杜加法 劉曉光 王京生 侯 晨 朱兆文

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.山東黃金集團(tuán)充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái) 261438；3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺(tái) 261438）

新城金礦主礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，采深增加引起的地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重威脅地下采場(chǎng)安全，為了更安全高效地回采，迫切需要強(qiáng)度更高質(zhì)量更穩(wěn)定的充填體。另外深部采場(chǎng)排水困難，若沿襲以往礦山采用的分級(jí)尾砂充填方式，必然導(dǎo)致巷道積水嚴(yán)重，增加礦山生產(chǎn)成本?；诖?，由于膏體充填具有不離析、不沉淀、不泌水和力學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì)［1-2］，已經(jīng)成為新城金礦深部采場(chǎng)的必然選擇。管道輸送是應(yīng)用膏體充填的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于膏體料漿成分復(fù)雜，影響因素眾多，對(duì)其管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不足一直是膏體充填技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)［3］。針對(duì)膏體的流變特性，眾多學(xué)者將膏體視為“結(jié)構(gòu)流”膏體，利用Bingham或H-B流變模型對(duì)其流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了分析［4-5］，其主要參數(shù)包括膏體的屈服應(yīng)力與塑性黏度。目前主要采用的測(cè)試方法為流變儀法和環(huán)管實(shí)驗(yàn)法，但目前應(yīng)用的流變儀種類眾多，試驗(yàn)操作也缺乏統(tǒng)一規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了較大的差異［6-7］。而環(huán)管法基于料漿在管道內(nèi)的壓力與流速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過換算獲得相應(yīng)料漿流變參數(shù)，由于接近實(shí)際，所得流變數(shù)據(jù)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用也更具有代表性。因此，本研究基于室內(nèi)L管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試全尾砂膏體的流變參數(shù)，研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰砂比等因素對(duì)于屈服應(yīng)力、塑性粘度等膏體流變參數(shù)以及管道輸送阻力、充填倍線等工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)的影響，并推薦最佳的膏體配合比，以滿足工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度和流動(dòng)性要求。

1 實(shí)驗(yàn)原理

相關(guān)研究表明膏體料漿在管內(nèi)以整體呈柱塞狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，顆粒之間不發(fā)生相對(duì)位移，因此可被視為賓漢姆體［8-9］。當(dāng)流體沿管道流動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為

式中，τ為管壁剪切應(yīng)力，Pa；τ0為初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力），Pa；η為黏性系數(shù)，Pa·s；du/dy為剪切速率，s-1。

根據(jù)流變方程式（1），并考慮管道全斷面具有流速V，根據(jù)伯努利方程可得：

式中，D為管道直徑，m；V為料漿流速，m/s。

一般認(rèn)為τ0/τ高次冪很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切應(yīng)力：

當(dāng)采用L管進(jìn)行膏體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)膏體受力分析圖1所示。

根據(jù)能量守恒定律，可得出：

式中，P0為進(jìn)口處壓力；Pg為料漿自重壓力；P1為沿程阻力損失；P'為出口壓力損失。

式中，γ為料漿比重，N/m3；g為自重加速度，9.8 m/s2；ξi為局部阻力損失系數(shù)；h'為料斗中料漿高度，m；h為豎直管高度，m；L為水平管長度，m。

沿程局部損失項(xiàng)P局包括彎管損失、接頭損失等等，計(jì)算較為繁雜，為了簡(jiǎn)化起見，一般取其為直管損失的10%～20%，在數(shù)據(jù)分析計(jì)算時(shí)，取15%。則式（5）～式（8）代入式（4），化簡(jiǎn)后可得：

根據(jù)式（9）可以計(jì)算充填料漿的管壁剪切應(yīng)力，隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，料斗內(nèi)料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動(dòng)時(shí)，豎管內(nèi)料柱高度為h0，料漿自重壓力與管道靜摩擦阻力相平衡，這時(shí)即可計(jì)算料漿的屈服剪切應(yīng)力：

此時(shí)，根據(jù)式（3）可計(jì)算出料漿的黏性系數(shù)：

同時(shí)，可得到管道單位長度流動(dòng)阻力i以及充填倍線λ：

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

充填料漿所用尾砂取自新城金礦的浮選尾砂，其粒徑組成由水篩篩分法分析，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，全尾砂粒級(jí)組成呈中間少兩邊多趨勢(shì)，但-625目（-20 μm）以下占比25.32%，總體上較細(xì)，符合膏體料漿制備條件［10］。尾砂的物理力學(xué)特性見表2。

新城金礦采用的膠凝材料為山東黃金集團(tuán)自行研制的新型膠結(jié)材料，該材料通過選用70%礦渣（水淬爐渣）火山灰等材料和30%添加劑經(jīng)過不同配比，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示。其中膠凝材料+80 μm含量通過細(xì)度篩析儀測(cè)定，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間通過維卡儀測(cè)定，比表面積通過比表面積測(cè)定儀測(cè)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)裝置如圖2所示，由受料漏斗、支架、盛料槽以及L管主體結(jié)構(gòu)組成，其中豎直管高度h＝1.05 m，水平管長度L＝2 m，管道內(nèi)徑D＝0.1 m。測(cè)試時(shí)，首先用膠塞堵住L管漏斗底口，之后將配置好的料漿倒入漏斗中，測(cè)量此時(shí)漏斗中的料漿高度h'；然后提出膠塞，使料漿在自重條件下在L管內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)使用秒表計(jì)時(shí)，計(jì)算漿體流速V；實(shí)驗(yàn)過程中為獲取準(zhǔn)確的流量，應(yīng)將穩(wěn)定速度狀態(tài)保持20 s以上時(shí)間；最后待料漿流動(dòng)停止之后，測(cè)量靜止料柱高度h0。根據(jù)所測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可分別按照式（9）～式（13）計(jì)算相關(guān)流體參數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)采礦方法對(duì)充填工藝的需求，采場(chǎng)經(jīng)常被分為兩步驟進(jìn)行充填。一步驟采場(chǎng)充填體需要強(qiáng)度高、固結(jié)快，水泥添加量往往較高；二步驟采場(chǎng)往往能夠達(dá)到固結(jié)要求即可，因此水泥添加量較小。根據(jù)新城金礦充填時(shí)間，一步驟采場(chǎng)膏體的灰砂比一般在1∶4～1∶8，濃度要求一般在74%以上，而二步驟采場(chǎng)膏體灰砂比一般在1∶10～1∶20，濃度要求一般為72%，基于上述分析，本實(shí)驗(yàn)中膏體灰砂比選擇為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶15，1∶20，濃度選擇為 72%，74%，76%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 料漿濃度影響

圖3是膏體料漿在不同濃度條件下的流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律。由圖3可見，隨著料漿濃度的升高，管壁剪切應(yīng)力，屈服剪切應(yīng)力以及流動(dòng)阻力都大大增加，而充填倍線則明顯降低。這主要是因?yàn)楦囿w中濃度上升時(shí)，固體顆粒的增加導(dǎo)致他們之間的摩擦力增加，顆粒之間相互移動(dòng)所受到的阻力增大，從而使得漿體的剪切應(yīng)力以及流動(dòng)阻力增加，充填倍線降低。另外需要指出的是，膏體濃度從74%上升為76%時(shí)，相比濃度從72%上升到74%，相關(guān)參數(shù)上升或下降的幅度都更加明顯。這說明存在一個(gè)“拐點(diǎn)”濃度，超過此濃度，顆粒之間相互接觸摩擦的幾率會(huì)大大增加，絮凝作用導(dǎo)致的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越發(fā)育，相應(yīng)流變參數(shù)變化也會(huì)越大。

3.2 灰砂比影響

圖4展示了膏體料漿在不同灰砂比條件下的流動(dòng)參數(shù)變化情況。如圖4所示，管壁剪切應(yīng)力、屈服剪切應(yīng)力以及流動(dòng)阻力隨著灰砂比的增加（也就是水泥摻量的增加）都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，因此充填倍線也都相應(yīng)降低，說明膠凝材料比例的增加導(dǎo)致料漿的流動(dòng)性降低。這主要是由于采用的膠凝材料顆粒較細(xì)，顆粒在+80 μm以上含量僅占5.82%以上，細(xì)顆粒的增加會(huì)導(dǎo)致漿體內(nèi)部絮凝作用增強(qiáng)，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)導(dǎo)致自由水含量的降低，變相增加了漿體的固體濃度，使得剪切應(yīng)力增加。另外，膠凝材料灰砂比的增多使水化反應(yīng)增強(qiáng)，水化反應(yīng)是一個(gè)消耗水的過程，這也是導(dǎo)致高灰砂比條件下漿體流動(dòng)性變差的因素之一。

3.3 極差分析

為分析膏體灰砂比A和濃度B對(duì)膏體屈服剪切應(yīng)力、流動(dòng)阻力和充填倍線影響的主次順序，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4

在極差分析中，極差值越大表明該因素對(duì)相關(guān)參數(shù)影響越大。從表4可以看出，膏體濃度對(duì)于料漿的屈服剪切應(yīng)力、流動(dòng)阻力以及充填倍線的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灰砂比的影響，說明了膏體的流動(dòng)特性受到膏體濃度的控制，而在膏體強(qiáng)度方面，灰砂比的影響高于膏體濃度的影響，但是可以看出兩者影響差距并不像上述對(duì)于膏體流動(dòng)參數(shù)影響差異那么巨大，說明設(shè)計(jì)膏體強(qiáng)度時(shí)，盡管灰砂比影響占據(jù)主導(dǎo)地位，但是膏體濃度的影響不能忽視。

3.4 最佳充填配比確定

由于礦體上部有村莊，高速公路分布，地表不允許產(chǎn)生較大變形，礦山主要采礦方法是盤區(qū)式以及進(jìn)路式上向水平分層充填采礦法。根據(jù)相關(guān)安全要求及膏體輸送需求，膏體的屈服應(yīng)力最大應(yīng)不超過200 Pa，充填體一步驟28 d強(qiáng)度應(yīng)不低于1.5 MPa，二步驟采場(chǎng)內(nèi)膏體強(qiáng)度應(yīng)不低于0.7 MPa。按照上述礦山要求，考慮室內(nèi)膏體流變特性和強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果，并綜合考慮礦山生產(chǎn)成本，推薦的最佳膏體配比見表5。

4 結(jié)論

（1）膏體料漿濃度的上升，會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)剪切應(yīng)力、流動(dòng)阻力的增加，充填倍線降低。充填倍線的降低，存在一拐點(diǎn)濃度（本項(xiàng)目中為74%），超過此濃度，膏體的流動(dòng)能力會(huì)產(chǎn)生明顯的降低。膏體濃度對(duì)充填體流動(dòng)特性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灰砂比的影響，而灰砂比是影響膏體強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素，但料漿濃度的影響也不能忽視。

（2）根據(jù)一二步驟采場(chǎng)的輸送和強(qiáng)度需要，一步驟采場(chǎng)推薦膏體濃度為74%，灰砂比為1∶6，而二步驟采場(chǎng)推薦膏體濃度為74%，灰砂比為1∶8。