泵送减水剂对尾砂－棒磨砂膏体料浆和易性与充填体强度影响研究

杨志强，王永前，高 谦，陈得信，姚维信

(1．北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083;2．金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100)

0 引言

膏体或高浓度料浆充填能够显著提高充填体强度，降低胶凝材料用量，减少采场脱水和改善采场作业环境，是国内外充填采矿技术发展的趋势．然而，相对于低浓度充填料浆自流输送，膏体充填存在料浆制备难度大、材料配比控制要求精度高和管道输送阻力大等问题，堵管和爆管的风险大、频率高．改善膏体充填料浆的和易性，是实现泵送膏体充填的关键技术之一，也是泵送膏体充填技术最重要的研究课题之一．

膏体和易性反映料浆的工作性能，通常采用流动性、粘聚性和保水性三个指标来评价［1］．影响膏体和易性的主要因素包括充填骨料的级配与物化特性、胶凝材料种类与特性、胶砂比、料浆浓度以及外加剂等［2］．王洪江等［3］针对全尾砂－水淬渣膏状物料，提出了采用流动度和分层度来评判全尾砂细石膏状物料可泵性指标，开展了充填骨料级配、胶砂比、水胶比、外加剂以及料浆搅拌活化等对膏体和易性影响研究．薛丽皎等［4］研究认为，料浆塌落度小、混凝土含砂率低和料浆离析等是造成管道堵塞的主要因素，提高泵送设备和改善料浆和易性可以减少管道堵塞事故．目前，针对混凝土拌合物进行了减水剂和粉煤灰对料浆的和易性研究［5–8］．姚志全等针对似膏体开展了减水剂合理添加量的试验研究［9］．马静和魏微等分别针对全尾砂充填料开展了料浆和易性的试验研究，揭示了充填料粒级级配以及胶凝材料的和易性与外加剂的关系与最佳掺量［10–11］．无论是混凝土拌合物还是尾砂膏体，引气剂所形成的加气混凝土或泡沫砂浆能够显著提高料浆和易性．阎坤等开展了含气量对普通预拌砂浆性能的影响研究［12］．翟淑花和陈忠平等在金川矿山开展了泡沫砂浆的工业试验研究，已经取得了较好成果［13–14］．李茂辉等针对新型充填胶凝材料，开展了泡沫剂对充填体强度和流变特性的试验研究［15］．由此可见，充填骨料的组成以及粒级级配的不同，充填料浆的和易性存在较大差异．目前我国采用膏体充填技术的矿山仅限于会泽铅锌矿和金川二矿．前者采用尾砂－水淬渣混合充填料，而后者采用尾砂－棒磨砂充填料．因此，对尾砂－棒磨砂充填料的膏体和易性研究在国内外研究并不多见．

金川二矿区膏体充填输送管路有φ159 mm、φ133 mm和φ108 mm三种管径．管道长度1 700～2 700 m，管道阻力损失达到5～8 MPa．膏体充填系统由地表一台KSP140－HDR液压泵实施泵压输送．由于充填管路距离不同和膏体浓度在76%～80%范围内波动，导致泵压波动较大．当浓度较高时泵压随之增高．由于管路接头是中压接头，承压能力仅为3～4 MPa，当管路阻力损失大于5 MPa，容易造成输送管路接头部位泄漏和采场塑料管爆管．为此，金川二矿首先进行充填管路系统优化调整，统一了1 350 m中段的输送管径，扩大了管道钻孔处上、下弯管的角度，从而大幅度降低了管路系统的输送阻力．在此基础上，根据膏体充填系统的实际运行参数，采用78% ～80%的膏体浓度、1∶1的分级尾砂与棒磨砂配比的充填料，分别添加300和100 kg·m－3的水泥和粉煤灰，按水泥质量的1% ～3%添加泵送减水剂，进行了尾砂膏体料浆的和易性和充填体强度试验，由此揭示了泵送减水剂对充填体强度、膏体和易性以及流变特性的影响，确定了满足金川矿山充填技术指标的泵送减水剂合理添加量．

1 试验材料的物化特性分析

试验采用的分级尾砂、棒磨砂、水泥和粉煤灰等材料从金川二矿区的充填工区现场选取，采用JKJNF高效泵送减水剂进行试验．充填材料的物化特性见表1．棒磨砂和分级尾砂的粒径分布曲线见图1和图2．

表1 金川矿山充填材料物化特性参数Tab．1 The physical and chemical characteristic parameters of filling materials in Jinchuan mine

图1 金川矿山棒磨砂充填料粒径分布曲线Fig．1 Distribution curve of particle diameter for rod mill sand

图2 金川矿山分级尾砂充填料粒径分布曲线Fig．2 Distribution curve of particle diameter for classification tailling

2 泵送减水剂对膏体料浆的充填体强度影响研究

表2给出了膏体添加不同泵送减水剂对其充填体强度影响的试验结果，图3显示了膏体充填形成的充填体抗压强度(p)与泵送减水剂添加量的关系曲线．由此可见，当泵送减水剂添加量达到水泥质量的1%和2%时，3、7和28 d充填体强度分别提高了6．25% ～40%、8．1% ～62%和3．6% ～45%．当泵送减水剂添加量增加到3%时，28 d充填体强度反而降低了8%～19%．显然，泵送减水剂的合理添加量为水泥质量的1% ～2%，相应充填体3d、7和28 d强度满足金川矿山充填技术标准，即R3≥1．5 MPa，R7≥2．5 MPa，R28≥5．0 MPa．

表2 添加泵送减水剂对其充填体强度试验结果Tab．2 The test results of the filling body strength adding water reducing agent in slurry

图3 膏体充填体强度与泵送减水剂添加量的关系曲线Fig．3 The relation curves between the strength of filling body and the adding amount of water reducing agent for different Paste concentration

3 泵送减水剂对尾砂膏体和易性影响

表3给出了不同减水剂添加量的膏体和易性的试验结果．图4显示了膏体的流动度、坍落度和扩散度与泵送减水剂添加量之间的关系曲线，由此获得以下几点结果:

1)膏体流动度随泵送减水剂添加量的增加而提高，膏体浓度越高，膏体流动度提高的幅度越大．当膏体浓度为78%～80%时，膏体流动度与泵送减水剂添加量呈线性增加关系;当浓度提高到81%时，膏体流动度在泵送减水剂添加量小于2%时呈线性增加;在大于2%时趋近于渐近线．当膏体浓度提高到82%时，泵送减水剂添加量大于2%时流动度趋于定值．浓度为78%～82%时，添加1%的泵送减水剂提高膏体的流动度达到1．65%～14．45%;添加2%的泵送减水剂提高4．96%～36．4%，添加3%的泵送减水剂提高8．26%～38．55%．

2)添加泵送减水剂显著提高膏体的坍落度．泵送减水剂对膏体塌落度的影响规律类似于膏体流动度．当膏体添加1%、2%和3%的泵送减水剂，膏体塌落度分别提高5．3%～40%、16．3%～135%和18．4%～150%．

3)添加1%的泵送减水剂相当于降低1°后膏体浓度的流动度和坍落度．可见，添加1%～3%的泵送减水剂可将膏体浓度提高1°～3°．由于增加泵送减水剂添加量提高了充填采矿成本，因此在满足膏体流动度要求的前提下，确定泵送减水剂的添加量应不小于1%．

表3 不同泵送减水剂添加量的充填料浆和易性试验结果Tab．3 The test results of slurry workability adding pumping water－reducing agent

图4 膏体的流动度、塌落度和扩散度与泵送减水剂添加量的关系曲线Fig．4 The relation curves between the fluidity，slump and diffusance vs the adding amount of water reducing agent in slurry respectively

4 泵送减水剂对膏体料浆流变特性影响研究

采用美国BROOKFIELD公司生产的R/Splus流变仪进行试验，转子型号选择V30－15，转子的转速选择30～60 r·min－1的变化范围，在28℃的室内温度条件下，按照3 s步长测试膏体的流变参数，获得的试验结果见表4．图5分别显示了膏体初始剪切应力和初始黏度系数与泵送减水剂添加量的关系曲线．

由此可见，膏体初始剪切应力和初始粘度系数均随泵送减水剂添加量的增加而逐渐减小．当膏体浓度为78%和79%时，随着泵送减水剂添加量的增加，膏体的流变参数呈线性减小;当膏体浓度提高到80%时，膏体的流变参数呈指数下降趋势．由此可见，膏体浓度越高，添加泵送减水剂对膏体管道输送的减阻效果越显著．当膏体浓度为80%时，添加1%的泵送减水剂对膏体的减阻效果可以满足管道输送要求．

表4 添加泵送减水剂的膏体流变参数试验结果Tab．4 Test results the rheological parameters of slurry to add water reducer

图5 膏体初始剪切应力和黏度系数与泵送减水剂添加量的关系曲线Fig．5 The relation curves between the initial shear stress and viscosity coefficient vs adding amount of water reducer respectively

5 结论

金川矿山膏体充填系统是我国第一座膏体充填采矿矿山．针对尾砂膏体充填技术存在的堵管和爆管事故等问题，开展了膏体添加泵送减水剂试验．通过对充填体强度、工作特性以及流变特性试验数据的综合分析，获得以下结论:

1)当泵送减水剂添加量为水泥质量的1%～2%，3、7和28 d充填体强度分别提高了6．25%～40．0%、8．1%～62．0%和3．6%～45．0%．当泵送减水增加到3%，充填体强度均随之降低．可见，1%～2%的添加量是影响充填体强度的合理添加量;

2)膏体和易性随泵送减水剂添加量的增加而提高，且膏体浓度越高，提高幅度越大．当膏体浓度在78%～80%的范围，膏体和易性与泵送减水剂添加量呈线性增长关系．综合考虑充填采矿成本以及膏体流动度，确定膏体泵送减水剂的添加量不小于1%;

3)膏体的初始剪切应力和粘度系数均随泵送减水剂添加量的增加而逐渐减小．当膏体浓度在78%～80%的范围，添加1%的泵送减水剂的减阻效果能够满足膏体料浆的输送要求;

4)综合泵送减水剂对充填体强度、膏体和易性以及流变特性的影响分析，并考虑膏体充填采矿成本和经济效益，确定1%的膏体泵送减水剂的添加量对金川矿山膏体充填较为合理．