煤矸石-粉煤灰充填料浆流变特性的实验研究

林倚天， 苏士杰， 赵 明， 赵 辉

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.中天合创煤炭分公司门克庆煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017300)

0 引言

随着中国浅部煤炭资源的长期持续高强度开采，开采深度逐渐增大且“三下”压煤数量巨大[1]。地下深部采煤常引起严重的地表下沉并可能导致如地下水位下降和生态破坏等问题[2]。覆岩离层注浆技术是能有效减小地表沉陷的技术之一，因其成本低、易实施和不干扰工作面生产等优点而受到学者们的广泛关注[3-8]。离层注浆充填就是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空间，通过地面钻孔向离层空间充填材料以支撑覆岩，从而减缓覆岩移动向地表的传播[9]。充填料浆的流变学是覆岩离层注浆技术的重要理论基础之一，注浆充填的各工艺环节均需要基于料浆的流动与变形来开展，如搅拌阶段中搅拌方式与参数的确定，输送阶段中满管流动调节、输送阻力计算及防堵、防爆，充填阶段中料浆的流动、固结及充填体的蠕变行为等[10-14]。本文通过对不同配比的煤矸石-粉煤灰料浆的流变实验来探究充填料浆的流变特性和流变参数的时间效应，为改良注浆工艺和设计注浆参数提供参考。

1 煤矸石-粉煤灰充填料浆流变实验

流变实验选用奥地利Anton-Paar公司的MCR102高级流变仪进行，该仪器属于模块化智能型高级流变仪，配有水浴装置，扩展功能强大，操作方便简单。MCR102高级流变仪系统配备了同轴圆柱型、锥板型和桨式3种测量系统，本实验选用桨式测量系统。对流变仪的控制和实验参数设定使用安东帕公司开发的Rheoplus软件。借助ORIGIN软件处理流变实验获得的数据，分析数据之间的规律并得到拟合方程。

实验材料中的煤矸石为门克庆煤矿经球磨机研磨后的120目煤矸石，水泥为普通硅酸盐水泥。本实验将温度控制为20℃，设计3个变量，分别为质量浓度梯度、灰矸比(胶凝材料与矸石粉之比)梯度和时间梯度(表1)。灰矸比分别为2∶1，1∶1和1∶2，胶凝材料中水泥和粉煤灰的比例为1∶1。质量浓度梯度分别为32%、34%和36%。

将水泥、粉煤灰、矸石粉和水混合在一起的时刻作为计时的起点，选择5min、15min、25min、35min、45min和55min时间梯度采集数据。选择10min为等差时间梯度既可保证实验操作时间充裕，又可减轻频繁扰动对流变参数准确性的影响。扰动测量料浆时间设定为1min，剪切实验时间间隔为10min，以最大限度保证料浆随时间自然发生变化。

在研究充填料浆流动时间效应的实验过程中，在每个时间梯度的实验结束后从料浆槽中取出料浆筒，用布盖住料浆筒以防水分流失。因料浆筒容积所限，每次料浆用量仅为200g，任何微小的差别都可能会导致整个结果产生巨大变化。因此对同一配比多次称料进行实验，找出位于多次实验所得曲线中波动最小的曲线作为最终实验结果。

表1 煤矸石-粉煤灰充填料浆流动时间效应实验设计Table 1 Coal gangue-flyash filling material slurry flow timeeffect experiment design

按上述实验设计进行了有效实验51次，每次捕捉60个测试点，每个测试点具有剪切应力和剪切速率2个实验数据，共得到6 210个原始数据，通过对所有原始数据进行处理得到图1所示的煤矸石-粉煤灰充填料浆9种不同实验配比在不同时间的流变特性曲线。

图1 不同配比料浆的流变特性曲线Figure 1 Different proportioning material slurry rheologic feature curves

2 煤矸石-粉煤灰充填料浆流变曲线特征分析

对图1中流变特性曲线分析发现，每条曲线的前段都是在剪切速率变化很小范围内剪切应力急剧增加，然后趋于稳定。这是因为初始状态的料浆内存在较多水泥水化生成的凝胶物质，这些凝胶物质包裹矸石颗粒和水形成絮团，并相互搭接形成絮网[13]。这些刚性絮网的强度因其大小、成分的差异而不同。在转子转动时絮网结构对转子的转动产生较大的阻力。在低剪切速率段，絮网结构被破坏的少，因此阻力比较大，剪切应力随剪切速率变化较快；随着转子剪切速率的不断增大，进一步的搅动使得料浆中被破坏的絮网结构越来越多，能够阻碍转子转动的力越来越小，因此剪切应力随剪切速率的变化开始减小。从表观黏度角度分析，在转子转动初期料浆中絮网结构较多，浆体的表观黏度高，剪切导致絮网结构的持续破坏，表观黏度急剧下降。当大部分絮网结构被破坏完毕时，颗粒间的相互作用使絮网结构又搭接、修复，直至絮网结构破坏和修复速率达到动态平衡时料浆的表观黏度变化变得平缓。

3 充填料浆流变模型的时间效应

将51条流变特性曲线的中后段近似看成一条在剪切应力轴上有截距的直线，应用最小二乘法，取位于流变曲线中间的点进行拟合运算，得到51条直线，拟合结果见表2。

表2 不同配比料浆的剪切应力与剪切速率拟合函数关系Table 2 Different proportioning material slurry shearing stress and shearing rate fitting functional relationships

续表

表2的拟合方程中有30个斜率大于0，与剪切应力τ轴有交点，且拟合的相关系数近于1，因此可认为该种条件下的流体符合宾汉模型，是宾汉流。在这30种条件下表中的斜率即为流体的表观黏度，截距即为流体的屈服应力。

其他21个拟合方程的相关系数也非常接近于1，表明具有很好的相关性，但不符合当前任何一种流变模型。其特点为剪切应力随剪切速率的增加而逐渐减小，斜率为一负数定值。该种流变特征发生在同样的配比方式中较靠后的测量时段，说明此种流变模型会在水泥水化了一段时间之后出现。

对同一配比方式的料浆，当流变参数拟合直线斜率小于0后(即发生沉降后)继续测量料浆在下一个时间梯度的流变参数。通过对比发现斜率的绝对值逐渐增大，即直线与X轴所成角度越来越大。料浆发生沉降后，变化相同大小的剪切速率，剪切应力减小程度会随着时间的增长而增大。这一现象说明随时间推移，料浆中形成的粗颗粒变多，细颗粒变少，均质性变差。造成这种现象的原因可能与颗粒沉降速率有关。在剪切速率变化相同时，对料浆内颗粒的扰动效果可认为相同，混合时间越长，大颗粒所占比重上升，沉降速率变快，桨叶剪切圆柱体内的料浆的浓度变化越快，颗粒含量减少的越快，内摩擦力下降越大，导致宏观上剪切应力变化增大。

综上，从时间变化角度来看，充填料浆在流动前期表现为宾汉流体特征，后期宾汉流体特征逐渐消失，变成一种拟合直线斜率为负值，剪切应力随剪切速率增大而线性减小的流型。

4 充填料浆流变参数的时间效应

分析30个符合宾汉流体特征的流变参数与时间的关系，只选择同一配比下具有3个以上连续时间段所测流体符合宾汉流特征的黏度和屈服应力值作为分析数据(表3)。

表3 符合宾汉流体特征的流变参数Table 3 Rheologic parameters in accordance with Binghamfluid features

续表

4.1 料浆黏度的时间效应

通过对表3中的黏度数据的分析发现，除1#料浆的黏度随时间增长一直下降外，其他7组黏度数据均呈现先上升后下降的趋势。

黏度随时间的变化规律与水泥持续水化使料浆内固、液相成分发生变化密切相关。普通硅酸盐水泥遇水后各组分开始溶解并发生化学反应，最先发生水化反应的是铝酸三钙，迅速生成钙矾石。钙矾石在短时间内的迅速增多会阻碍粒子间的相对移动，即内摩擦力增大。硅酸三钙的水化反应紧随铝酸三钙之后，其水化产物为C—S—H和Ca(OH)2，两者均属胶状物质，会导致浆体黏性上升[14]。同时，水泥水化会消耗水分，使水的润滑和悬浮作用降低。因此，在水泥水化早期，浆体中胶凝物质含量增高，水分减少，导致浆体在一定时间内黏度呈上升趋势。

水泥的水化作用是在氢氧化钙和硫酸钙的饱和溶液中进行，高浓度钙离子和硫酸根离子在溶液中保持时间的长短由水泥的组成决定。从分子运动的角度看，未水化的水泥分子间和已经生成的胶凝结构间由于内聚力的作用相互吸引聚合。这个过程中胶凝结构间的空隙逐步闭合，毛细孔变小，毛细水转变为自由水，浆体内的固相成分增多，颗粒增大，水被逐步的释放，大颗粒之间没有小颗粒之间接触的那么频繁，颗粒间起润滑作用的自由水逐渐增多，内摩擦力就会变小，因此黏度系数会出现下降趋势。

4.2 料浆屈服应力的时间效应

从表3中可以看出，同一测量时刻点的屈服应力值随着质量浓度的增加而增加，且屈服应力随着料浆混合时间的增长逐渐增大。

随着水化产物不断增多，受分子间内聚力和黏附力的影响，所形成的絮网结构越来越多，体积越来越大，这种刚性骨架结构的内聚力越来越强，导致能够抵抗的剪切应力越来越大，因此在对料浆进行扰动时所需提供的扭矩就越大，即屈服应力增大。

从以上分析中可以看出，随着时间的变化，料浆的黏度先增后减与屈服应力的只增不减是不矛盾的，因为黏度由粒子间相对移动产生的内摩擦力所决定，而屈服应力由料浆内刚性絮网结构的内聚力产生的抗剪能力决定。

5 流变参数获取方法

由实验结果及分析可知煤矸石-粉煤灰充填料浆的流变模型符合宾汉模型τ=τ0+ηBγ，黏度系数ηB和屈服应力τ0受料浆浓度和胶凝材料含量的影响。用ω表示料浆浓度，α表示胶凝材料含量，分析ηB与ω、α的关系，以及τ0与ω、α的关系，可得表4所示的拟合方程。

表4 流变参数与料浆浓度和胶凝材料含量的关系Table 4 Relationship between rheologic parameters and materialslurry concentration, cementing material content

由表4可知黏度系数ηB与料浆浓度ω和胶凝材料α基本满足二元一次线性关系，相关系数0.8以上，F检验值大于7，回归方程拟合度较高；屈服应力τ0与料浆浓度ω和胶凝材料α满足二元一次线性关系，相关系数0.93以上，F检验值大于18，回归方程拟合度很高。

6 结论

1)本文研究了质量浓度分别为32%、34%和36%的煤矸石-粉煤灰充填料浆流变特征，得到不同时间点的流变特性曲线，通过对实验数据的拟合和分析认为该种条件下的流体符合宾汉模型，由此得到各条件下流体表观黏度和屈服应力。

2)煤矸石-粉煤灰充填料浆的流型会随时间发生变化，由宾汉塑性体逐渐失去均质流特性，变为一种受颗粒沉降影响的流型。

3)煤矸石-粉煤灰充填料浆的黏度随时间先增大后减小，是水泥水化作用导致的粒子间内摩擦力变化导致的；料浆的屈服应力随混合时间增长而增大，是刚性絮网结构的内聚力增强的结果。黏度系数ηB、屈服应力τ0与料浆浓度ω和胶凝材料α基本满足二元一次线性关系，得到了5min、15min和25min时流变参数计算方程。