基于流变特性极差分析的碎石-全尾砂料浆配比优化研究*

凌斌辉

(长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙 410019)

0 引言

膏体流变学是膏体充填技术的重要理论基础[1-2],充填料浆的流变行为演化对整个充填工艺的浓密阶段、搅拌阶段、输送阶段、充填阶段四个时期均会产生较大影响[3-6]。由于受到料浆组分、粒径分布、料浆浓度、灰砂比、剪切环境、温度、pH 等多种因素影响,料浆流变特性非常复杂[1],即使仅从“料浆组分”这单一影响因素来看,不同的材料组成会导致料浆的流变特性具有较大的差异。国内外学者针对分级尾砂、全尾砂、高延性水泥、高水速凝材料、胶固粉等材料下的流变特性展开了大量研究[7-10],而针对废石-全尾砂流变特性的研究相对较少。随着“绿色矿山”治理理念的提出与实施[11],国家在安全、环保等方面的监管变得愈发严格,新建排土场、尾矿库的审批工作变得愈发困难。将废石作为充填骨料输送至井下采空区,既可缓解井下采空区可能造成的地压灾害,又可以降低尾矿库和废石场对环境和生产安全造成的危害,对实现“全废治三害”具有非常重要的意义,因此有必要对此展开研究。

本文以国内某矿山充填系统工程为研究对象,针对不同膏体质量浓度、碎石掺量和水泥含量下的料浆综合性能和流变特性各异的特点,首先通过CU、CC、-20μm 细粒级含量三项技术指标确定了合理的碎石掺量。然后采用正交设计实验,按照碎石掺量5%、10%、15%、20%;膏体质量浓度77%、78%、80%、81%;灰砂比1∶4,1∶6,1∶8,1∶10建立实验组,并通过极差分析,从屈服应力和塑性黏度两方面对其进行了定量和定性分析,揭示了相应的影响规律。最后通过塌落度、强度、屈服应力和塑性黏度等关键技术指标筛选出最优配比,旨在为后续的工业试验、充填系统设计以及设备选型提供基础资料。

1 实验材料及方案

1.1 充填材料密度测试

料浆组分包括全尾砂、P·O42.5 水泥、碎石、水。采用四分法对各样品进行取样,分别测试各样品的容重、松散堆积密度、密实堆积密度。结果见表1。

表1 充填材料密度测试

1.2 充填材料粒级组成

(1) 全尾砂、水泥粒级组成。采用激光粒度分布仪测定物料的粒级分布,测试结果如下:全尾砂d10=5.385μm,d30=23.325μm,d60=79.862μm,-200目(-74μm)占比为57.68%,尾矿粒度较粗,但-20μm 的极细颗粒含量为27.14%,细粒含量满足膏体充填要求[12],d10=3.149μm,d30=13.599 μm,d60=32.278μm,-200 目(-74μm)占 比88.11%,-20μm 的细颗粒含量为41.65%。

(2) 碎石粒级组成。碎石样品风干后,首先用10 000μm 的筛网剔除+10 000μm 的样品,然后将样品按从大到小的顺序依次通过小于10 000μm 的各级细筛,并记录各级含量,结果见表2。

表2 碎石粒级分布

1.3 碎石掺量设计

(1)-20μm 含量分析:将碎石掺量比例按照5%、10%、20%、30%、40%与全尾砂进行混合,并计算全尾砂-碎石混合体中-20μm 细粒级含量,结果见图1。

图1 不同碎石掺量下-20μm 细粒级含量

根据图1可知,碎石掺量在5%～40%范围内,随着碎石掺量的增加,全尾砂-碎石混合体中-20μm 细粒级含量呈现单调递减的变化趋势,但-20μm 细粒级含量均大于15%,满足复合膏体充填要求[12]。

(2)CU和CC系数分析。根据不均匀系数CU和曲率系数CC表征物料粒级组成的均匀程度,分析结果见图2。

图2 不同碎石掺量下CU 和CC 值

式中,d10、d30、d60分别是指累计含量为10%、30%、60%颗粒能够通过的筛孔直径;CU反映颗粒级配的不均匀程度,CU≥5时表示颗粒大小分布范围广,级配良好;CC反映粒径分布曲线上的颗粒级配整体形态,一般CC=1～3 时级配良好,密实程度比较好[13]。

由图2可知,随着碎石掺量的增加,全尾砂-碎石混合体的CU值和CC值表现出不同的变化规律。

CU值变化规律:不同碎石掺量的CU值均大于5,说明混合体粒级分布较广,从增长趋势来看,随碎石掺量的增加,CU值呈现出递增趋势。其中碎石掺量从5%增加至30%时,CU值由14.12 增加至22.88,增长较平缓;碎石掺量从30%增加至40%时,CU值从22.88增长至50.12,急剧增加。

CC值变化规律:碎石掺量为5%～25%时,CC值处于1～3之间,说明料浆粒径分布较为连续;碎石掺量为30%～40%时,CC值小于1,不满足混合体粒径分布连续性的要求。从增长趋势来看,碎石掺量从5%增加至10%时,CC值由1.12 增加至1.26,碎石掺量从10%增加至40%时,CC值由1.26逐渐降低至0.63。

(3) 碎石掺量优化。综合分析-20μm 细粒级含量、CU、CC等关键指标的变化规律可知,碎石掺量在5%～40%范围内,-20μm 细粒级含量、CU值均满足要求;但碎石掺量为30%～40%时,CC值＜1;碎石掺量为25%时,CC值＞1,但考虑到实际生产与实验室有差距,最终推荐碎石掺量为5%、10%、15%、20%。

2 实验结果及分析

2.1 充填料浆的主要技术指标

为揭示不同膏体质量浓度、不同碎石掺量和不同灰砂比下的料浆塌落度、离析率、泌水率、凝结时间、强度、屈服应力和塑性黏度等指标的变化规律,设置质量浓度分别为77%、78%、80%、81%的四种料浆;5%、10%、15%、20%四种碎石掺量;1∶4,1∶6,1∶8,1∶10 四种灰砂比。由于考虑因素较多,为减少工作量且能较为准确地反映指标变化规律,采用正交实验,测得各组的塌落度、离析率、泌水率、凝结时间、强度、屈服应力和塑性黏度等主要技术指标,见表3。

根据膏体充填要求,塌落度为25～28 cm,屈服应力小于150 Pa时,料浆具有较好的流动性;根据采矿工艺要求,充填体14 d 强度(R14d)应大于2 MPa。按上述条件对实验组合进行筛选,第4、7、8组满足要求。

2.2 充填料浆屈服应力极差分析

由正交实验得到屈服应力实验数据,通过极差分析得到的结果见表4。表4中K1为膏体质量浓度77%、碎石掺量5%,灰砂比1∶10 下的实验指标,其余K n值依次类推,由此可以判断出各影响因子下的最差水平和最优水平。Kvag为对应K n的平均值,R=Kvag(最大值)-Kvag(最小值),表示各影响因子作用下屈服应力的变化范围,其大小代表对应影响因子对屈服应力的影响程度大小。

表4 充填料浆屈服应力极差分析

通过表4的分析数据可知:单因子影响下,充填料浆的屈服应力随着膏体质量浓度、灰砂比增大而不断增加,表现为正相关,随着碎石掺量的增加不断减小,表现为负相关。各因子下R值差别较明显,膏体质量浓度＞灰砂比＞碎石掺量,说明质量浓度对充填料浆的屈服应力影响最大,灰砂比次之,碎石掺量影响最小。因此可推断出:当膏体质量浓度为77%,灰砂比为1∶10,碎石掺量为20%时,充填料浆的屈服应力最小。

2.3 充填料浆塑性黏度的极差分析

由正交实验得到塑性黏度实验数据,通过极差分析得到的结果见表5,表中符号及其代表的含义与表4相同。

表5 充填料浆塑性黏度极差分析

通过表5中的分析数据可知:单因子影响下,充填料浆的塑性黏度随着膏体质量浓度、灰砂比的增加不断增加,表现为正相关,随着碎石掺量增加不断减小,表现为负相关。各因子下R值差别较明显,膏体质量浓度＞碎石掺量＞灰砂比,说明膏体质量浓度对充填料浆的塑性黏度影响最大,碎石掺量次之,灰砂比影响最小。因此可推断出:当膏体质量浓度为77%,灰砂比为1∶10,碎石掺量为20%时,充填料浆的塑性黏度最小。

3 结论

(1) 对-20μm 细粒级含量、不均匀系数CU和曲率系数CC三个技术指标进行综合分析后发现,当碎石掺量为5%、10%、15%、20%时,全尾砂-碎石料浆级配效果较好。

(2) 单因子影响下,膏体屈服应力和塑性黏度随着膏体质量浓度、灰砂比增加不断增加,表现为正相关,随着碎石掺量增加不断减小,表现为负相关。

(3) 不同因子对充填料浆屈服应力的影响程度有明显差别,其中膏体质量浓度对料浆屈服应力的影响最大,灰砂比次之,碎石掺量影响最小。

(4) 不同因子对充填料浆塑性黏度的影响程度有明显差别,其中膏体质量浓度对料浆塑性黏度的影响最大,碎石掺量次之,灰砂比影响最小。

(5) 通过对充填料浆塌落度、强度、屈服应力和塑性黏度等关键指标进行综合分析,选定膏体质量浓度77%,碎石掺量20%,灰砂比1∶4为最佳配比组合,可为后续工业试验及生产实践提供参考依据。