红泥坡铜矿全尾砂/废石充填料浆流变性及充填体强度实验研究

赵建光，孙 伟，董大刚，周万忠，张盛友，李金鑫

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院, 云南 昆明 650093; 2.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室,云南 昆明 650093; 3.凉山矿业股份有限公司，凉山 四川 615146)

0 引 言

金属矿产资源对国民经济发展和社会进步有重要影响作用.近年来，金属矿山浅部资源日渐匮乏，国内外陆续对深部矿产资源进行开采[1].传统的采矿法遗留的采空区、尾砂、废石对矿山产生严重的污染与危害[2]，充填采矿法利用相关技术将固体废弃物(尾砂、废石)制备成充填体，充填至采空区，是解决矿山开采引发的资源浪费、环境污染、安全隐患等问题的首选方法[3-6].在长期的充填实践中，人们已经认识到在一定范围内充填体的强度与灰砂比、料浆质量分数、养护龄期呈正相关，但随着水泥添加与料浆质量分数的提高，料浆的流动性就会变差，废石的添加可在一定程度上提高充填料浆的流动性与充填体的强度[7-8].张修香[9]等通过废石尾砂的高质量分数料浆流变实验，得出灰砂比和质量分数对料浆屈服应力的影响更为显著；尹升华等[10]通过研究温度、尾骨比、静置时间对料浆流变特性的影响，结果表明剪切应力与温度成负相关，与尾骨比值和静置时间呈正相关；龙海潮等[11]探究粗细物料配比对浆体流变特性影响，得出固体颗粒质量分数一定时，粗细颗粒配比减小时，黏度会出现由大变小、再由小变大的趋势；徐文彬等[12]通过颗粒对浆体流变特性的影响研究，认为细颗粒含量是影响浆体流变特性的重要因素；于恩毅等[13]通过研究废石掺量对充填体强度及变形的影响，得出一定量的粗骨料可以提高充填体的强度并减小充填体产生的变形；付自国等[14]对废石风砂胶结充填体进行响应曲面分析，得出两因素之间的交互作用对强度有很大影响.本文主要分析了废石掺量、灰砂比、料浆质量分数对料浆流变特性及充填体抗压强度的影响规律，为矿山充填提供一定的参考.

1 实验材料

实验尾砂取自红泥坡铜矿，尾砂比重为2.79 t/m3，尾砂粒径组成曲线如图1所示，全尾砂粒径在-74 μm的累计含量约为70%，-103 μm的累计含量约为80%，尾砂化学成分如表1所示，主要成分为SiO2、Al2O3、TFe、CaO、MgO.实验所用废石比重为2.82 t/m3，粒径均小于 1 cm，粒径在-2.36 mm的累计含量约为50%，-4.75 mm的累计含量约为74%，采用42.5普通硅酸盐水泥，参见图2.

图1 尾砂粒径组成曲线Fig.1 Particle size composition curve of tailings

图2 废石粒径组成曲线Fig.2 Particle size composition curve of waste rock

2 实验方法

2.1 实验仪器

实验采用R/S流变仪，选用VT-40-20(3600126)转子，选用400 mL烧杯测量流变参数，选用YAW-300B型微机控制压力机，最大试验力300 kN，电机功率0.75 kW，试验力示值相对误差为示值的±1%以内.实验仪器及过程参见图3、图4.

(a) R/S流变仪 (b) 流变实验过程 图3 R/S流变仪照片及实验过程Fig.3 R/S rheometer photos and experimental process

图4 充填体单轴压缩实验过程及仪器Fig.4 Filling body uniaxial compression experiment process and instrument

2.2 实验方案

根据工程需要，设计了料浆质量分数由66%至84%，废石掺量为0、10%、20%、30%、40%，灰砂比为0、1∶20、1∶4共65组充填料浆，研究剪切速率-应力变化曲线、剪切速率-表观黏度变化曲线，通过实验确定料浆质量分数、废石掺量、灰砂比对料浆流变特性的影响.

设计了料浆质量分数为68%至80%，废石掺量为0、10%、20%、30%、40%，灰砂比为1∶20、1∶12、1∶8、1∶6、1∶4，养护龄期为7 d、14 d、28 d，尺寸为70.7 mm×70.7 mm充填体试件进行单轴抗压强度的测试，通过实验确定料浆质量分数、废石掺量、灰砂比、养护龄期对充填体强度的影响.

根据实验方案，将称量好的实验材料(尾砂、废石、水泥、水)倒入混合容器，强力搅拌形成均匀充填料浆，取出一部分放入烧杯，利用R/S流变仪进行流变实验；将搅拌完成的充填料浆注入70.7 mm×70.7 mm标准长方形模具，进行人工振捣，刮平、拆模之后放入养护箱养护，养护温度22℃，湿度95%.每种配比制作试件3个，使用压力试验机对规定龄期的试件进行抗压强度实验.

3 实验结果及分析

3.1 流变模型的建立

对配置的65组不同配比的料浆进行实验，将所得数据进行绘图得出相应的流变曲线.由于实验组数较多且限于篇幅，仅选出3组典型的流变曲线模型进行分析.

由图5可知，在相同的条件下，剪切应力随着废石掺量的增加而降低，主要是料浆细颗粒含量对屈服应力大小有着很大的影响，即料浆细颗粒越多，剪切应力值越大.料将内部的细颗粒具有较强表面物理化学作用，也因此料浆内部会产生“颗粒絮凝成团”的现象，在一定质量分数的条件下可以形成具有抗剪强度的网状结构.屈服应力的产生正是由黏性细颗粒形成网状结构而引起的，废石掺量的增加，致使料浆中的细颗粒含量降低，剪切应力减小；10%废石掺量的剪切应力要明显大于其余废石掺量的剪切应力.

图5 不同废石掺量条件下剪切速率-应力曲线Fig.5 Shear rate-stress curves under different waste rock content

由图6可知，废石掺量保持在30%无水泥添加的情况下，屈服应力随着料浆质量分数的增长逐渐增大，质量分数越大，屈服应力增大的程度越明显，废石的添加与水泥的添加并不会影响此规律的出现，说明有无废石与水泥添加的料浆都符合一定规律：一方面，料浆内固体颗粒含量越多，絮凝成团，形成的具有抗剪强度的网状结构就更多；另一方面，固体颗粒含量的增加，使颗粒间的碰撞和摩擦次数增加，因此屈服应力增加得更加明显.

图6 不同质量分数条件下剪切速率-应力曲线Fig.6 Shear rate-stress curves under different mass fraction

由图7所示，屈服应力随料浆质量分数和灰砂比的增加而增大，料浆质量分数为76%的剪切应力曲线明显高于料浆质量分数为74%的曲线，料浆质量分数为74%的三条曲线剪切应力相差较小，料浆质量分数为76%，灰砂比为1∶4的曲线剪切应力明显高于另外两条，且灰砂比为1∶4的曲线呈指数状态增长呈现出剪切增稠的现象(膨胀体)，主要原因为水泥在与水接触后，异性电荷相互吸引、相互碰撞、热运动、范德华力等原因引起絮凝，浆体内部的各种颗粒之间形成了连续的结构，使料浆流动性变差.

图7 不同灰砂比条件下剪切速率-应力曲线Fig.7 Shear rate-stress curves under different cement-sand ratios

由图8可知，随着剪切速率的增大，料浆的表观黏度逐渐降低直至稳定，表明料浆具有剪切稀化特征；废石掺量为10%，灰砂比为1∶4的料浆初始表观黏度最大，其次为废石掺量为10%、灰砂比为1∶20的料浆，表观黏度随着剪切速率的增加而减小，由于搅拌破坏了料将原有的细观网状结构，导致料浆的相对结构系数降低，降低了料浆的表观黏度，料浆的流动性从而得到了提高；随着废石掺量的增加，料浆的初始表观黏度逐渐降低，当废石掺量由10%提升到20%时，料浆的表观黏度下降程度最为明显.

图8 不同废石掺量条件下剪切速率-表观黏度曲线Fig.8 Shear rate-apparent viscosity curve under different waste rock content

由图9可知，料浆质量分数对初始表观黏度有着显著影响，随着质量分数的增加，料浆初始表观黏度逐渐增大，质量分数较低时，质量分数的增加对料浆黏度的影响较小，质量分数较高时，影响较大，当质量分数由78%提升至80%时，存在一个大范围的提升，细颗粒及其表面吸附着一定厚度的水膜，当质量分数增大到一定程度时，部分颗粒间的接触方式由水膜接触转变为颗粒直接接触，大大增加料浆内部的摩擦阻力，出现黏度陡增的现象.

图9 不同质量分数条件下剪切速率-表观黏度曲线Fig.9 Shear rate-apparent viscosity curves under different mass fraction

由图10可知，废石掺量20%的情况下，同条件下质量分数由76%下降至74%，料浆的初始表观黏度均下降了50%以上；74%质量分数下，水泥的添加对黏度影响很小，76%质量分数下，水泥的添加对黏度的影响较大.

图10 不同灰砂比条件下剪切速率-表观黏度曲线Fig.10 Shear rate-apparent viscosity curves under different cement-sand ratios

3.2 实验结果处理与分析

通过实验来分析浆体的流变特性，建立流变模型.由图5、图6、图7可以看出，流变曲线是在剪切应力轴上有截距的上弯曲曲线，这是剪切变稀体(伪塑性体)的性质，因此采用精度更高、使用更广泛的Hershel-Bulkley模型，其通式如下：

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；K为刚度系数/黏度系数；n为流态性能指数；γ为剪切速率，s-1.因此，需用屈服应力、黏度系数和流动性指数3个参数来描述其流变特性.使用回归分析软件应用H-B模型对曲线进行拟合，得出屈服应力和塑性黏度的回归值，复相关系数检验拟合程度.不同配比流变拟合回归实验结果如表2所示.

与此同时，卫星定位系统、无线射频技术以及地理信息系统在危险品道路运输中没有得到广泛的运用。一旦出现安全事故，相关部门和救援机构无法及时获取真实信息，使救援部门无法在第一时间进行救援，造成事故危害变大、损失严重。目前，在长三角地区内只有浙江和上海地区的部分危险品运输车辆中装载了卫星定位系统，尚未得到全面的普及。

由表2可知，回归方程的复相关系数均在0.95以上，说明拟合值较为准确.

表2 不同配比流变拟合回归实验结果

由图11可知，不添加水泥的情况下，五种废石掺量下的料浆初始表观黏度都会随着料浆质量分数的升高而增加，质量分数较小时，质量分数的提高对初始表观黏度的影响较小，随着质量分数的升高，当质量分数达到一定值时，质量分数对初始表观黏度的影响大幅度增加，此刻的质量分数为“临界质量分数”，废石的添加会影响临界质量分数的出现，废石掺量为10%的料浆临界质量分数约为76%，废石掺量为20%的料浆临界质量分数约为78%，废石掺量为30%的料浆临界质量分数约为80%，废石掺量为40%的料浆临界质量分数约为82%.

图11 不同废石掺量下质量分数-初始表观黏度曲线Fig.11 Mass fraction-initial apparent viscosity curve under different waste rock dosage

4 充填体强度实验

对废石掺量为20%不同灰砂比、养护龄期、料浆质量分数的试件进行单轴抗压强度测试，充填体试件制备如图12.

图12 充填体试件的制备Fig.12 Preparation of filling body specimen

实验选用料浆质量分数、养护龄期、水泥添加量为自变量，20%废石掺量条件下的充填体强度为响应值，各因素水平具体取值见表3.

表3 响应面的设计因素及水平

4.1 实验结果

实验方案及结果见表4，采用design-expert软件对表中17组数据进行多元线性拟合，所建立的回归模型为

表4 响应面实验设计与结果

(2)

式中：X1代表料浆质量分数，%；X2灰砂比；X3养护龄期，d，下同.由此，得到20%废石添加量充填体抗压强度的响应面函数：

(3)

4.2 模型验证

为了检验建立的模型是否逼近真实值，进行显著性检验，见表5.

(4)

式中：SSR是平方和，SSE是残差平方和，n为样本容量，p为自变量个数.

对回归模型进行方差分析，见表5.模型F=80.79>F(3,13)=3.42，说明模型高度显著.

表5 强度特性回归模型方差分析

为了说明预测模型的准确性，根据表4中的数据，计算模型预测值和实际值的相对误差.模型中，有两个预测值误差要超过10%，其余均低于10%，表明模型计算值与实际值吻合较好.

4.3 实验结果分析

由表5可知，一次项灰砂比(X2)，养护龄期(X3)极显著(P<0.000 1)，其中灰砂比的F值最大，表明充填体抗压强度受灰砂比的影响最大，料浆质量分数(X1)的F值较小，说明对充填体强度的影响相对较小；交互项灰砂比养护龄期的交互作用对充填体的抗压强度有较大影响，料浆质量分数灰砂比的交互作用对充填体的影响较小.

图13、图14、图15为不同料浆质量分数下，灰砂比和养护龄期的交互作用对充填体抗压强度影响.不同质量分数下，料浆固化后充填体的强度都随质量分数的增大而增加.养护龄期较小时，随着灰砂比的增大，抗压强度呈较慢的升高趋势；养护龄期增大时，随着灰砂比的增大，抗压强度的升高速度变大. 灰砂比较小时，养护龄期对充填体强度几乎没有影响；随着灰砂比的逐渐增大，养护龄期对抗压强度的影响才慢慢凸显.当养护龄期较短时，提升灰砂比相对于提高料浆质量分数更容易提高充填体的抗压强度.

图13 76%料浆质量分数条件下不同灰砂比与养护龄期对充填体强度影响Fig.13 Influence of different cement-sand ratio and curing age on backfill strength under 76% slurry concentration

图14 75%料浆质量分数条件下不同灰砂比与养护龄期对充填体强度影响Fig.14 Influence of different cement-sand ratio and curing age on backfill strength under 75% slurry concentration

图15 74%料浆质量分数条件下不同灰砂比与养护龄期对充填体强度影响Fig.15 Influence of different cement-sand ratio and curing age on backfill strength at 74% slurry concentration

74%、75%、76%质量分数下，养护龄期7 d时，灰砂比由1∶8提升到1∶4，抗压强度分别增幅约240%、240%、220%；养护龄期28d时，灰砂比由1∶8提升到1∶4，抗压强度分别增幅约380%、330%、280%.

5 结 论

1) 废石的添加可降低料浆的剪切应力和表观黏度，提高料浆的流动性，废石掺量越多，料浆的剪切应力和表观黏度就越低，废石掺量由10%提升至20%时作用效果最为明显；水泥的添加会增加料浆的剪切应力和表观黏度，料浆质量分数较低时，作用效果不明显，料浆质量分数逐渐升高时，作用效果逐渐明显；料浆质量分数越高，料浆质量分数降低时，屈服应力和表观黏度降低越明显，料浆质量分数对剪切应力和表观黏度的影响效果要高于灰砂比对剪切应力和表观黏度的影响效果.

2) 质量分数的提升会出现黏度陡增的现象，此刻的浓度为“临界质量分数”，一定条件下，废石添加量越多，料浆出现临界质量分数的临界值越大.

3) 采用design-expert对废石掺量为20%的充填体试件强度进行多元线性拟合与模型预测，模型拟合度较高，灰砂比和养护龄期对抗压强度的影响效果要大于料浆质量分数对抗压强度的影响效果.

4) 养护龄期不变时，灰砂比的增加使充填体强度的增加逐渐明显，养护龄期越大充填体强度增加得越明显；灰砂比较小时，养护龄期的增加对充填体的强度几乎无影响，灰砂比增大到一定程度时，养护龄期对充填体强度的影响才慢慢凸显.