冶研究总院，北京100160）

某硫金矿山经过长年开采，截至目前已形成超过130万m3的采空区。大量采空区的存在，破坏了岩体的原岩应力平衡，成为影响矿山安全生产及矿区人员财产安全最主要的危险源。而且充填料来源困难，所以采用全尾砂充填处理空区，不仅可以消除空区的安全隐患，还可以避免地表尾矿库的建设。

在全尾砂充填实践中，充填料浆管道的输送能力管道阻力以及输送过程的安全与可靠性取决于料浆浓度和灰砂比以及胶结材料性质。针对全尾砂充填料浆开展流变特性研究是决定其能否进行管道输送及其输送的难易程度的重要指标，流动性越好越易于实现管道自流输送，反之则难于实现管道自流输送［1－4］。

1 尾砂基本性质研究

粒级组成分析用于测定尾砂颗粒组成尺寸及含量，尾砂的粒度分布情况决定着充填工艺的全过程，对造浆、输送和充填体质量影响都很大。本文利用马尔文激光粒度测试仪测试全尾砂粒级组成，测试分析结果见表1，图1为全尾砂粒级组成曲线。

图1 全尾砂粒度分布曲线

通过测试得出全尾砂的主要粒径参数为：d10为7.621μm，d50为120.317μm，d90为385.855μm，不均匀系数α＝20.89（α＝d60/d10，d10、d60分别是累计含量为10%、60%颗粒能够通过的筛孔直径）。试验结果表明，全尾砂细泥含量较低，大于74μm的尾砂量为63.80%，粗细颗粒搭配不均匀。

表1 全尾砂激光粒度分析汇总结果

根据国内外充填的经验，当充填料固体物料中－25μm颗粒含量高于25%时，该种充填料才可能成为稳定性较好具有一定输送性的结构流充填料浆。根 据 粒 度 分 析，全 尾 砂－25μm含 量 为19.33%，水泥－25μm含量一般认为在80%以上，通过合理的配比，可以实现高浓度充填。

2 全尾砂充填料浆扩散度试验

测定扩散度主要是为了掌握充填料浆流动性，评定粘聚性和保水性。本试验采用目前较通用的“坍落筒法”，它的试验设备、方法简单，试验数据一定程度上也能够反映料浆的流动特性。试验方法见图2。

图2 充填料浆扩散度试验过程

通过试验测定全尾砂扩散度试验结果见表2。通过扩散度试验结果可以看出，随着充填料浆浓度的增加，其流动性越差。全尾砂充填料浆浓度在74%以下时流动性较好，76%时流动性差。

3 全尾砂充填料浆流变试验

3.1 流体模型

流变模型是流体在载荷下，其切变率和切应力的关系。根据不同的流变性能，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。

表2 全尾砂充填料浆扩散度试验数据/cm

3.1.1 牛顿流体

牛顿流体的剪切应力与速度梯度呈线性关系，用公式表示为：τ＝μ（dvx/dy）＝μγ，式中的比例系数μ反映了流体内摩擦力的大小，称为流体的动力粘性系数。

3.1.2 非牛顿流体

对于非牛顿型流体，人们提出了几个描述内摩擦特性的流变方程模型，譬如Ostwald—dewaele幂律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham模型等。

1）幂律模型认为，非牛顿型流体的黏度函数是速度梯度或剪切速率绝对值的一个指数函数，其表达式为：η＝K（dvx/dy）n＝Kγn－1，式中，K为稠度系数（Pa·sn）；n为流体特性指数，无因次，表示与牛顿流体偏离的程度。工业上80%以上的非牛顿流体均可用此模型计算。

2）Bingham流体，即塑性流体是指当剪切应力大于屈服应力时，浆体才能发生流动，具有塑性液体性质；当剪切应力小于屈服应力时，浆体没有流动性，表现为固体。其表达式为：τ＝τ0＋ηplγ，式中τ0代表屈服应力（Pa）；ηpl代表塑性黏度系数（Pa·s）。塑性黏度ηpl是浆体内部结构阻碍流动的一种性能，反映了浆体体系的变形速率。当剪切应力高于屈服应力时，浆体流动同时它的流动阻力由塑性黏度决定。这两个流变参数值的变化主要受浆体的组成和浆体体系内的颗粒性质的影响。

3）赫 切尔－巴尔克（Hereshel－Bulkley或H－B）流体是指当剪切应力τ超过临界值τ0后才开始流动，并且剪切速率随（τ－τ0）成幂律增加的流体［5－7］。

3.2 试验方法

本试验采用美国Brookfield公司的新型流变仪，使用桨式转子测定不同条件下料浆的流变性能。流变仪由低速档开始，逐渐增大，运行120s，每秒记录一个读数。根据统计软件RHE03000显示的数值作出流变曲线并进行拟合，最终得到流变模型及相应的流变参数。

3.3 流变实验结果分析

对不同浓度和不同灰砂比全尾砂充填料浆的（浓度范围70%、72%、74%，灰砂比1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20）流变特性进行测试，结果见表3，相应的剪切应力和剪切速率关系曲线见图3～5。

表3 试验全尾砂充填料浆流变方程模型

图3 灰砂比1∶4全尾砂浆关系曲线

图4 灰砂比1∶8全尾砂浆关系曲线

从表3和图3～5可知，不同灰砂比全尾砂料浆流变特性关系曲线中可以看出，不同灰砂比的全尾砂充填料浆，剪切屈服应力和黏度系数随着剪切速率的增加而增大。随着料浆浓度增大，剪切屈服应力增大。当全尾砂充填料浆浓度达到74%时，浆体流动所需要克服的剪切应力成指数增长，比浓度为72%时的数值大2～3倍，说明全尾砂充填料浆的上限浓度为74%。

图5 灰砂比1∶15全尾砂浆关系曲线

4 结论

1）通过对全尾砂不同浓度料浆的扩散度试验可知，全尾砂充填料浆浓度在74%以下时流动性较好，76%时自流困难。

2）根据流变试验结果可知，全尾砂料浆浓度在70%～74%之间时，其料浆属于Bingham流体。试验结果表明，其主要流变参数τ0，在砂灰比一定的条件下，随着料浆浓度增大而增大，其中，在料浆浓度由72%提高到74%时，τ0提高了2～3倍，说明浓度为74%时为料浆输送阻力极具增大的突变点，即浓度大于74%时，料浆输送困难，这一点与扩散度试验结论相一致。

［1］ 周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京：冶金工业出版社，2007：1－15.

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