泵送剂改善膏体流变性能试验及机理分析

吴爱祥，艾纯明，王贻明，杨锡祥，周发陆



泵送剂改善膏体流变性能试验及机理分析

吴爱祥1，艾纯明2，王贻明1，杨锡祥3，周发陆3

(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. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛，125105；3. 招金矿业伽师县铜辉矿业有限责任公司，新疆 喀什，844300)

为改善膏体在进行膏体充填试验时的流动性能，进行泵送剂的试验研究并测试泵送剂的持久性，从膏体絮团结构入手，对泵送剂改善膏体流动性的机理进行分析。研究结果表明：添加泵送剂之后，膏体的屈服应力减小为原来的1/10，黏度降低57%，膏体输送的沿程阻力由59.43 MPa减小为6.20 MPa。0.8 h内膏体的剪切应力只增加4%。膏体内的絮团结构是导致膏体流动性差的主要原因。通过进行显微图像观测，证实泵送剂可破坏膏体絮团结构。泵送剂的主要作用有吸附作用、分散作用、润滑作用，理论分析与试验结果一致。

泵送剂；膏体输送；流变性；沿程阻力

膏体充填技术具有不分层、不离析、不沉淀的特点[1]，用于矿山井下充填水泥具有耗量低、充填体接顶性能和整体性能良好的优点。膏体充填使矿山产生的尾砂得到完全回收利用成为可能[2−3]，不仅大幅降低了充填采空区的费用，还解决了环境污染问题[4]，保证了矿山的可持续发展，因此，膏体充填越来越受到人们的青睐[5−6]。新疆某铜矿采用浅孔留矿法进行矿石回采，大量的采空区导致井下采动二次应力较大，采场垮冒现象频现，安全性差，且上盘围岩冒落导致矿石贫化严重，选矿成本加大。同时，高应力引起巷道严重变形，支护成本高，采矿安全风险大。为解决以上问题，矿山决定采用下向进路式充填采矿法。矿体围岩为细粉砂泥岩，具有遇水泥化现象，因此，充填方式宜采用膏体充填。在前期的探索性试验中发现：使用全尾砂制成膏体最大质量分数为75%，继续加大质量分数，则流动性变差，难以实现泵送。这是由于尾砂颗粒较细，以及含有一定量的泥岩造成的。因此，为了保证较高的充填质量分数，并改善膏体的流动性，借鉴混凝土输送技术[7−9]，提出在膏体制备过程中加入添加剂的技术方案。近年来，品种繁多的外加剂在建筑混凝土中应用十分广泛，其中用于改善流动性主要有减水剂、泵送剂等[10−11]。但是混凝土外加剂用于矿山充填生产实践中还不多见[12]，用于膏体充填生产实践方面报道较少。开展泵送剂在膏体充填中的应用研究，将改变膏体的流变性能，从而降低膏体在管道输送中的沿程阻力，有利于膏体技术的推广应用。本文作者研究泵送剂试验及测试泵送剂持久性，并分析泵送剂改善膏体流动性的机理。

1 试验材料

本次膏体流动性测试的试验材料包括胶凝材料、粗骨料、泵送剂和全尾砂。

1) 胶结材料选用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；

2) 粗骨料为地表废石，粒径破碎至10 mm以下，平均粒径为3.92 mm；

3) 通过前期的对比坍落度进行泵送剂优选试验，确定泵送剂C为本次试验的添加剂。

4) 全尾砂取自该矿山选矿厂，烘干后备用。使用激光粒度仪(LMS−30型)对尾砂的粒级组成进行分析，结果如图1所示。

图1 全尾矿粒级组成曲线

不均匀系数u为

曲率系数c为

平均粒径cp为

式中：60，30和10分别为筛下累积60%，30%和10%对应的颗粒粒度；d和d+1为第组粒度范围；a为第组粒度范围的质量分布频率。

一般数u≥5表示颗粒分布范围大，级配良好；c表示级配连续情况，c1~3时表示级配良好，密实程度较好。因此，可以得出尾砂粒级分布范围较大，连续状况较好。

粒级分析结果表明该尾砂细粒级质量分数大，粒径小于74 μm的颗粒占总数量的64.32%，粒径小于45 μm的颗粒为总数量的43.1%，将对膏体的流动性造成较大负面影响。尾矿颗粒粒径小说明其比表面积大，颗粒表面需要吸附更多的自由水，因此，其在泵送剂质量分数相同时，膏体流动性较差。

2 膏体流变性测试

2.1 试验仪器与方法

测量膏体流变性使用的仪器主要为流变仪(Brookfield R/S+Rheometer)，十字形转子型号为V60−30−3tol。

为了更准确地测得料浆屈服应力和塑性黏度等流变参数，测量采用控制剪切应力法(controlled shear stress，CSS)。根据前期探索性试验发现，本次试验膏体近似于Bingham体，因此，采用此模型对流变参数进行拟合分析，Bingham流变模型如下：

式中：为屈服应力，Pa；0为动态屈服应力，Pa；为塑性黏度，Pa∙s；为剪切速率，s−1。

2.2 试验原理

膏体的流变性能包括屈服应力和塑性黏度等参数，直接决定膏体输送沿程阻力[13]，即

式中：为摩阻损失，Pa/m；为管道内径，m；为流速，m/s。

由式(5)可以看出：在管径一定的情况下，屈服应力和塑性黏度是影响其管输阻力的重要因素，且均与摩阻损失成正比。细颗粒尾矿之间的内聚力导致膏体具有较高黏度，影响膏体的流变性。

2.3 试验结果

不同泵送剂掺量的膏体流变性测试结果如图2所示。采用Bingham模型对流变参数进行回归分析，得到不同泵送剂添加量条件下的膏体流变模型，如表1所示。由此得出了5组膏体的屈服应力和黏度，如图3所示。