充填采矿新型胶结材料流变特性研究

夏德胜，高 谦，南世卿

（1.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山063000；2北京科技大学，北京100083）

随着矿业资源开发的需求，充填采矿技术在实践中不断的革新和完善，逐渐成为一种高效、安全的采矿方法。充填采矿技术不仅满足采矿工艺的要求，同时结合环境实现矿山废物的综合利用。尾砂胶结充填是充填采矿方法中重要的类型之一，意在降低开采成本和形成一个持久的有足够强度的充填体[1]。胶结材料是充填技术中最为重要的因素之一，其中水泥全尾砂作为充填胶结材料应用于井下充填，在许多矿山得到一定的推广应用[2]。利用钢铁废渣配以激发剂，开发一种新型胶结材料通过与骨料（尾砂）的相互作用产生高于普通水泥的固化效果，对推广充填采矿技术和尾砂的综合利用产生积极的作用。为了满足新型胶结材料在充填采矿中充填料浆管道输送要求，研究其料浆的流变特性成为管道输送能力和输送过程中的安全和可靠性的关键环节[3]。本研究在石人沟铁矿开展了水泥和新型胶结材料流变特性和流变参数的对比测试，通过两种胶结材料的对比分析，揭示不同浓度条件下砂浆流变特性随胶砂比的变化规律，进一步优化料浆浓度配比，从而为充填系统设计和运营提供依据。

1 两种胶结材料基本特性试验研究

试验以新研发的钢铁废渣加激发剂制成的新型胶结材料和冀东地区32.5水泥为对比胶结材料，以石人沟铁矿的全尾砂为基质材料，测得尾砂比表面积1740.32cm2／g，密度2.52g／cm3。进行充填材料的砂浆流变特性试验，选择灰砂比分别是1∶8、1∶10、1∶12、1∶15四种和砂浆浓度在75%～83%范围内进行两种胶结材料砂浆流变测试，获得砂浆的工作特性参数的试验结果如表1所示。

根据表1中的全尾砂浆的塌落度、稠度、泌水率和沉降率的试验数据，进行两种胶结材料的流变特性对比分析和研究。

1.1 砂浆的塌落度对比分析

充填料浆因自重而流动、因内部阻力而停止的最终变形量将会产生坍落现象。坍落度大小主要取决于料浆中固体颗粒的级配和料浆浓度，直接反映着料浆流动性的好坏与流动阻力的大小[4]。表1中四种胶砂比的两种胶结材料的塌落度与浓度的变化规律基本一致，即随着浓度的提高而降低。对于1∶10的胶砂比，新胶结材料砂浆塌落度大于水泥，而对于1∶8、1∶12和1∶15的胶砂比水泥全尾砂浆的塌落度略大于新胶结材料的塌落度。

1.2 砂浆稠度的对比分析

分析砂浆稠度在于揭示砂浆的流变性，由此评价砂浆管道输送的可行性与可靠性。表1中给出了4种胶砂比的两种胶结材料的全尾砂浆流动度（稠度）随着设计浓度的增大而减小。两种胶结材料的稠度的变化规律基本没有本质上的差异。

1.3 砂浆泌水率对比分析

砂浆泌水率是指泌水量与总含水量之比，反映了砂浆管流泌水和稳定性情况，其值越小，砂浆的稳定性越高[5]。表1给出了4种胶砂比的两种胶结材料的全尾砂浆泌水率均随着砂浆浓度的提高而降低。四种胶砂比中1∶10胶砂比的新型凝胶材料砂浆泌水率最低。

1.4 砂浆沉降率对比分析

充填料浆脱失后，充填体将发生缩水沉降，其沉降量的大小反应胶结充填体的接顶率，直接影响充填体充填效果和采场的稳定性。表1中两种胶结材料的全尾砂浆充填体的沉降率也随着砂浆浓度的提高而降低。1∶8的胶砂比中两种胶结材料的沉降率基本相同，对于1∶10的胶砂比水泥材料的沉降率小于新型材料，但对于1∶15的胶砂比，新型材料的沉降率又小于水泥。

表1 两种胶结材料石人沟铁矿全尾砂浆流变特性试验结果

2 两种胶结材料流变参数测试

为了进一步研究两种胶结材料的全尾砂砂浆的输送性能，对两种胶结材料的流变参数展开测试来衡量料浆管道输送性能和充填料浆流动性的重要指标[6]。

采用石人沟铁矿全尾砂，进行两种胶结材料的全尾砂砂浆流变参数测试。选用美国BROOKFIELD公司生产的R／Splus混凝土流变仪进行试验，试验的温度为室温（28℃），转子型号为V30－15，转速从30～60r／min变速，测定步长为3s。

2.1 两种胶结材料对比分析

表2为流变仪测试两种胶结材料在不同的砂浆浓度条件下，屈服应力和粘度系数的流变参数数据结果。

在料浆浓度为66%的条件下，表2中水泥胶结材料全尾砂浆的屈服应力基本上随着胶砂比的增加而增加；但新胶结材料全尾砂浆的屈服应力先是随着胶砂比的增加而增大，然后当胶砂比增大到1∶12时，屈服应力将随着胶砂比的增大减小，并逐步趋于稳定。

表2中水泥作为胶结材料的全尾砂浆的粘度系数，基本上随着胶砂比的增加而增大。当胶砂比达到1∶10时，砂浆的粘度系数趋于稳定，接近于一定值。新型胶结材料的全尾砂浆的粘度系数随胶砂比的变化为：降低—升高—降低，呈现出“S”型。对于1∶15～1∶12的低胶砂比砂浆，砂浆的粘度系数随胶砂比的增加而增大，然后随之减小，在胶砂比为1∶10时达到最小，随后又随着胶砂比的增加而增大。

表2 不同浓度的两种胶结材料全尾砂浆流变参数测试结果

浓度为68%的条件下，表2所示的两种胶结材料砂浆的屈服应力，水泥胶结材料随胶砂比的增大而增大，而新型胶结材料则随胶砂比的增加略有减小，但在1∶10的胶砂比时基本相等。68%浓度的水泥全尾砂浆粘度系数与胶砂比基本不变，而新型胶结材料仍显现出“S型的变化规律”。

浓度为70%的条件下，表2中新型胶结材料全尾砂浆的屈服应力高于水泥材料，而粘度系数随胶砂比的变化规律与低浓度的相似。

在72%的高浓度条件下，表2中两种胶结材料的全尾砂浆的流变参数随胶砂比的变化规律相类似。相比较，新型胶结材料的全尾砂浆流变特性对胶砂比更为敏感，但当胶砂比为1∶10时，新型胶结材料的流变参数均小于水泥材料。

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2.2 流变参数的统计分析

目前充填系统在对充填料浆浓度还难以实现精确控制，对输送料浆浓度的不确定性进行统计分析。本试验对料浆浓度的不同变化范围进行统计分析和参数评价。

2.2.1 料浆浓度为66%～72%的范围

根据前述所获得的不同料浆浓度所测试的流变参数，料浆浓度在66%～72%的范围内，分析两种胶结材料平均砂浆浓度为69%流变特性的变异系数与胶砂比的关系。

图1所示，新型胶结材料全尾砂浆的平均屈服应力随胶砂比增大而减小；而水泥则相反，即随胶砂比增大而增大。总体来讲，新胶结材料的屈服应力大于水泥材料，但在胶砂比为1∶8时，两种材料的屈服应力基本相等。

图1 砂浆平均屈服应力与胶砂比的关系曲线

图2中两种胶结材料的全尾砂浆粘度系数随胶砂比的变化规律也存在差异。新型胶结材料的全尾砂浆的粘度系数，对胶砂比较为敏感。

图2砂浆平均粘度系数与胶砂比的关系曲线

图3 和图4中表现出两种胶结材料砂浆流变参数的变异系数的差异性。对于砂浆屈服应力的变异系数，水泥材料的变异系数则随胶砂比增大而逐渐减小，最终趋于一常数；而新型胶结材料的变异系数则随着胶砂比的增大而增大。

图3 砂浆屈服应力的变异系数与胶砂比的关系图

图4 砂浆粘度系数的变异系数与胶砂比的关系图

水泥胶结材料的全尾砂浆粘度系数的变异系数对胶砂比更为敏感，变异系数较大，但新胶结材料的全尾砂浆的粘度系数的变异性较小，并且随着胶砂比的增大而减小。

2.2.2 料浆浓度为68%～70%的范围

表3中，与浓度在66%～72%范围内变化的平均流变参数相比，在68%和70%内变化的平均流变参数较前者具有显著降低。

表3 两种胶结材料全尾砂浆平均流变参数计算结果

图5和图6给出料浆浓度在68%～70%的范围内的两种胶结材料全尾砂浆平均流变参数随胶砂比的变化曲线，与66%～72%范围的均值浓度变化规律基本相似。

图5 砂浆平均屈服应力与胶砂比的关系曲线

图6 砂浆平均粘度系数与胶砂比的关系曲线

3 结论

通过对新型胶结材料和水泥的流变特性和流变参数的测试与对比分析，得出以下结论：

1）四种胶砂比的两种胶结材料的塌落度、稠度、泌水率和沉降率与浓度的变化规律基本一致，即随着浓度的提高而降低。在胶砂比为1∶10条件下的新型胶结材料的流动性和稳定性优于其他胶砂比。

2）随着浓度升高新型胶结材料的屈服应力呈下降趋势，并趋于稳定，且降低了胶砂比例，提高了砂浆的流动性。

3）在浓度为66%～72%的范围内，粘度系数随胶砂比的变化曲线呈现出“S”型，表明新型胶结材料的全尾砂浆流变特性对胶砂比更为敏感。

4）从66%～72%缩减到68%～70%的浓度范围内，两种胶结材料的平均流变参数显著降低，表明精确控制砂浆浓度，能够有效减小砂浆的流变参数，并且新型胶结材料的屈服应力和粘度系数均低于水泥材料，提高了料浆流动性和稳定性；从而减小管道输送阻力，有利于实现高浓度料浆管道自流输送的安全与可靠性。

[1]龚正国.充填料管道水力输送特性的数值分析与研究[D].长沙：中南大学，2008.

[2]余斌，张绍才，陈华珍.焦家新型尾砂胶结材料在低配比条件下固化特征初探[J].黄金，2006，27（10）：24－26.

[3]芦世俊.全尾砂高浓度充填料浆自流输送系统特性分析及设计[J].有色金属：矿山部分，2010，62（2）：75－78.

[4]郑伯坤.尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究[D].长沙：长沙矿山研究院，2011.

[5]王晓宇，乔登攀.废石－全尾砂高浓度充填料浆管输阻力影响因素分析[J].有色金属：矿山部分，2010，62（4）：61－65.

[6]王新民.基于深井开采的充填材料与管输系统的研究[D].长沙：中南大学，2006.