DOC《粉煤灰全尾砂料浆流变特性及影响因素》

粉煤灰全尾砂料浆流变特性及影响因素 毛明发1 王炳文1 张文科1 游家梁1 赫宝龙1.

2 (1. 中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京 100083;

2. 开滦(集团)有限责任公司钱家营矿业分公司,唐山

063301 ) 摘要本文在流变特性试验的基础上, 运用流变学理论和统计学原理对全尾砂料浆的流变模型和流变参数影响因素进行了研究.深入分析了料浆质量分数、灰砂比、粉煤灰参量、温度以及胶凝时间等因素对流变参数的影响,揭示了其影响的主次顺序和影响规律,并建立了料浆流变参数、工作特性参数与主要影响因素的函数关系,丰富了充填工艺的理论依据. 关键词 流变特性 影响因素 水化温度 胶凝时间 Rheological Properties and Influence Factors of The Fly Ash Full Tailings Slurry Mao-Mingfa1 Wang-Bingwen1 Zhang-Wenke1 You-Jialiang1 He-Baolong1.2 (1. China university of mining &

technology (Beijing) Faculty of resources &

safety engineering, Beijing 100083;

2. Qianjiayin Branch of Kailuan (group) co., LTD, TangShan 063301) Abstract The author explores the rheological model and the influence factors of all tailing slurry on the basis of the rheological properties test by using the rheological theory and statistics principle. Slurry mass fraction, cement-sand ratio, content of fly ash, temperature and The hydration time on the influence of rheological parameter had been analysed deeply. It reveals the primary and secondary order and the effect law. Then the function relationship between slurry rheological properties, operating characteristics and the main influence factors was established, enriching the theoretical basis of backfill process. Keyword Rheological properties, Influence factors, Hydration temperature, Hydration time 0概述 全尾砂充填采矿能够充分利用选矿尾砂,减少尾矿库建设,有效控制矿山地压活动,防止地表塌陷,保护地表环境,具有损失率小、贫化率低、安全性高等优点.同时随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源开采强度逐年加大,充填采矿法作为一种安全无废绿色采矿方法,在矿山开采中应用日益广泛.料浆管道输送是实现矿产资源安全高效开采关键环节.充填料浆的质量分数、灰砂比、温度、胶凝时间、粉煤灰含量以及胶凝材料性质等因素对管道的输送能力、管道沿程阻力的计算以及输送过程的安全与可靠性具有决定性作用.针对水泥全尾砂充填料浆流变特性研究,是实现充填系统优化设计和高浓度管道减阻自流输送的基础[1-3].因此,本研究在实验的基础上运用流变学理论和统计学原理分析了以上各因素对水泥-全尾砂料浆流变参数的影响主次关系;

深入研究了不同质量分数以及不同灰砂比料浆的流变模型及流变特征;

建立了料浆流变参数、工作特性参数与主要影响因素的函数关系,为料浆制备、管道水力坡度计算、管路设计与参数优化等充填工艺提供理论依据. 1实验原理及方案设计 1.1 全尾砂料浆流变参数 高浓度浆体或膏体的输送性能与料浆的流变特性密切相关,其评价指标选用料浆的初始屈服应力τ0和黏度系数η[4].料浆初始屈服应力能使浆体结构屈服并流动所需要施加的最小应力.它是一个由形变速度、形变温度、形变程度决定的函数[5].黏度系数是高浓度料浆的固有本质,它反映了料浆抵抗剪切变形能力的大小,其大小为浆体塑性流动时应力与剪切速率的比值.黏度系数并非一个常数,随着料浆所承受的剪切速率变化而改变.比如在低剪切速率时,料浆处于层流状态,黏度系数大小主要由颗粒与颗粒、颗粒与水之间的附着力决定;

在高剪切应力时,料浆处于紊流状态,黏度系数主要以絮团之间的能量交换为主,其大小相对稳定,为一个波动较小的常数. 1.2正交试验 正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素实验、寻求最优水平组合的一种高效率实验设计方法,其基本特点是:用部分试验来代替全面试验,通过对部分试验结果的分析,了解全面试验情况.水泥-全尾砂料浆流变特性受胶凝材料的种类与含量、颗粒形状与物理化学性质、级配、灰砂比、料浆质量分数、温度和胶凝时间等因素的影响[6].本次实验选取料浆质量分数、灰砂比、温度、粉煤灰参量和水化时间等5个因素,同时每个因素选取4个水平来进行正交实验.L16(45)正交试验表头如表1所示,结合正交实验表头,制定的具体试验方案见表3. 表1 L16(45)正交试验表头 Table

1 L16(45)Orthogonal Experiment table header 因素 水平 质量百分数/% (A) 灰砂比 (B) 胶凝时间/min (C) 温度/℃ (D) 粉煤灰参量/% (E)

1 68

1 :6

5 5

10 2

72 1 :8

10 15

15 3

76 1:12

15 25

20 4

78 1:14

20 35

25 注:粉煤灰参量为粉煤灰重量与(水泥+粉煤灰)总质量之比 2试验材料与方法 2.1实验材料 本试验采用西石门铁矿全尾砂、普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)、粉煤灰以及城市自来水作为原材料来制备充填料浆.全尾砂和粉煤灰粒级组成采用激光粒度仪测量获得,如图1所示.全尾砂的粒径范围主要分布在40~280μm之间,粒径特征参数d10=39.5μm、d25=87.7μm、d90=256.2μm,中值粒径d50=156.5μm.通过数学计算,不均匀系数Cu=4.

60、曲率系数为Cc=1.46,显然,全尾砂级配不良. 图1 充填物料粒级分布曲线 Figure

1 Particle size distribution curve of backfill materials 2.2流变实验方法 流变参数是评价料浆管输性能和流动特性的重要指标,是计算管道输送阻力以及判断料浆流态的主要参数.依据表2中的试验方案配制相应料浆置于500mL的烧杯中,并选用Anton Paar公司生产的流变仪所具有的控制剪切速率CSR(controlled shear rate)模式进行参数设置,然后开始流变参数测试.流变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值,剪切速率范围0~160s-1,时间100s.为了获取更加精确的料浆流变参数测量值,采用多次配浆取其平均值,测量数据见表2. 3结果与分析 3.1极差分析 极差能够描述各因素中水平变化所引起的实验指标的离散程度,其大小可反映出实验中各因素所起作用的大小.极差越大表明这个因素对实验值的影响越显著,因素越重要;

反之,因素重要性越低.因此,可根据极差大小排列出各因素的主次顺序.本研究根据极差分析法原理,分析各因素对评价指标初始屈服剪切应力τ0和平均表观黏度ηav影响主次顺序.通过计算,得出不同因素极差大小见表3.排列表3中的数据可得RA >

RB >

RC >

RD >

RE.因此,全尾砂充填料浆流变特性参数的影响因素的主次顺序为:质量百分数(A)、灰砂比(B)、胶凝时间(C)、温度(D)、粉煤灰参量(E),其中温度与胶凝时间主要是影响胶凝材料的水化反应程度,董继红[7]等学者研究成果表明,水化温度每升高10℃,水化反应速率提高1倍.因此,温度越高,胶凝时间越长,胶凝材料的水化反映越彻底,形成的絮团网状结构越致密,导致料浆的黏度和屈服剪切应力增大.结合表3中这两因素极差大小可得出结论:这两个因素对料浆流变参数的影响程度相近. 表2 L16(45)正交试验方案与测量结果 Table

2 L16(45)orthogonal experiment scheme and measurement results 序号 实验方案 屈服剪切应力 τ0/Pa 平均表观黏度 ηav/Pa・s 序号 实验方案 屈服剪切应力 τ0/Pa 平均表观黏度 ηav/Pa・s

1 A1B1C4D3E2 59.43 5.43

9 A1B3C1D4E4 21.30 2.63

2 A2B1C1D1E3 8.67 0.86

10 A2B3C4D2E1 40.59 4.09

3 A3B1C3D4E1 129.79 9.05

11 A3B3C2D3E3 135.48 11.47

4 A4B1C2D2E4 227.29 19.52

12 A4B3C3D1E2 178.88 15.88

5 A1B2C3D2E3 20.65 2.04

13 A1B4C2D1E1 20.22 2.64

6 A2B2C2D4E2 21.85 1.93

14 A2B4C3D3E4 122.41 8.90

7 A3B2C4D1E4 51.54 5.21

15 A3B4C1D2E2 44.90 5.82

8 A4B2C1D3E1 159.14 14.14

16 A4B4C4D4E3 340.38 23.47 表3 各因素的极差分析结果 Table

3 Range analysis results of factors 因素 极差 R 质量百分数/% (A) 灰砂比 (B) 胶凝时间/min (C) 温度/℃ (D) 粉煤灰参量/% (E) 流变参数 τ0/Pa 784.09 274.73 257.93 254.01 200.12 ηav/Pa・s 60.27 17.51 14.75 12.49 8.78 3.2工作特性分析 塌落度是描述料浆流动性能参数的重要指标之一,其大小能够直接反映料浆的流动性的好坏.塌落度越大,流动性越好;

反之亦然.质量分数和灰砂比是影响充填料浆流变性能和流动性的两个主要因素,研究其对料浆流变性能的影响规律具有十分重要意义.本文分别对质量分数76%、77%、78%、79%和80%、灰砂比1:

8、粉煤灰参量20%、温度28℃,以及灰砂比1:

6、1:

8、1:12及1:

14、粉煤灰参量20%、温度28℃、浓度78%的料浆进行流变试验和塌落度试验,数据见表4.试验结果表明,塌落度随质量分数的增大而减小,而屈服剪切应力和平均表观粘度均随着质量分数的增大而呈现增大的趋势.对实验数据进行拟合分析,得出塌落度Ht、初始屈服剪切应力τ0和平均表观黏度ηav分别与质量分数和灰砂比的函数关系见表5.应用所求的拟合函数关系对与试验相同配比参数进行计算,结果见表4.将拟合结果与试验结果进行比较,二者具有很高的吻合度.因此,这些拟合函数可作为相似的料浆的预测模型,减少了大量费时、费力且昂贵的试验,同时为充填工艺提供了理论依据. 表4 料浆流变参数试验值与计算值比较 Table

4 Comparison of experimental value and calculated value of slurry rheological parameter 灰砂比 Vi 浓度 Cm/% 实验结果 拟合结果 坍落度 Ht/cm 屈服剪切应力 τ0/Pa 平均表观黏度ηav/Pa・s 坍落度 Ht/cm 屈服剪切应力 τ0/Pa 平均表观黏度ηav/Pa・s 1:8

76 27.48 55.16 5.26 27.61 27.32 5.09 1:8

77 27.58 40.43 3.93 27.34 42.82 4.07 1:8

78 24.6 128.61 15.99 24.57 128.33 15.56 1:8

79 23.05 168.87 19.7 22.81 170.64 20.04 1:8

80 20.92 235.47 27.3 21.04 234.54 27.03 1:6

78 24.59 126.64 15.2 23.37 125.59 14.96 1:12

78 21.32 141.97 16.72 21.27 140.73 16.56 1:14

78 21.64 130.43 16.72 21.77 132.87 16.75 表5 料浆特性参数与影响因素的函数关系 Table

5 Functional relation between slurry characteristics parameters and influence factors 关系曲线 拟合方程 相关系数R (Vi、Cm)― Ht Ht = 156.483 - 1.765Cm + 43.263Vi 0.9055 (Vi、Cm)― τ0 τ0 = -3671.507 + 48.906Cm - 123.444Vi 0.9378 (Vi、Cm)― ηav ηav = -448.771 + 5.985Cm - 24.007Vi 0.9366 3.3流变特性分析 根据表4中的实验数据绘制出料浆流变曲线和平均表观黏度与剪切速率的关系曲线,如图2~图5. ⑴在图2与图3中,水泥全尾砂料浆的剪切应力和平均表观黏度随质量分数的增大而增大,并且当浓度在77%和78%之间时,出现了急剧增加,表明在此质量分数期间存在一个 临界质量分数 ;

剪切应力和平均表观黏度随剪切速率的增加而增加,当质量分数为76%~79%时,料浆剪切应力与剪切速........