不同減水劑對某礦高濃度充填料漿輸送性能影響研究

李金鑫，孫 偉，張盛友，劉衛(wèi)東

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，云南 昆明 650093；3.金川集團(tuán)股份有限公司三礦區(qū)，甘肅 金昌 737103)

全尾砂膏體充填能有效解決深部金屬礦山開采過程中的安全問題，減少工業(yè)固體廢料排放，有效控制地表沉降[1-2]。與以往的膠結(jié)充填技術(shù)相比，膏體充填具有更好的穩(wěn)定性和可塑性，充填強(qiáng)度高、不離析、不沉淀、接頂效果好、對地下水污染小等優(yōu)勢，在深部金屬礦山開采中具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。屈服應(yīng)力是膏體的重要流變參數(shù)，屈服應(yīng)力越大，膏體越黏稠，越不易流動，只能采用泵壓的方式通過管道將充填料漿送入采空區(qū)，所以如何在不影響充填體強(qiáng)度的情況下，增大料漿流速且不容易損傷管道是井下充填技術(shù)需要解決的一個關(guān)鍵難題[5]。很多學(xué)者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)減水劑的加入可以改善料漿的流動性、縮短凝結(jié)時間。李宏泉等[6]通過長距離環(huán)管試驗，得到泵送減阻劑的加入會增加料漿的流動性，降低膏體在管道輸送過程中的阻力。薛杉杉等[7]使用流變儀分析了萘系減水劑及BF高效減水劑對料漿流動性的影響。鄭娟蓉等[8]通過壓汞測孔法，表明減水劑的加入可以降低充填體的總孔隙率，從而提高充填體的抗壓強(qiáng)度。

本文通過塌落度實驗，研究不同減水劑(聚羧酸減水劑、萘系減水劑、三聚氰胺減水劑)及添加量對料漿塌落度的影響， 并引入塌落度-屈服應(yīng)力計算模型求解料漿的屈服應(yīng)力。

1 塌落度-屈服應(yīng)力模型構(gòu)建

塌落度主要是指混凝土的和易性，用一種上下開口的塌落度桶來測定，測試方法如圖1所示[9]。MURATE在1984年首次構(gòu)建了無量綱圓錐模型用以表示塌落度和屈服應(yīng)力之間的關(guān)系[10-11]。PASHIAS等[12]在1996年首次提出了無量綱圓柱模型，雖然計算準(zhǔn)確性有所提高，但模型計算公式比較復(fù)雜，而且小型圓柱型塌落度桶對骨料粒徑要求較高，不適合做現(xiàn)場試驗[13]。本文主要依據(jù)MURATE模型理論，構(gòu)建圓錐模型，其研究方法與分析原理如圖2所示[14]。

圖1 塌落度測試原理圖

圖2 塌落前后應(yīng)力分布

以標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶上部開口中心線為y軸，水平方向為x軸建立直角坐標(biāo)系(圖2)，由于密度為ρ的充填料漿在標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶內(nèi)只受到重力作用(g取10 m/s2)，則高度z處所受上覆料漿的壓力PZ見式(1)。

(1)

在根據(jù)三角形相似原理結(jié)合圖2，可將式(1)轉(zhuǎn)化為式(2)。

(2)

由于標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶的上口直徑與下口直徑之比為1∶2，所以z處最大剪切應(yīng)力等于Pz的一半，見式(3)。

(3)

實驗過程中，提起塌落度桶，當(dāng)料漿層的剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，料漿層不塌落；當(dāng)料漿層的剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，料漿層塌落；直到料漿層的剪切應(yīng)力與屈服應(yīng)力相等時，料漿層停止塌落。如圖2(b)所示，假定該充填料漿不可壓縮，則屈服變形段每層充填料漿的體積不變，z層料漿由半徑rz和厚度dz形變后變?yōu)閞z1和dz1。因為屈服變形段的料漿層體積沒有發(fā)生變化，所以上覆料漿的重力不變。變化前后的關(guān)系見式(4)。

(4)

(5)

(6)

(7)

2 儀器、原材料、實驗方法及結(jié)果分析

2.1 試驗儀器

本試驗采用的儀器主要有標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶、直尺、三角尺、鐵鍬、抹刀、搗棒、攪拌機(jī)等。

2.2 試驗原料

使用某礦全尾砂作為實驗原料，尾砂密度為2.79～2.81 t/m3，平均為2.80 t/m3；松散密度在1.123～1.134 t/m3之間，平均為1.130 t/m3；密實堆積密度在1.433～1.465 t/m3之間，平均為1.445 t/m3；尾砂松散孔隙率平均為59.64%，密實孔隙率平均為48.43%，全尾砂粒級組成詳見表1。實驗所用膠凝材料為普通硅酸鹽P.O42.5水泥。

表1 水篩分全尾砂粒級組成

2.3 實驗方法及目的

為滿足充填體的強(qiáng)度需求設(shè)置質(zhì)量濃度為73%，灰砂比為1∶4，設(shè)置一組不添加減水劑的實驗組作為對照組。減水劑摻量設(shè)計為：聚羧酸減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%，萘系減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.50%，三聚氰胺減水劑摻量0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.50%。將試驗所得塌落度值帶入式(6)和式(7)計算料漿的屈服應(yīng)力，計算結(jié)果見圖3～圖5。

2.4 試驗結(jié)果與分析

水泥加水?dāng)嚢韬螅捎谒囝w粒的水化作用，使顆粒表面形成一種溶劑化水膜，并且其表面帶有異性電荷，使流動的水泥漿體形成絮凝結(jié)構(gòu)。一部分拌合水被水泥顆粒包裹不能參與潤滑和自由流動，從而影響了充填料漿的流動性。當(dāng)加入一定比例的減水劑后，減水劑分子吸附在水泥顆粒表面，使水泥顆粒帶同種電荷，水泥顆粒相互分開，絮凝結(jié)構(gòu)解體，包裹的自由水被釋放參與流動從而增加了充填料漿的流動性。不同減水劑對料漿流動性影響不同，料漿的流動性與減水劑摻量及種類有關(guān)。每種減水劑都存在某一臨界值，超過該臨界值將影響高質(zhì)量充填料漿的形成。固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加聚羧酸減水劑料漿，其塌落度實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，不加入減水劑的情況下，料漿的屈服應(yīng)力達(dá)到380 Pa，不利于井下料漿輸送，容易發(fā)生堵管。加入聚羧酸減水劑的料漿，隨著減水劑的增加，料漿的屈服應(yīng)力呈直線下降，聚羧酸減水劑添加量為0.05%時為應(yīng)力拐點，此時料漿的屈服應(yīng)力小于60 Pa，比較適合井下料漿輸送。超過0.05%時，料漿塌落度、擴(kuò)展度基本不發(fā)生變化，如圖3(b)所示。 當(dāng)聚羧酸減水劑添加量為0.2%時，料漿開始發(fā)生離析。

圖3 聚羧酸減水劑對料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加萘系減水劑料漿，其塌落度實驗結(jié)果如圖4所示。隨著萘系減水劑的增加，料漿的塌落度及擴(kuò)展度逐漸上升，當(dāng)減水劑摻量從0.05%增至0.10%時，料漿的塌落度及擴(kuò)展度基本不發(fā)生變化，因此萘系減水劑對用水量的敏感性弱于聚羧酸減水劑。當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時，萘系減水劑摻量的臨界值為0.5%，此時料漿的屈服應(yīng)力小于60 Pa，繼續(xù)增加萘系減水劑，料漿的流動性基本不發(fā)生變化，只會增加充填成本。

圖4 萘系減水劑對料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

固定入料濃度為73%，灰砂比為1∶4，添加三聚氰胺減水劑料漿，其塌落度實驗結(jié)果如圖5所示。隨著三聚氰胺減水劑的增加，料漿的塌落度及擴(kuò)展度逐漸上升，屈服應(yīng)力呈直線下降。當(dāng)減水劑添加量為0.05%、0.10%時，與不添加減水劑時相比，料漿的塌落度及擴(kuò)展度相差不大，其臨界值為0.50%，此時料漿的屈服應(yīng)力可滿足礦山自流輸送需求。

圖5 三聚氰胺減水劑對料漿塌落度、擴(kuò)展度及屈服應(yīng)力的影響曲線

3 經(jīng)濟(jì)成本分析

根據(jù)實驗配比計算出1 m3料漿的質(zhì)量為1 880.82 kg，水泥的質(zhì)量為343.25 kg，尾砂的質(zhì)量為1 029.75 kg，水的質(zhì)量為507.82 kg。減水劑摻量為水泥質(zhì)量的百分比(表2)。 由表2可知， 聚羧酸減水劑與另外兩種減水劑相比經(jīng)濟(jì)成本低，使用效果好，因此可以選用聚羧酸減水劑作為提高料漿流動性的外加劑。

表2 減水劑用量及減水劑成本

4 結(jié) 論

1) 加入減水劑的充填料漿與未加入減水劑的充填料漿相比，減水劑的加入可以大幅度降低充填料漿的屈服應(yīng)力，提高料漿在管道中的流動性，避免堵管現(xiàn)象發(fā)生；減水劑的添加量要控制在一定范圍之內(nèi)，當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時，聚羧酸減水劑為0.05%、萘系減水劑為0.50%、三聚氰胺減水劑為0.50%，此時料漿的流動性達(dá)到最優(yōu)，均能滿足自流輸送的要求。

2) 每種減水劑對料漿流動性的影響程度不同，聚羧酸減水劑對用水量十分敏感，因此使用過程中要嚴(yán)格控制減水劑用量。萘系減水劑及三聚氰胺減水劑對用水量的敏感性遠(yuǎn)不如聚羧酸減水劑，添加少量萘系減水劑及三聚氰胺減水劑對料漿的流動性基本沒有影響。

3) 結(jié)合成本要求及是否滿足自流輸送等綜合考慮，當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時，建議選用添加量為0.05%的聚羧酸減水劑。