不同級(jí)配尾砂對(duì)料漿流變特性的影響研究

不同級(jí)配尾砂對(duì)料漿流變特性的影響研究

0尾砂級(jí)配與料漿流變特性關(guān)系近年來，高濃度砂有機(jī)開采法以其高回采率、低貧化率和高安全性為優(yōu)點(diǎn)，在礦山上得到了廣泛應(yīng)用。其中，原料污泥的流動(dòng)性是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度廢水污泥混合的基礎(chǔ)。料漿的流變特性一般由屈服應(yīng)力和塑性黏度兩個(gè)參數(shù)來表征，其受料漿濃度、灰砂比、顆粒級(jí)配、外加劑、剪切速率和剪切時(shí)間等因素的影響針對(duì)某礦充填料漿常出現(xiàn)的分層離析、泌水嚴(yán)重等問題，為了探究尾砂級(jí)配與料漿流變特性的關(guān)系，對(duì)人工配制的不同級(jí)配尾砂進(jìn)行粒徑分析，得到相應(yīng)的特征粒徑；同時(shí)開展了不同級(jí)配尾砂料漿的流變特性試驗(yàn)，分別從直觀和微觀角度研究了級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響規(guī)律及其機(jī)理，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。1試驗(yàn)材料和方案1.1尾砂級(jí)配試驗(yàn)試驗(yàn)采用某礦全尾砂作為骨料，采用P.O425普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，進(jìn)而開展不同級(jí)配物料充填料漿流變特性試驗(yàn)，探索該礦尾砂的合理級(jí)配，各原材料化學(xué)成分見表1。通過水篩篩分法分別獲得-74μm和+74μm尾砂，調(diào)整不同細(xì)砂摻量，制備成A、B、C、D、E共5種不同級(jí)配的試樣，采用Mastersizer3000激光粒度儀測(cè)定其粒徑分布，結(jié)果如圖1所示。為了更好地描述尾砂級(jí)配合理性，采用土力學(xué)中的不均勻系數(shù)C式中，d1.2尾砂級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果由于該礦充填料漿濃度為68%～72%，因此本次試驗(yàn)所用充填料漿濃度設(shè)置為70%，排除其他因素對(duì)于充填料漿流變特性的影響，只考慮尾砂不同級(jí)配的影響，試驗(yàn)的5種尾砂級(jí)配分別為-74μm細(xì)砂摻量20%、30%、40%、50%和60%，見表1。試驗(yàn)采用博勒飛RST-SST型槳式旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)不同級(jí)配的充填料漿的流變特性進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試步驟如下：測(cè)試時(shí)間總共為5min，分為上升段、穩(wěn)定段和下降段，其中上升段為0～2min內(nèi)剪切速率由0線性遞增至120s2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析目前，用于描述高濃度（膏體）料漿的模型主要有Bingham模型、H-B模型以及Ostwald模型3種通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以看出：流變曲線為一條在切應(yīng)力軸上有一截距的直線，料漿表現(xiàn)符合Bingham模型流體行為，如圖4所示。式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ對(duì)所有測(cè)得的料漿下降段流變曲線進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果和流變參數(shù)見表3，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2.2充填料漿流變特性分析不同級(jí)配尾砂粒徑分布規(guī)律見表2。從表2可以看出，B、C、D、E4種尾砂的C顆粒填充率與料漿流變特性的關(guān)系也非常明顯。從圖1、圖5可以看出：當(dāng)-74μm細(xì)砂摻量低于40%時(shí)，料漿的屈服應(yīng)力緩慢增加，塑性黏度幾乎不變，此時(shí)有利于工程實(shí)踐中管道輸送；當(dāng)-74μm細(xì)砂摻量高于40%時(shí)，隨著細(xì)顆粒逐漸填充粗顆粒之間的空隙，填充百分?jǐn)?shù)急劇增加，料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度顯著增加，說明尾砂級(jí)配對(duì)于料漿流變特性的影響十分顯著，料漿中細(xì)砂摻量與料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度存在指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)2.3細(xì)顆粒含量對(duì)屈服應(yīng)力及塑性黏度的影響為了更加深入地分析尾砂級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響，選取具有代表性的兩種料漿進(jìn)行對(duì)比（灰砂比為1∶10，質(zhì)量濃度為70%，細(xì)砂摻量為20%和60%），從微觀角度解釋級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響機(jī)理。料漿屈服應(yīng)力是料漿發(fā)生流動(dòng)時(shí)所需要的臨界剪切應(yīng)力，是由于料漿內(nèi)部顆粒間相互作用力以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對(duì)于屈服應(yīng)力而言，當(dāng)料漿中細(xì)顆粒含量較少時(shí)，顆粒整體粒徑較大，結(jié)構(gòu)較為松散，細(xì)顆粒無法完全填充粗顆粒間的孔隙，顆粒間的作用力主要為粗顆粒之間的摩擦力，細(xì)顆粒間的絮凝作用較弱，一般為鏈狀結(jié)構(gòu)（見圖6(a）），所以屈服應(yīng)力基本不變；隨著細(xì)顆粒含量的增加，能有效地填充粗顆粒間的孔隙，比表面積增大，顆粒間靠的更近，相互接觸機(jī)會(huì)更多，顆粒間的相互吸附作用變強(qiáng)，形成更多的絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（見圖6(b）），進(jìn)而阻礙料漿的流動(dòng)，所以屈服應(yīng)力顯著增加。而對(duì)于塑性黏度，當(dāng)料漿中細(xì)顆粒含量較少時(shí)，松散的顆粒結(jié)構(gòu)將更多地吸附和保持水，從而降低了構(gòu)成流動(dòng)性的自由水。隨著細(xì)顆粒逐漸填充粗顆粒之間，結(jié)構(gòu)密實(shí)，但同時(shí)釋放粗顆粒之間的孔隙水，增加表面水的厚度，形成潤(rùn)滑層，使顆粒之間的摩擦力變小，改善料漿的和易性；當(dāng)摻量達(dá)到臨界值時(shí)，比表面積較大，體系中的表面水含量增加，而表面水的厚度減小，從而增大了漿體中顆粒間的摩擦力，其表現(xiàn)為塑性黏度急劇增長(zhǎng)。3充填體強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，該礦尾砂的最佳級(jí)配為-74μm占比40%，而目前該礦采用分級(jí)尾砂自流充填，分級(jí)尾砂中-74μm占比35%，據(jù)此提出具體的改造優(yōu)化方案：在現(xiàn)有分級(jí)尾砂中添加5%～10%的細(xì)粒級(jí)細(xì)砂，經(jīng)濃密、攪拌等工藝后，制備成濃度68%～72%的均勻料漿，通過充填鉆孔充填至井下采場(chǎng)，工藝流程見圖7。分別取工藝改造前后料漿（灰砂比1∶10，質(zhì)量濃度70%）測(cè)試其流變特性及充填體強(qiáng)度，結(jié)果見表4。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)工藝改造后可達(dá)到如下效果：(1）料漿屈服應(yīng)力和塑性黏度雖然有小幅度增加，但料漿狀態(tài)均質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生分層離析；(2）因?yàn)榱蠞{到達(dá)采場(chǎng)后不分層、不離析，提高了充填體強(qiáng)度，對(duì)礦山安全開采具有重要意義；(3）尾砂粒度更細(xì)，對(duì)管道的磨損減小，管路壽命得到延長(zhǎng)，同時(shí)料漿泌水少，減少了排水費(fèi)用，有利于礦山降本增效。4尾砂級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響本文以某礦全尾砂為原材料，研究了尾砂級(jí)配與料漿流變特性的關(guān)系及其影響機(jī)理，探索了該礦充填的合理尾砂級(jí)配。綜上分析，可以得出以下結(jié)論：(1）該礦不同級(jí)配尾砂料漿的流變特性符合Bingham模型；(2）尾砂級(jí)配對(duì)料漿流變特性的影響十分顯著，料漿中細(xì)砂摻量與料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度存在指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，推薦該礦尾砂最佳配比為-74μm占比40%;(3）充填系統(tǒng)改造優(yōu)化后，首先能夠解決因尾砂級(jí)配不合理導(dǎo)致的料漿分層離析等問題，提高充