基于流變特性極差分析的碎石-全尾砂料漿配比優化研究*

凌斌輝

(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410019)

0 引言

膏體流變學是膏體充填技術的重要理論基礎[1-2],充填料漿的流變行為演化對整個充填工藝的濃密階段、攪拌階段、輸送階段、充填階段四個時期均會產生較大影響[3-6]。由于受到料漿組分、粒徑分布、料漿濃度、灰砂比、剪切環境、溫度、pH 等多種因素影響,料漿流變特性非常復雜[1],即使僅從“料漿組分”這單一影響因素來看,不同的材料組成會導致料漿的流變特性具有較大的差異。國內外學者針對分級尾砂、全尾砂、高延性水泥、高水速凝材料、膠固粉等材料下的流變特性展開了大量研究[7-10],而針對廢石-全尾砂流變特性的研究相對較少。隨著“綠色礦山”治理理念的提出與實施[11],國家在安全、環保等方面的監管變得愈發嚴格,新建排土場、尾礦庫的審批工作變得愈發困難。將廢石作為充填骨料輸送至井下采空區,既可緩解井下采空區可能造成的地壓災害,又可以降低尾礦庫和廢石場對環境和生產安全造成的危害,對實現“全廢治三害”具有非常重要的意義,因此有必要對此展開研究。

本文以國內某礦山充填系統工程為研究對象,針對不同膏體質量濃度、碎石摻量和水泥含量下的料漿綜合性能和流變特性各異的特點,首先通過CU、CC、-20μm 細粒級含量三項技術指標確定了合理的碎石摻量。然后采用正交設計實驗,按照碎石摻量5%、10%、15%、20%;膏體質量濃度77%、78%、80%、81%;灰砂比1∶4,1∶6,1∶8,1∶10建立實驗組,并通過極差分析,從屈服應力和塑性黏度兩方面對其進行了定量和定性分析,揭示了相應的影響規律。最后通過塌落度、強度、屈服應力和塑性黏度等關鍵技術指標篩選出最優配比,旨在為后續的工業試驗、充填系統設計以及設備選型提供基礎資料。

1 實驗材料及方案

1.1 充填材料密度測試

料漿組分包括全尾砂、P·O42.5 水泥、碎石、水。采用四分法對各樣品進行取樣,分別測試各樣品的容重、松散堆積密度、密實堆積密度。結果見表1。

表1 充填材料密度測試

1.2 充填材料粒級組成

(1) 全尾砂、水泥粒級組成。采用激光粒度分布儀測定物料的粒級分布,測試結果如下:全尾砂d10=5.385μm,d30=23.325μm,d60=79.862μm,-200目(-74μm)占比為57.68%,尾礦粒度較粗,但-20μm 的極細顆粒含量為27.14%,細粒含量滿足膏體充填要求[12],d10=3.149μm,d30=13.599 μm,d60=32.278μm,-200 目(-74μm)占 比88.11%,-20μm 的細顆粒含量為41.65%。

(2) 碎石粒級組成。碎石樣品風干后,首先用10 000μm 的篩網剔除+10 000μm 的樣品,然后將樣品按從大到小的順序依次通過小于10 000μm 的各級細篩,并記錄各級含量,結果見表2。

表2 碎石粒級分布

1.3 碎石摻量設計

(1)-20μm 含量分析:將碎石摻量比例按照5%、10%、20%、30%、40%與全尾砂進行混合,并計算全尾砂-碎石混合體中-20μm 細粒級含量,結果見圖1。

圖1 不同碎石摻量下-20μm 細粒級含量

根據圖1可知,碎石摻量在5%～40%范圍內,隨著碎石摻量的增加,全尾砂-碎石混合體中-20μm 細粒級含量呈現單調遞減的變化趨勢,但-20μm 細粒級含量均大于15%,滿足復合膏體充填要求[12]。

(2)CU和CC系數分析。根據不均勻系數CU和曲率系數CC表征物料粒級組成的均勻程度,分析結果見圖2。

圖2 不同碎石摻量下CU 和CC 值

式中,d10、d30、d60分別是指累計含量為10%、30%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑;CU反映顆粒級配的不均勻程度,CU≥5時表示顆粒大小分布范圍廣,級配良好;CC反映粒徑分布曲線上的顆粒級配整體形態,一般CC=1～3 時級配良好,密實程度比較好[13]。

由圖2可知,隨著碎石摻量的增加,全尾砂-碎石混合體的CU值和CC值表現出不同的變化規律。

CU值變化規律:不同碎石摻量的CU值均大于5,說明混合體粒級分布較廣,從增長趨勢來看,隨碎石摻量的增加,CU值呈現出遞增趨勢。其中碎石摻量從5%增加至30%時,CU值由14.12 增加至22.88,增長較平緩;碎石摻量從30%增加至40%時,CU值從22.88增長至50.12,急劇增加。

CC值變化規律:碎石摻量為5%～25%時,CC值處于1～3之間,說明料漿粒徑分布較為連續;碎石摻量為30%～40%時,CC值小于1,不滿足混合體粒徑分布連續性的要求。從增長趨勢來看,碎石摻量從5%增加至10%時,CC值由1.12 增加至1.26,碎石摻量從10%增加至40%時,CC值由1.26逐漸降低至0.63。

(3) 碎石摻量優化。綜合分析-20μm 細粒級含量、CU、CC等關鍵指標的變化規律可知,碎石摻量在5%～40%范圍內,-20μm 細粒級含量、CU值均滿足要求;但碎石摻量為30%～40%時,CC值＜1;碎石摻量為25%時,CC值＞1,但考慮到實際生產與實驗室有差距,最終推薦碎石摻量為5%、10%、15%、20%。

2 實驗結果及分析

2.1 充填料漿的主要技術指標

為揭示不同膏體質量濃度、不同碎石摻量和不同灰砂比下的料漿塌落度、離析率、泌水率、凝結時間、強度、屈服應力和塑性黏度等指標的變化規律,設置質量濃度分別為77%、78%、80%、81%的四種料漿;5%、10%、15%、20%四種碎石摻量;1∶4,1∶6,1∶8,1∶10 四種灰砂比。由于考慮因素較多,為減少工作量且能較為準確地反映指標變化規律,采用正交實驗,測得各組的塌落度、離析率、泌水率、凝結時間、強度、屈服應力和塑性黏度等主要技術指標,見表3。

根據膏體充填要求,塌落度為25～28 cm,屈服應力小于150 Pa時,料漿具有較好的流動性;根據采礦工藝要求,充填體14 d 強度(R14d)應大于2 MPa。按上述條件對實驗組合進行篩選,第4、7、8組滿足要求。

2.2 充填料漿屈服應力極差分析

由正交實驗得到屈服應力實驗數據,通過極差分析得到的結果見表4。表4中K1為膏體質量濃度77%、碎石摻量5%,灰砂比1∶10 下的實驗指標,其余K n值依次類推,由此可以判斷出各影響因子下的最差水平和最優水平。Kvag為對應K n的平均值,R=Kvag(最大值)-Kvag(最小值),表示各影響因子作用下屈服應力的變化范圍,其大小代表對應影響因子對屈服應力的影響程度大小。

表4 充填料漿屈服應力極差分析

通過表4的分析數據可知:單因子影響下,充填料漿的屈服應力隨著膏體質量濃度、灰砂比增大而不斷增加,表現為正相關,隨著碎石摻量的增加不斷減小,表現為負相關。各因子下R值差別較明顯,膏體質量濃度＞灰砂比＞碎石摻量,說明質量濃度對充填料漿的屈服應力影響最大,灰砂比次之,碎石摻量影響最小。因此可推斷出:當膏體質量濃度為77%,灰砂比為1∶10,碎石摻量為20%時,充填料漿的屈服應力最小。

2.3 充填料漿塑性黏度的極差分析

由正交實驗得到塑性黏度實驗數據,通過極差分析得到的結果見表5,表中符號及其代表的含義與表4相同。

表5 充填料漿塑性黏度極差分析

通過表5中的分析數據可知:單因子影響下,充填料漿的塑性黏度隨著膏體質量濃度、灰砂比的增加不斷增加,表現為正相關,隨著碎石摻量增加不斷減小,表現為負相關。各因子下R值差別較明顯,膏體質量濃度＞碎石摻量＞灰砂比,說明膏體質量濃度對充填料漿的塑性黏度影響最大,碎石摻量次之,灰砂比影響最小。因此可推斷出:當膏體質量濃度為77%,灰砂比為1∶10,碎石摻量為20%時,充填料漿的塑性黏度最小。

3 結論

(1) 對-20μm 細粒級含量、不均勻系數CU和曲率系數CC三個技術指標進行綜合分析后發現,當碎石摻量為5%、10%、15%、20%時,全尾砂-碎石料漿級配效果較好。

(2) 單因子影響下,膏體屈服應力和塑性黏度隨著膏體質量濃度、灰砂比增加不斷增加,表現為正相關,隨著碎石摻量增加不斷減小,表現為負相關。

(3) 不同因子對充填料漿屈服應力的影響程度有明顯差別,其中膏體質量濃度對料漿屈服應力的影響最大,灰砂比次之,碎石摻量影響最小。

(4) 不同因子對充填料漿塑性黏度的影響程度有明顯差別,其中膏體質量濃度對料漿塑性黏度的影響最大,碎石摻量次之,灰砂比影響最小。

(5) 通過對充填料漿塌落度、強度、屈服應力和塑性黏度等關鍵指標進行綜合分析,選定膏體質量濃度77%,碎石摻量20%,灰砂比1∶4為最佳配比組合,可為后續工業試驗及生產實踐提供參考依據。