添加石蜡的复合充填材料流变性能实验研究★

张小艳 赵成林 刘 利 赵 敏 许慕妍 文 德

(西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

1 概述

充填采矿法以其对地压的有效控制、对尾矿的有效处理、对环境的有效保护而成为世界范围内广受应用的采矿方法[1,2]。对于深层矿产资源开采，高地温是导致热害的主要因素，世界上许多国家先后出现矿井热害问题。基于充填采矿技术，本研究提出将一定比例相变材料添加到充填料浆中形成蓄热充填材料，利用其蓄热性能吸收围岩及采场风流热量进行蓄热，为地热的有效开采提供便利条件。对于传统的充填料浆，已经开展了大量的流变性能研究，赵才智[3]测试了膏体充填料浆的流变参数，并回归料浆的流变方程。马浩吉[1]通过对膏体充填料浆流变性能的测定，揭示了灰砂比、粉煤灰添加量、质量浓度3个因素对料浆流变性能的影响。郭利杰[4]在扩散度和坍落度试验基础上，研究了尾砂性质、料浆浓度和砂灰比对尾砂充填料浆流变性能的影响。朱家锐[5]对新型胶凝材料T.C-I-全尾砂料浆、水泥—全尾砂料浆的工作特性和流变性能进行实验研究，揭示了全尾砂充填料浆的流变参数随灰砂比、质量浓度和剪切速率的变化规律。

目前国内外对蓄热充填料浆流变性能的研究较少,本研究以某铁矿尾砂添加水泥作为基本充填材料，灰砂比1∶6，然后以相变温度30 ℃的石蜡微胶囊作为蓄热材料部分替代尾砂，通过实验测试蓄热充填料浆的流变性能，探讨充填料浆浓度、蓄热材料添加量对蓄热充填料浆流变性能的影响，为蓄热充填料浆的管道输送提供理论参考。

2 实验与测试

实验选取相变温度为30 ℃的石蜡微胶囊作为蓄热材料，料浆浓度为68%,70%,72%，灰砂比为1∶6，石蜡添加量0%做空白实验，依次以石蜡添加量为5%,10%,15%,20%取代尾砂。实验选用德国HAAKE Viscotester iQ air流变仪(阻尼为30.00，热膨胀系数为1.100 μm/℃)进行测试。由于温度的改变会带来黏度的改变，所以该实验在室温下进行。

3 蓄热充填料浆流变性能测试结果与分析

不同料浆浓度及石蜡添加比例的蓄热充填料浆流变特性测试结果如表1所示。

3.1 充填料浆屈服应力及黏度变化分析

3.1.1石蜡添量及料浆浓度对屈服应力的影响

如图1所示为不同石蜡添加量下蓄热充填料浆的屈服应力变化曲线，图1表明：充填料浆的屈服应力随石蜡添加量的增加而增大。当石蜡添加量从0%增加到20%时，对于68%,70%,72%的料浆浓度，屈服应力依次增加了34.28倍、20.29倍、18.57倍。

表1 蓄热充填料浆流变参数测试结果

如图2所示为不同料浆浓度下蓄热充填料浆的屈服应力变化曲线，图2表明：充填料浆的屈服应力随料浆浓度的增大有所增加，但增加幅度不大。当充填料浆浓度从68%增加到72%时，对于0%～20%的石蜡添加量，屈服应力分别增加了1.09倍、0.39倍、0.95倍、0.37倍和0.16倍。数据分析显示：充填料浆的屈服应力随着料浆浓度和石蜡添加量的增加而增大，但石蜡添加量对充填料浆屈服应力的影响更加明显，因此，减少石蜡添加量有利于改善充填料浆的流变性能。

3.1.2石蜡添加比例及料浆浓度对黏度的影响

如图3所示为不同石蜡添加量下蓄热充填料浆的黏度变化曲线，图3表明：充填料浆的黏度随石蜡添加量的增加略有增大,但变化不明显。

如图4所示为不同料浆浓度下蓄热充填料浆的黏度变化曲线(不同石蜡添加量下黏度变化不明显，用一条曲线表示)，图4表明：充填料浆的黏度随着料浆浓度的增加而增大。当充填料浆浓度从68%增加到72%时，对于0%～20%的石蜡添加量，黏度大约增加了16%。

数据分析显示：充填料浆的黏度随料浆浓度的增加而增大，石蜡添加量对充填料浆黏度影响不大，因此，减小料浆浓度有利于改善蓄热材料对充填料浆流变性能的负面影响。

3.2 充填料浆剪切应力变化分析

如图5所示为在剪切速率为50 s-1时剪切应力随时间的变化曲线，图5表明：充填料浆的剪切应力随石蜡添加量的增加而增大。石蜡添加量在0%,5%,10%时，充填料浆的剪切应力随时间基本保持不变；石蜡添加量为15%和20%时，浆体的剪切应力先减小，然后趋于稳定的数值。

图6为阶梯剪切速率(50 s-1,60 s-1,70 s-1)下充填料浆剪切应力随剪切速率的变化曲线，图6表明：在阶梯剪切速率下充填料浆的剪切应力随着剪切速率的增加而增大；相同剪切速率下，当蓄热材料添加量相同时，剪切应力随料浆浓度的增加而增大，当料浆浓度相同时，剪切应力随蓄热材料添加量的增加而增大；蓄热材料添加量对剪切应力的影响要大于料浆浓度对剪切应力的影响。

4 结语

本研究通过对添加石蜡的蓄热充填料浆在不同料浆浓度、不同石蜡添加量下的流变特性进行实验测试与分析，得出以下结论：

1)充填料浆的屈服应力随石蜡添加量的增加而增大，当石蜡添加量从0%增加到20%时，对于68%,70%,72%的料浆浓度，屈服应力分别增加了34.28倍、20.29倍、18.57倍。充填料浆的屈服应力随料浆浓度的增大有所增加，但增加幅度不大，可见石蜡添加量对充填料浆屈服应力的影响更加明显，因此减少石蜡添加量有利于改善充填料浆的流变性能。

2)充填料浆的黏度随石蜡添加量的增加略有增大，但变化不明显。充填料浆的黏度随料浆浓度的增加而增大，当充填料浆浓度从68%增加到72%时，对于0%～20%的石蜡添加量，黏度大约增加了16%。因此，减小料浆浓度有利于改善蓄热材料对充填料浆流变性能的负面影响。

3)充填料浆的剪切应力随石蜡添加量的增加而增大。在阶梯剪切速率下，充填料浆的剪切应力随剪切速率的增加而增大；相同剪切速率下，剪切应力随料浆浓度的增加而增大，石蜡添加量对剪切应力的影响要大于料浆浓度对剪切应力的影响。