不同粒径煤矸石浆液的流变性能试验

周 瑶，谢志清，刘长友，潘海洋，赵 明

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039；2.中国矿业大学矿业工程学院，徐州 221116)

0 引 言

煤矸石是最大的工业废渣之一，约占原煤产量的10%～15%[1]。我国煤矸石的利用率较低[2]，大部分以简单堆存的方式处理[3]，存在恶化矿区环境、危害矿山安全生产和造成经济损失等风险。利用煤矸石进行充填开采，既能提高煤矸石的利用率，减轻环境污染及“碳减排”的压力，又能缓解地层沉降。为提高煤矸石活性，一般采用高温煅烧、机械研磨、化学激发、微波处理和复合活化等方法处理煤矸石。如李先海等[4]探究了煅烧温度对煤矸石胶凝材料的影响，发现煤矸石活性在500～800 ℃时达到最大。丁莎等[5]发现机械研磨破坏了煤矸石的层状结构，提高了其表面活性。王莹莹等[6]采用复合热液蚀变法制作了煤矸石蚀变物料，并在此基础上研发了似膏体充填胶凝材料。张长森等[7]发现微波辐照可以提高煤矸石活性及其胶凝性能。以上研究中的处理方法尤其是微波处理，在技术上是可行的，可以提高煤矸石的胶凝性能，使材料具有一定的强度，但是成本比较高，离规模化生产还有一定的差距。

煤矸石的原位利用是近年来兴起的概念，具有能耗少、对环境污染小和更容易实现规模化生产等优势。郭立斌[8]基于中裕煤矿的矿井条件及采掘布置，设计了井下分选及井下充填系统，有望实现煤矸石不出井即可解决井下矸石排放的问题。胡伯[9]基于小保当煤矿的地质条件、开采情况和煤矸石产量，提出了充填方案，指明了单一的矸石和矿井水混合作为充填巷道或采空区充填材料的方向。佟强等[10]在翟镇煤矿建立了矿井充填开采地面矸石垂直投料系统，可以将地面煤矸石破碎成小块煤矸石，经投料井直接投到井下进行充填。张吉雄等[11]构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式，为煤矸石处理集约化提供了技术借鉴。此外，Zha等[12]研究了粒径对煤矸石抗压特性的影响规律；Huang等[13]研究了颗粒级配和围压条件对破碎煤矸石试样变形破碎特性的影响；Wu等[14]通过物理压缩试验及颗粒流动数值模拟，分析了不同粒径煤矸石的压实变形破坏规律，为煤矸石原位利用的深入研究打下了基础。煤矸石的原位利用技术具有很高的经济价值，但目前该技术还处于试验阶段，对于其粒径级配、合理配比和制浆工艺等制浆参数，以及制备的煤矸石浆液的流动性、稳定性和沉积特性等性能，都需要进一步的研究。

基于此，本文以门克庆煤矿的洗选煤矸石为原料，破碎成不同粒径(100目、150目、200目、250目、300目分别对应150 μm、106 μm、74 μm、58 μm和48 μm)的样品，配制成不同粒径的煤矸石浆液，测试新鲜浆液的流变性能、流动度和流动时间，探究粒径及水矸比对浆液流变性能的影响规律，为寻找煤矸石的最优工作粒径及水矸比提供数据参数，推进煤矸石原位利用的规模化生产进程。

1 实 验

1.1 原材料

试验所用煤矸石取自内蒙古门克庆煤矿的洗矸现场。将原状煤矸石破碎成5～20 cm的粒状煤矸石，然后在环境温度25 ℃、干燥的条件下将粒状煤矸石粉磨24 h，并通过筛分法，筛选出粒径为100目、150目、200目、250目和300目的煤矸石粉末备用。原状煤矸石的化学组成如表1所示。煤矸石的矿物以方解石、石英和黏土矿物为主，矿物组成如表2所示。经工业分析，煤矸石中水分、灰分、挥发分和固定碳的质量分数分别为1.22%、79.20%、65.60%和7.16%。

表1 煤矸石的化学组成Table 1 Chemical composition of coal gangue

表2 煤矸石的矿物组成Table 2 Mineral composition of coal gangue

1.2 煤矸石浆液的制备

试验以已完工的门克庆煤矿覆岩离层注浆充填开采工程[15]为基础，进一步探究粒径与水矸比对浆液流变性能的影响。该工程中选用的煤矸石粒径为120～140目(124～104 μm)，水矸比为2.0。为进一步增加浆液的浓度，提高煤矸石的处置量，并在此基础上进行粒径影响的研究，本试验设置煤矸石的粒径和水矸比2个变量，采用单一变量法设计了15组配合比。其中试验设计水矸比为1.0、1.5、2.0，煤矸石粒径为100目、150目、200目、250目、300目，制备浆液的编号记为CGX-Y，X代表煤矸石粒径目数，Y代表水矸比。测试流变性能、黏度时变性、流动度及流动时间4个指标，共进行60组试验。制浆前，先将室内温度调节到约25 ℃，然后按比例称取相应质量的煤矸石和水，并将煤矸石样品缓慢倒入水中。制浆时，采用GJSS-B12K型变频高速搅拌机，在6 000 r/min的转速下搅拌浆液20 min，制成粉末均匀分散的不同粒径煤矸石浆液备用。

1.3 分析和测试

1.3.1 流变性能测试

采用MK-ZN12S型数显黏度计测试新鲜煤矸石浆液的流变性能。取350 mL的新鲜浆液倒入样品杯中，调节流变仪的转速为600 r/min，高速剪切浆液1 min，使浆液在流变测试前具有相同的剪切状态。然后选择流变测量，设定转速从600 r/min降至0 r/min，设置参数为：定时20 s、间隔转速20 r/min、读数间隔20 s，共采集36个数据点。随后调节流变仪为常规测量，采用转速为300 r/min，持续搅拌浆液20 min，获得在固定剪切速率下浆液绝对黏度的变化规律。

1.3.2 流动度及流动时间测试

流动度：煤矸石浆液的流动度测试参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)，采用截锥圆模(上口直径为36 mm，下口直径为60 mm，高度为60 mm)及玻璃板进行试验。将新鲜浆液迅速注入截锥圆模内，然后垂直提起，待浆液在玻璃板上停止流动后，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为浆液的流动度。

流动时间：浆液的流动时间采用马氏漏斗黏度计进行测试。将1 500 mL的新鲜浆液倒入马氏漏斗中，在重力作用下浆液自由流出946 mL所需要的时间即为浆液的流动时间，用秒(s)来表示。

2 结果与讨论

2.1 流变性能分析

2.1.1 浆液的流型分析

不同煤矸石粒径及水矸比条件下浆液的流变曲线如图1所示，采用origin软件对剪切应力与剪切速率的关系进行拟合，拟合公式及相关参数见表3和表4。

水矸比为1.0时，浆液的流变特征符合Herschel-Bulkley模型，如式(1)所示。

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa;τ0为屈服应力，Pa；K为稠度系数，Pa·sn；γ为剪切速率，s-1；n为流动指数。当n<1时，浆液为剪切稀化；当n>1时，浆液为剪切增稠，且n与1差值越大，浆液剪切增稠或剪切稀化行为越显著[16-17]。

表3 不同粒径煤矸石浆液的流型拟合公式(水矸比为1.0)Table 3 Flow pattern fitting formula of coal gangue slurry with different particle sizes (water/gangue ratio is 1.0)

表4 不同粒径煤矸石浆液的流型拟合公式(水矸比为1.5和2.0)Table 4 Flow pattern fitting formula of coal gangue slurry with different particle sizes (water/gangue ratio is 1.5 and 2.0)

图1(a)中，CG100-1.0与CG300-1.0的流变曲线很接近，而CG150-1.0、CG200-1.0和CG250-1.0的流变曲线更为接近。这说明CG100-1.0与CG300-1.0的浆液絮凝结构更接近，且浆液絮凝结构并不随粒径的变化而呈规律性变化，这可能是因为300目的煤矸石粒径很小，遇水后发生团聚现象，相互黏结形成二次颗粒，更接近于100目。

水矸比为1.5和2.0时，浆液的流变特征符合Bingham模型，如式(2)所示。

τ=τ0+μγ

(2)

式中：μ为塑性黏度，Pa·s。

由此可见，水矸比对煤矸石浆液流型的影响很大，在水矸比为1.5和2.0时，煤矸石浆液不再符合Herschel-Bulkley模型，开始符合Bingham模型。经过对比图1(a)、(b)、(c)发现，当水矸比一定时，煤矸石粒径的变化对浆液的流型改变并不显著，但是会影响浆液的流变参数。当水矸比为2.0时，不同粒径煤矸石浆液的流变曲线均趋近于一条直线，也说明水矸比是浆液絮凝结构的主控因素，而粒径对浆液絮凝结构的影响很小。因此，在注浆时，若选用2.0的水矸比，为了节省破碎能量，可以选择粒径为100目的煤矸石浆液作为注浆充填材料。

图2 水矸比和颗粒粒径对浆液屈服应力的影响Fig.2 Effects of water/gangue ratio and particle size on yield stress of slurry

2.1.2 屈服应力和塑性黏度分析

屈服应力是由浆液内部颗粒之间的吸附和摩擦作用产生的，是引起浆体流动和变形的最小剪切应力[18]。图2为水矸比和颗粒粒径对浆液屈服应力的影响。当水矸比为1.0时，不同粒径煤矸石浆液的屈服应力均较大，在2.5～3.6 Pa变化，而且CG100-1.0和CG300-1.0的屈服应力相近，均在3.5 Pa左右，这也从侧面证实了CG300-1.0发生了团聚反应，形成的团聚体与CG100-1.0的粒径大小类似，使得该两种浆液需要相近的启动注浆压力。而CG200-1.0的屈服应力最小，为2.45 Pa，小于屈服应力为2.89 Pa的CG150-1.0和屈服应力为2.69 Pa的CG250-1.0。因此，在注浆时，若需要较高浓度的煤矸石浆液，为降低能耗，推荐采用水矸比为1.0、粒径为200目的煤矸石浆液配合比。当水矸比为1.5和2.0时，浆液的屈服应力迅速减小，在0.1～0.7 Pa变化。相同粒径下，水矸比为2.0、粒径为200目时的浆液屈服应力最小，这是因为浆体中内部颗粒最少，颗粒间的吸附和摩擦作用最弱，引起浆体流动所需的最小剪切应力较小。

浆液的塑性黏度表示新鲜浆体抵抗内部流动的能力，主要与浆体中颗粒的形状、粒径和浆体浓度有关[18]。图3为不同粒径煤矸石浆液的黏度。图3(a)中，水矸比为1.0时，CG100-1.0与CG300-1.0浆液的稠度系数相近，分别为0.23 Pa·sn和0.25 Pa·sn，CG150-1.0、CG200-1.0、CG250-1.0浆液的稠度系数相近，分别为0.098 84 Pa·sn、0.098 72 Pa·sn、0.092 89 Pa·sn，均接近0.10 Pa·sn。图3(b)中，水矸比为1.5，粒径为100目、150目、200目、250目和300目的浆液塑性黏度分别为0.005 3 Pa·s、0.005 2 Pa·s、0.004 8 Pa·s、0.004 9 Pa·s、0.004 9 Pa·s，均接近0.005 Pa·s，而水矸比为2.0、粒径为100目、150目、200目、250目和300目的塑性黏度分别为0.003 65 Pa·s、0.003 88 Pa·s、0.003 63 Pa·s、0.003 56 Pa·s、0.003 58 Pa·s，均接近0.004 Pa·s。两者的塑性黏度值在同一个数量级上，这一结果与文献[19]的试验结果一致，即煤矸石的黏度随浓度的增大而增加，在低浓度(水矸比≥1.5)时，塑性黏度增加趋势较缓，当浓度达到一定程度(水矸比=1.0)后，黏度变化幅度增大。此外，在小水矸比(1.0)时，浆液的颗粒效应比较明显，会影响浆液的屈服应力和塑性黏度；而在大水矸比(≥1.5)时，浆液的颗粒效应消失，不再对浆液的塑性黏度产生影响，只对浆液的屈服应力产生影响(见图2)。

图3 不同粒径煤矸石浆液的黏度Fig.3 Viscosity of coal gangue slurry with different particle sizes

2.1.3 黏度时变性分析

绝对黏度又称动力黏度，表示浆体内摩擦力的大小。煤矸石浆液属于悬浮液，在固定剪切速率下具有黏度时变性，这将影响浆液的泵送稳定性和流动稳定性。一般以某一固定的剪切速率为例，探究搅拌时间对浆液绝对黏度的影响。图4为剪切速率为511 s-1时浆液的绝对黏度变化规律。对比图4(a)、(b)、(c)可知，随着搅拌时间的延长，浆液的绝对黏度逐渐减小，证明煤矸石浆液具有剪切稀释性。不论图4(a)中符合Herschel-Bulkley模型的浆体，还是图4(b)、(c)中符合Bingham模型的浆体，浆液的绝对黏度均以0.2 mPa·s或0.3 mPa·s的“台阶高度”，呈“台阶式”下降。其中，CG100-1.0、CG150-1.0、CG200-1.0、CG250-1.0和CG300-1.0的绝对黏度变化范围分别为18.2～16.0 mPa·s、14.0～12.0 mPa·s、15.7～13.7 mPa·s、14.2～13.2 mPa·s、15.5～15.0 mPa·s，分别下降了2.2 mPa·s、2.0 mPa·s、2.0 mPa·s、2.0 mPa·s、1.0 mPa·s和0.5 mPa·s，变化幅度基本随着粒径的减小呈规律性变化，这说明小粒径的煤矸石有助于维持浆液的稳定性。由图4(b)可知，CG100-1.5、CG150-1.5、CG200-1.5、CG250-1.5、CG300-1.5的绝对黏度变化范围分别为6.2～5.2 mPa·s、5.0～4.0 mPa·s、6.0～5.2 mPa·s、5.5～4.7 mPa·s、4.7～4.0 mPa·s，分别下降了1.0 mPa·s、1.0 mPa·s、0.8 mPa·s、0.8 mPa·s、0.7 mPa·s，变化幅度也逐渐减小。由图4(c)可知，CG100-2.0、CG150-2.0、CG200-2.0的绝对黏度均从3.0 mPa·s降低到了2.5 mPa·s，降低了0.5 mPa·s，而CG250-2.0、CG300-2.0的绝对黏度均从3.0 mPa·s降低到了2.7 mPa·s，降低了0.3 mPa·s，说明粒径对低水矸比(1.0)的黏度时变性影响较大，但随着水矸比的增加，影响逐渐减小。此外，水矸比越大，浆液维持某一绝对黏度的时间越长。因此，从浆液的角度来看，为使煤矸石浆液的注浆压力维持稳定，可以考虑采用较大水矸比(≥1.5)和较长的搅拌时间(>800 s)，有助于提高浆液的泵送稳定性。

图4 剪切速率为511 s-1时浆液的绝对黏度变化规律Fig.4 Change rule of absolute viscosity of slurry at a shear rate of 511 s-1

2.2 流动度及流动时间分析

不同粒径煤矸石浆液流动度的试验结果如图5(a)所示。当水矸比为1.0、1.5和2.0时，浆液的流动度分别在365～390 mm、460～510 mm、482～530 mm变化，浆液的流动度均不低于365 mm，流动性良好。在相同粒径下，水矸比越大，浆液的流动度就越大，水矸比仍是浆液流动度的主控因素。

不同粒径煤矸石浆液的流动时间如图5(b)所示。经测试，水的流动时间为26.22 s。当水矸比为1.0、1.5和2.0时，不同粒径煤矸石浆液的流动时间在31 s、28 s和27 s上下浮动，流动时间均较短，即流动时间范围在27～31 s。

图5 不同粒径煤矸石浆液的流动度及流动时间Fig.5 Degree of fluidity and flow time of coal gangue slurry with different particle sizes

不同粒径煤矸石浆液的流动度与流动时间的关系如图6所示。显然，浆液的流动度越大，浆液的流动时间就越短，但是经分析，两者并不存在明显的函数关系。

图6 不同粒径煤矸石浆液的流动度与流动时间的关系Fig.6 Relationship between degree of fluidity and flow time of coal gangue slurry with different particle sizes

3 结 论

(1)水矸比是煤矸石浆液流变性能的主控因素，当水矸比为1.0时，煤矸石浆液符合Herschel-Bulkley模型，当水矸比为1.5和2.0时，煤矸石浆液符合Bingham模型。

(2)当水矸比确定后，粒径的改变并不影响煤矸石浆液的流型。当水矸比为1.0时，颗粒粒径会影响浆液的屈服应力和塑性黏度，由于团聚反应，煤矸石粒径为300目与100目的浆液的流变参数相近，屈服应力均在3.5 Pa左右，稠度系数均在0.25 Pa·sn左右，煤矸石粒径为150目、200目和250目的浆液的稠度系数相近，均约为0.1 Pa·sn；当水矸比为1.5和2.0时，浆液的颗粒效应消失，不再对浆液的黏度产生影响，只对浆液的屈服应力产生影响，浆液的屈服应力在0.1～0.7 Pa变化，塑性黏度分别约为0.005 Pa·s和0.004 Pa·s。相同粒径下，水矸比为2.0、粒径为200目时的煤矸石浆液屈服应力最小。

(3)不同粒径的煤矸石浆液具有剪切稀释性和黏度时变性。粒径对低水矸比(1.0)浆液的黏度时变性影响较大，但随着水矸比的增加，影响逐渐减小。从浆液的角度来看，为使煤矸石浆液的注浆压力维持稳定，可以考虑采用较大水矸比(≥1.5)和较长的搅拌时间(>800 s)，有助于提高浆液的泵送稳定性。

(4)不同粒径煤矸石浆液的流动度均不低于365 mm，且流动时间也较短，在27～31 s变化，可以根据不同的工况选择浆液配比。