楊 建，王新民，張欽禮，柯愈賢

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院 深部金屬礦床開發(fā)與災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

全尾砂膠結(jié)充填采礦法，具有尾砂利用率高，可有效預(yù)防和控制地表沉降，保證采礦作業(yè)安全、降低損失貧化等優(yōu)點(diǎn)，在金屬礦山中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員在對(duì)部分礦山進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填工業(yè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：由于全尾砂中雜質(zhì)成分復(fù)雜，殘留硫較多，新鮮尾砂極易粘結(jié)成團(tuán)，堆放時(shí)間過長(zhǎng)易結(jié)塊，繁瑣的攪拌破碎工藝嚴(yán)重影響了漿體的管道輸送效率，制約了全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在含硫礦山中的的推廣應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在尾砂脫硫和新型改性材料研制方面。HULSHOF等[2]利用有機(jī)覆蓋法，發(fā)現(xiàn)粘漿狀有機(jī)廢物覆蓋可以使硫的最高還原速度達(dá)到5000 mg/(L·a)。劉豐韜等[3]通過添加Minefill309系列新型添加劑來改善漿體的流動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離減阻輸送。但是尾礦脫硫技術(shù)成本高、工藝復(fù)雜，新型材料技術(shù)尚未成熟，市場(chǎng)應(yīng)用不廣，作用效果有限，全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在含硫高黏性礦山的應(yīng)用仍然舉步維艱。

固液氣三相流態(tài)充填漿體繼承了傳統(tǒng)固液兩相充填料漿流動(dòng)性能好，易于實(shí)現(xiàn)管道自流輸送的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有輸送濃度高、充填質(zhì)量好、接頂率高等優(yōu)勢(shì)，是一種具有廣闊發(fā)展應(yīng)用前景的新型充填工藝[4]。但是三相流充填技術(shù)應(yīng)用研究尚有諸多空白，國(guó)內(nèi)外鮮有礦山應(yīng)用實(shí)例。本文作者將發(fā)泡技術(shù)引入新橋硫鐵礦全尾砂膠結(jié)充填配漿和管道輸送實(shí)驗(yàn)中，研究其在降低含硫高黏性全尾砂漿體的剪切應(yīng)力和塑性黏度，改善其流變特性以及提升管道輸送性能方面的作用。

1 發(fā)泡系統(tǒng)

發(fā)泡劑為一種表面活性劑，能有效降低液體的表面張力，在液膜表面雙電子層排列包圍空氣形成氣泡[5]。圖1所示為三相泡沫發(fā)泡機(jī)理示意圖。由圖1可知，經(jīng)均勻稀釋的LC-01型復(fù)合發(fā)泡劑分子，通入空氣后，分子結(jié)構(gòu)中的親水集團(tuán)便開始捕獲空氣分子，形成一層親水集團(tuán)整齊排列在氣泡外圍的穩(wěn)定吸附層，從而降低水溶液的表面張力，提高氣泡的穩(wěn)定性。在機(jī)械攪拌、射流沖擊等外力作用下，水泥和尾砂的固料顆粒以一定的速度向氣泡發(fā)生碰撞，由于復(fù)合發(fā)泡劑分子具有多個(gè)能與鈣、鎂等離子形成化學(xué)鍵的羧基，從而水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物和尾砂表面的鈣、鎂離子極易與羧基結(jié)合而吸附于泡沫表面，并形成一層保護(hù)殼使泡沫更加穩(wěn)定[6-7]。

目前，常用的制泡技術(shù)主要包括高速攪拌法和壓縮空氣法，壓縮空氣法發(fā)泡效率相對(duì)較高、泡沫粗細(xì)均勻且能夠有效地防止中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致的泡沫破滅[8]。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用HT-10型全自動(dòng)發(fā)泡器，自動(dòng)化程度高，易于維護(hù)，泡沫產(chǎn)量大且均勻穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)

均勻穩(wěn)定的泡沫與水泥、全尾砂、水及必要的外加劑等按照一定的比例混合攪拌均勻，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化，即形成含有固、液、氣三相流態(tài)的充填體[9]。

2.1 全尾砂物化性質(zhì)

新橋硫鐵礦全尾砂粒級(jí)較細(xì)(見表1)，粒徑在0.05 mm以下的顆粒占65%以上，中值粒徑僅為0.038 mm，滲透系數(shù)小(1.62×10-4～4.41×10-4cm/s)。尾砂中含有較多的雜質(zhì)成分(見表2)，其中殘留硫含量較大，新鮮全尾砂容易粘結(jié)成團(tuán)(見圖2)，堆放時(shí)間過長(zhǎng)易結(jié)塊，不利于儲(chǔ)存和輸送。

2.2 漿體流變模型

經(jīng)配漿后的全尾砂漿體各相組成比例的微小變動(dòng)即可對(duì)漿體的整體性能產(chǎn)生較大的影響，因此，三相流體較傳統(tǒng)的固液兩相流體管道輸送系統(tǒng)更復(fù)雜、更難于實(shí)驗(yàn)?zāi)M[10]?？紤]到三相流態(tài)充填體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、含水率低，泡沫與漿體混合均勻、整體性好，更傾向于膏體(似膏體)的漿體類型，同時(shí)，借鑒已在土木工程中廣泛應(yīng)用的泡沫混凝土的輸送經(jīng)驗(yàn)，三相流態(tài)充填體應(yīng)為假塑性體，適宜采用Hershel Bulkley模型。H-B流變模型與牛頓模型相比增加了初始屈服應(yīng)力0τ(即流體靜止時(shí)自身的分子粘聚力)，充分體現(xiàn)流體的流變特性，其剪切應(yīng)力表達(dá)式為

圖1 三相泡沫發(fā)泡機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagrams of mechanism of three-phase foam:(a)Foaming agent;(b)Bubble;(c)Adsorption of carboxyl;(d)Three-phase filling

表1 新橋硫鐵礦全尾砂粒徑分布Table1 Particle size distribution of total tailings in Xinqiao

表2 新橋硫鐵礦全尾砂化學(xué)成分Table2 Chemical composition of total tailing in Xinqiao

式中：τ為剪切應(yīng)力；η為塑性黏度；γ為剪切速率；n為流變特性指數(shù)，n＜1。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

考慮到泡沫含量過低經(jīng)管道輸送消泡作用后所剩無幾，泡沫含量過高對(duì)充填體的后期強(qiáng)度提升不利[11]，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，室內(nèi)配漿實(shí)驗(yàn)初選的氣泡率為10%～30%，灰砂比為1:4～1:12，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～75%。室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)采用布氏R/S型旋轉(zhuǎn)流變儀，十字形轉(zhuǎn)子可最大程度地減小對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的破壞，克服圓柱面的滑移效應(yīng)，提高測(cè)量的精度[12]。

1)室內(nèi)泡沫制備系統(tǒng)安放要求平穩(wěn)可靠，溫度、濕度恒定，盡量避免外界干擾。將配比組成各異的全尾砂漿體與均勻穩(wěn)定的泡沫混合，配制成灰砂比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣泡率各不相同的三相流態(tài)充填體。

2)分別測(cè)定各配比條件下充填體的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的大小，根據(jù)采場(chǎng)作業(yè)對(duì)充填體強(qiáng)度的要求，進(jìn)行灰砂比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣泡率的等充填配比參數(shù)初選。

3)采用控制變量法進(jìn)行室內(nèi)剪切流變實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定灰砂比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣泡率對(duì)漿體剪切應(yīng)力和塑性黏度的影響規(guī)律，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選適合含硫高黏性全尾砂的最優(yōu)充填配比。

3 結(jié)果與分析

按照新橋硫鐵礦高強(qiáng)度開采、快速充填的要求[13]，采場(chǎng)打底充填體7 d、28 d的作業(yè)強(qiáng)度分別要達(dá)到0.7、1.6 MPa，表3所列為不同配比組成的三相流態(tài)充填體抗壓強(qiáng)度。經(jīng)初選適宜的充填配比條件為氣泡率為10%～20%，灰砂比為1:4～1:8，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～75%。

表3 不同配比組成的三相流態(tài)充填體抗壓強(qiáng)度Table3 Compressive strength of three-phase filling with different composition

3.1 氣泡率對(duì)漿體流變性能的影響

灰砂比為1:6、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%、不同氣泡含量的三相流態(tài)充填體的剪切應(yīng)力和塑性黏度隨剪切速率的變化規(guī)律如圖3所示。隨著剪切速率的增加，三相流態(tài)充填體的剪切應(yīng)力逐漸增大，塑性黏度逐漸降低；當(dāng)剪切速率超過60 r/s時(shí)，砂漿內(nèi)部泡沫結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，剪切應(yīng)力和塑性黏度趨于穩(wěn)定。隨著氣泡含量的增多，漿體的初始屈服應(yīng)力、剪切應(yīng)力和塑性黏度不斷減小，表明氣相成分的加入有效地降低了漿體的黏度，改善了漿體的流變性能。

3.2 灰砂比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漿體流變性能的影響

氣泡率為20%、剪切速率為60 r/s、不同灰砂比的三相流態(tài)充填漿體的剪切應(yīng)力和塑性黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律如圖4所示。在灰砂比一定的條件下，漿體的剪切應(yīng)力和塑性黏度均隨著漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的條件下，漿體的塑性黏度隨著灰砂比的增大而逐漸增大；漿體的剪切應(yīng)力隨灰砂比的變化規(guī)律較復(fù)雜，整體上呈現(xiàn)出灰砂比越大，漿體剪切應(yīng)力越小，漿體流動(dòng)性能更好的特點(diǎn)。

圖3 不同剪切速率下氣泡率對(duì)漿體流變性能的影響Fig.3 Influence of bubble rate on rheological properties of slurry at different shearing rates:(a)Shear stress;(b)Viscosity

3.3 充填配比參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)多次的室內(nèi)配漿實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇，新橋礦三相流態(tài)充填漿體的最優(yōu)配比為：灰砂比為1:6、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%、氣泡率為20%。同等條件下，表4所列為與不含氣泡的全尾砂漿體的強(qiáng)度參數(shù)和流動(dòng)性指標(biāo)對(duì)比。經(jīng)配漿后的三相流態(tài)充填漿體泌水率下降29%，稠度和坍落度增加約20%，黏度降低25%，漿體的流變性能得到了極大的改善。

圖4 灰砂比和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漿體流變性能的影響Fig.4 Influence of mass fraction and cement-sand ratio on rheological properties:(a)Shear stress;(b)Viscosity

表4 三相流態(tài)充填體與普通充填體各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)對(duì)比Table4 Comparison of rheological parameter between three-phase filling slurry and ordinary filling slurry

3.4 降粘減切機(jī)理

對(duì)于含有氣、固、液三相流體的充填體而言，各相的物化性質(zhì)不同，表現(xiàn)的整體特性也不同[14]。當(dāng)不易流動(dòng)的固料分散到連續(xù)介質(zhì)的液體之后，一方面受到液體的浮力，有效質(zhì)量減小，一方面受到液體的包裹和潤(rùn)滑，變的易于流動(dòng)。在固、液體中摻入均勻分布的氣泡之后，水的湍流黏性底層實(shí)際被漿體內(nèi)部均布的氣泡代替，介質(zhì)的平均密度和面積都變小，從而使混合漿體的運(yùn)動(dòng)阻力大大減小。

圖5所示為灰砂比為1:6、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的兩相和三相流態(tài)充填體在養(yǎng)護(hù)28 d后的SEM像。由圖5可知，氣相成分的加入不僅可以有效地增大膠凝材料的表面積，促進(jìn)其水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)連續(xù)均勻分布的氣泡有助于漿體形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[15]，在改善其流變性能的基礎(chǔ)上，可以有效提升漿體的整體性。

3.5 管道輸送性能

為了驗(yàn)證氣相成分的加入在改善新橋硫鐵礦含硫高黏性全尾砂漿體流變性能，提高管道輸送效率方面的優(yōu)越性，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行三相流態(tài)充填體管路輸送模擬[16]。作為典型的非牛頓流體，經(jīng)均勻混合配漿后的三相流態(tài)充填體整體性好，可視為均質(zhì)滿管流的輸送狀態(tài)，漿體的流動(dòng)作不可壓縮定常流處理[17]。漿體模型選用歐拉法中的混合物模型，將垂直管道的模型的入口邊界設(shè)為速度入口，水平管道的出口邊界設(shè)為出口流動(dòng)[18]，垂直方向重力加速為9.8 m/s2。將氣泡率為20%和不含氣泡的全尾砂漿體在入口流速相同的情況下分別通過一個(gè)水平管內(nèi)徑為98 mm、垂直管內(nèi)徑為49 mm、管道粗糙度為0.12 mm、充填倍線為3.0的充填管路，其流速變化、壓力損失結(jié)果如表5、圖6和7所示。

圖5 不同流態(tài)的充填漿體的SEM像Fig.5 SEM images of filling slurry of different flows:(a)Two-phase flow;(b)Three-phase flow

設(shè)水平鉆孔彎管處壓力為0，在其他條件相同的情況下，三相流態(tài)充填漿體的出口壓力為-2.17×106Pa，較傳統(tǒng)兩相流態(tài)充填漿體的-3.15×106Pa降低約30%。三相流態(tài)充填體的彎管流速區(qū)間為2.99～4.27 m/s，出口流速為1.28 m/s，均明顯高于不含氣泡的兩相流態(tài)充填體。運(yùn)用Fluent軟件計(jì)算出三相流態(tài)充填漿體的管道沿程阻力為3.42 MPa，較之兩相流態(tài)充填漿體的4.58 MPa，降低約25%。

通過新橋礦室內(nèi)環(huán)管實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，氣相成分的加入可有效降低含硫高黏性全尾砂漿體的剪切應(yīng)力和塑性黏度，大大改善了其流變性能，避免了繁瑣的攪拌破碎工藝，提高了管道輸送效率。同時(shí)，發(fā)泡材料來源廣泛、發(fā)泡技術(shù)成熟、全尾砂膠結(jié)充填工藝簡(jiǎn)單，三相流全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在含硫礦山有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

表5 Fluent管道模擬結(jié)果Table5 Results of Fluent numerical simulation

圖6 三相流態(tài)充填體彎管流速分布Fig.6 Duct velocity profile of three-phase filling slurry

圖7 三相流態(tài)充填體彎管壁面壓力分布Fig.7 Pressure distribution of three-phase filling slurry at elbow wall

4 結(jié)論

1) 通過配漿實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出適新橋硫鐵礦含硫高黏性全尾砂的充填配比為：灰砂比為1:6、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%、氣泡率為20%。對(duì)比兩相流態(tài)充填漿體，其泌水率降低29%，黏度下降17%。

2) 固、液相中摻入均勻分布的氣泡后，水的湍流黏性底層實(shí)際被漿體內(nèi)部均布的氣泡代替，介質(zhì)的平均密度和面積都變小，混合漿體的運(yùn)動(dòng)阻力大大減小；同時(shí)，連續(xù)均勻分布的氣泡有助于漿體形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使整體性大大提高。

3) 基于Fluent的充填管道輸送過程模擬，三相流態(tài)充填漿體的出口壓力為-2.17×106Pa，比兩相流態(tài)充填漿體的出口壓力-3.15×106Pa降低約30%；彎管流速區(qū)間為2.99～4.27 m/s，出口流速為1.28 m/s，均明顯高于不含氣泡的兩相流態(tài)充填體；管道沿程阻力為3.42 MPa，降低約25%。

4) 通過新橋硫鐵礦現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)踐結(jié)果表明：氣相成分的加入在降低含硫高黏性全尾砂漿體的剪切應(yīng)力和塑性黏度，改善其流變性能，提高管道輸送效率等方面具有顯著的優(yōu)越性。

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