膏体充填料的工程检测与判别.pdf

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有色矿山 No n f e r r o u s Mi r 1 酋 S e p t , 2 0 0 0 Vo l 2 9 No 5 膏 体充 填料 的工程 检 测与判别 兰 竖 金 川有 色 金属 公 司 . 甘肃金 昌 7 3 7 1 0 2 一 r 的基础上 , 对 目前存 在的几种判男 方法进行分析 比较 , 提出新 的观点。 【 中囤分类号】TD 8 5 3 . 3 4 [ 文献标识码 ]A【 文章编号]1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 0 0 5 - 0 0 1 1 - 0 4 Eng i ne e r i ng d e t e c t i ng a nd e v a l u a t i ng of pa s t e f i l l i ng m a t e r i al W ANG Zh e n g - h u i n c h u a n No n 一 尼r F O U Me t a l s C o mp l e x, J i n c h a n g 7 3 7 1 0 2, i n a Ke y wo I s p a s t e f i l l i n g ma t e r i a l ; e n gi n e e r i n g d e t e c t i n g ; e v a l u a t l ng Ab s t r a c t The r e a r e n o t y e t u n i f o r m c o n c l u s i o n f o r t h e d e t e c t i n g ma d e v a l u a t i n g o f p a s t e fil l i n g ma t e r i a l a t t h e h o me ma d a b r o a d. Af t e r t h e a n a l y s i s m a d co mp a r a s i o n o f c u r r e n t s v e r a 1 k i n d s me t h o d, a co mp l e t e l y n e w v [ e w o f e v a l u a t i n g i s p u t f o r wa r d b a s e d o n t h e t e s t s t u d y. 1 前言 2膏体充填料的基本概念 膏体充填技术用于矿 山井下充填具有无 污染 、 水泥耗量低 、 充填体接顶性能和充填体 整体性能良好等优点。 自8 O年代初期在德 国 B a d G r u n d矿膏体充填技术诞生以来 , 一 直受到矿 山工程技术人员的重视。十多年 来, 工程技术人员在膏体充填工艺和膏体充 填设备研制方 面做 了大量 的试验研究工作 , 膏体的制备技术和输送技术已经成熟。进人 9 o年代以来 , 这 项技术迅速应 用到加拿大 、 南非 、 澳大利亚、 中国和美 国等国 的许多矿 山, 而且还有向其它非矿山领域扩展的趋势。 但至今膏体充填技术在理论方面还有很多值 得研究的地方 , 在膏体充填料 的物料构成机 理方面 , 还没有很成熟 的理论 , 对膏体充填料 性能特征 的检 测 方 法和 判别 标 准 , 国 内外 还 没有一个统一的定论 。 【 收稿 日期] 2 0 0 0 3 2 7 [ 作者简介] 王正辉 1 9 6 6 一 , 男 , 四川沪州人 采矿工程师。 对膏体充填的定 义, 不同的国家和地 区 有不 同的观点。笔者认为膏体充填料是非牛 顿流体 . 其流变模型近似于宾汉姆体 , 其流动 状态为结构柱塞流 , 其流变参数的获得 只能 靠实测或经验公式计算 , 不存在 临界 流速 。 膏体充填料有三大特性 , 即稳定性 、 可塑性和 流动性 。稳定 性是 指它具有抵 抗分层 和抵抗 离析的能力 , 体现在实践 中是膏体在密 闭的 管道停 留数小时不沉 淀、 不分层 、 不离析 , 能 顺利地进行输进 ; 可坦性是指膏体充填料在 克服屈服应力后产生非可逆变形 的能力 , 通 俗地讲是指膏体在管道输进过程中其断面上 的颗粒结构有抵抗错位的能力 , 即抵抗变形 的能力 , 在实 践 中体 现为膏体 在通 过弯管 道 后有保持其原有结构的能力 ; 流动性是 指它能流动 , 产生 的实质是膏体 的物料构成 中有 1 5 % 以上 的 一2 O wn的细 粒 级含 量 , 这 部分细粒级有很强 的饱水能力 , 使水量能够 填满膏体微细颗粒 之阃的空隙 , 从 而保证有 足够的胶结用水形成膏体 的流动性。在实践 期 目5 9 第 衅 卷 , 凹 ● IL 第 维普资讯 有色矿山 2 0 0 0 中流动性体现为在其重力或其它压力的作用 下能在管道中或采空区中顺利流动 。这三大 特性 也是膏 体充填 料可泵性 能 的具体 体现 。 3几 种 检 测 方 法 的 比较 膏体是 由浆体过度而来 的, 当构成浆体 的物料级配满足一定 条件、 浆体 的浓度达到 一 定 程度 时 , 属于 两 相流 的浆体 就转 变 成 属 于结构流的膏体 , 具体标志体现在膏体的稳 定 性 、 可塑性和 流动性这 三大特性 E。因此 , 对浆体是 否已经转 变成 了膏 体的检测 和判 别 , 实质 上是 对 膏 体 充填 料 三大 特性 的 检测 和判别。由于加水泥的膏体充填料类似于低 标号 的混 凝 土 , 因 此 工程 技 术人 员引 用 检测 混凝 土 的方 法 来 检 测 膏 体 充 填 料 的性 能特 征 , 即用浓度 和坍落度指标来表征膏体充填 料 的性能特 征 。近年 来 , 一 些专 家 又 提 出用 牯度来表征膏体充填料的流变特征 。这些方 法在工 程 应 用 中 的优 点 和不 足 之 处 分 析 如 下 。 3 . 1 浓度检测 对于确 定材料 配合 比并 满足一定级配条 件的料浆体来说 , 只有当浓度稳定在某一区 间时才能形 成 膏体 。对 于 这样 的膏体 , 当浓 度在允许范 围内增加时 , 膏体的稳定性会增 加 , 膏体 的可塑性也会变好 , 但膏体的流动性 会 急剧减弱 , 这 就 是 浓 度对 膏体 的影 响 。然 而 , 对 于 由粒级 级 配不 稳定 的材料 构成 的膏 体 , 尽管其三大特性都接近 , 但其浓度往往相 差很 大。比如尾砂 膏体, 当尾砂 中 一2 0 m 细砂含 量 在 1 5 % ~3 5 %时 , 坍 落 度 为 1 8 c m 的膏体 , 其重量浓度为 7 8 %~8 5 %; 当尾砂 中 一 2 0 /x m细砂含量在 3 5 %~6 0 %时, 坍落 度为 1 8 c m 的膏 体 , 其 重 量浓度 为 7 0 % ~ 7 8 %; 当尾 砂 中 一2 0 l m 细砂 含 量 在 6 0 %~ 9 0 %时, 坍落度为 1 8 c m 的膏体 , 其重量浓度 为 5 5 % ~7 0 %。对 于 由几 种 密 度 不 相 同 的 材料构成的膏体 , 其浓度也因为材料 比重的 不同而相差较 大, 比如 由分级尾砂 棒磨砂 粉 煤灰 构 成 的膏 体 , 其 浓 度 为 7 8 % ~ 8 1 %; 由比重较高的炉渣 尾砂 粉煤灰构 成的膏体 , 其浓度为 8 5 %~8 8 %。 因此 , 浓 度只是特定 物料条件 下或 固定 物料级 配合 比 条 件下的一 个 技术 指标 , 它 只能 作 为 特 定物 料 条件下设 计 膏体 配合 比的一 个 技 术 参 数 , 不 能作为一 个通用 的判定浆体是 否转变 成膏 体的定量指标 。 3 . 2 坍 落度检测 坍落度判别法来源于混凝土学 , 在混凝 土学 中坍落度是判别混凝土流动性的一个重 要指标 , 也 是检 测 混凝 土均 匀 性 的一 个 技 术 指标 。因此用坍落度指标来判定膏体 的流动 性很确切。但坍落度不能很好地用来判别膏 体的稳定性 , 因为构成膏体 的成分往往要 比 混凝土复杂得多 , 对于具有相同坍落度 的膏 体 , 其稳定性往往也差别较大 , 如图 1 所示的 几种情况 。a 、 b 、 c三种料浆 的坍落度 都 相 同 , 其流动性都很好 , 但 a图的扩散度很大 , 它往 四周扩散 的主要是 以水和较细颗粒部分 组成 的砂浆 , 并不是细颗粒分布均匀、 以胶质 体的形态往外 扩散的, 因此它 的稳定 性肯定 较 b 、 c差 . b图所示 的情况 , 其 稳 定 性 好 于 a 图 , 但低于 c图 ; c图所 示 的 膏体 充 填 料近 似 于牙膏状 , 没有多余 的水 流出, 其稳定 性很 好 。因此坍落度不能作为判定膏体稳定性能 的技术指标, 但这个指标用于检测膏体 的流 动性时不受膏体物料成分 的限制 , 所 以可作 为检测膏体流动性能的通用指标。 a b c 圄 1几种 坍落 度情 况 3 . 3粘度检测 检测膏体粘度的目的是用它来推出计算 管道输送阻力的经验公式 , 用 以计算 膏体充 填 料在输 送过程 中的阻力 损失和初 始 切应 力 等 。 比如金 川公 司二 矿 区 的膏 体 泵送 系统 , 其管道沿程阻力损失就是依据由粘度与浓度 的线性关系和达西公式推导出的经验公式来 维普资讯 第 5期 王正辉 膏体充填料的工程检测与判别 l 3 计算 的。膏体充填料的粘度与膏体充填料三 大特性的关系是 膏体的粘度大 , 胶结能力就 强 , 膏体的静 置或输送过程 中就不容易分层 离析 , 因此 稳定 性 和 可 塑性 就好 。粘 度也 能 适 当表征膏体 的流动性 , 因为膏体的粘度是 由构成膏体的物料的化学成分和粒级组成决 定的 , 在膏体浓度一定时, 组成膏体的物料粒 级组成发生变化 , 膏体的粘度就发生变化 , 膏 体的流动性也发生变化 , 所 以粘度指标 可以 用来表征膏体充填料的稳定性和流动性。比 如德国的 D MT公司就是通过粘度的在线控 制来控制膏体充填料质量 的。粘度指标也与 浓度指标一样 , 受其构成物料的粒级组成影 响很大 , 在实践中常常性能特征相近, 由于其 粒级组成不 同而其动力粘度系数相差较大。 所以 , 对于粘度指标 , 只有 当构成膏体的物料 级配不发生变化 时, 用它来定量描述膏体的 性能特征才有实际意义。 4 新 方法的探讨 通过分析可以看 出, 用于检测膏体三大 特性的通用指标 只有坍落度。因此在工程应 用中通常只检测膏体的浓度和坍落度, 对膏 体充填料稳定 性和可塑性的判别只靠经验。 为拽出一种简单通用且能表征膏体稳定性和 可塑性能的检测方法 , 金川公司技术 中心的 科研人员作了大量 的试验研究工作。 4 . 1分层 度指标 的提 出 金川公司二矿区的膏体充填系统进行了 三年的工业转化试验 , 在三年的试验过程中, 金川公司技术中心承担着膏体充填料的配合 比试验研究工作和现场各系统流程参数的检 测工作。在长期的现场作业 中发现 , 仅 用浓 度和坍落度指标根本无法全面表征膏体充填 料的三大特性 , 常常出现浓度和坍落度相 同 而可泵性能差别很 大的情况 , 为了寻找 能综 合表达膏体可泵性 能的检测方法 , 首先 引用 了混凝土学 中的泌水率 和泌水 速率 两个指 标 , 试验结果表明这两个指标用来表达 膏体 的抗离析的特性很好 , 但不能表达膏体充填 料的抗分层性 因为对于稳定性 良好 的膏体 充填料 , 尽管有离析但不分层 。比如池塘 中 的淤泥就是很 好 的例 子 , 称 出 3 0 0 0 g淤泥 , 搅 拌均匀 后静 置 于 2 0 0 0 ml 的量 筒 中 , 待 3 0分 钟后发现有水泌出, 但从量筒的侧面观察 , 可 清 晰地看 到淤 泥 根 本不 分层 , 仍 然 是稳 定性 良好的膏体。所以, 对膏体充填料抗分层性 能的判别 还必 须另寻它 路 。 膏体充填料之所 以分层 , 是因为构成 膏 体充填料的固体颗粒之间产生 了相对运动 , 导致了固体颗粒在垂直断面上分布不均匀。 因此, 要考察膏体充填料的抗分层性就必须 搞清楚膏体充填料 的内部结构 变化 , 搞 清楚 内部颗粒之间的相对运动情况和相对运动后 产生的结果。 稠度又 叫流 动度 , 它不 仅 可 以表达 料浆 体以胶质体的形态流动 , 还可 以表达料浆体 内部 固体 颗粒之 阃的相对 运动 , 因此 , 可 以用 稠度指标来做试验 , 如果通过稠度指标能检 测出膏体充填料内部 固体颗粒之间相对运动 的结果 , 也就能检测 出膏体充填料的抗 分层 性。通过大量的试验研究总结出了一种检测 膏体充填料抗分层性 能的方法 , 并提 出了一 个指标 “ 分层度” 。 检 测分层度要 用 两 台设备 , 一 台是 砂浆 稠度仪 , 另一台是砂浆分层度仪 见图 2 。 盛料桶 密封 撂 皮曩 紧 固杆 标准稠虞仪0 1 5 0 t r a n分层度仪 图 2分屠 度 检测 系统 维普资讯 1 4 有色矿山 2 0 0 0拒 检测方法分三个步骤 , 第一步是检测膏体充 填料的稠度 C . ; 第二步是将膏体充填料搅拌 均匀后装入分层度桶中并静止 3 O分钟 , 让膏 体分层离析; 第三步将分层度桶 中上部 的膏 体去除, 取其下部膏体, 搅拌均匀再测其稠度 。c1 与 之差 就是 分层 度 。 4 . 2 分层 度指 标在 工 程中的应 用 - 由于用于检测分层度指标 的设备携带方 便 , 操作简单 , 所以可将设备搬到现场进行作 业 , 金川公司二矿 区膏体泵送 系统进行工业 试验期间 , 检测到的部分数据见表 l 。 表 1 尾砂膏体的性能特 征检测结果 从理论 上 分析 , 对 于稳 定性 良好 的膏 体 充填料 , 由于 它不 分层, 其 分层 度值应该为 零 。但在工业 生产 中往往 由于种种原因, 配 制出的膏体充填料 , 其分层度往往不为零, 即 不能保证百分之百的不分层 。根据金川公司 技术 中心的试验研究数据可 以总结 出 对于 采用泵压进行输送 的膏体充填料 , 只要其分 层度小于 2 . O c m, 就完全可 以满足长距离泵 送的条件, 并且在管道中静置~段时间后 也 可 以顺利启 动泵输送 。 4 . 3用分 层 度和坍落 度表 征可 塑性 可塑性在 生产 中发挥 的作用并不 明显 , 考 察它是用来分 析 膏体 在经 过弯 管后的运 动 状态, 看是否能改变其柱塞流的断面结构。 在充填实际生产 中, 往往要求膏体充填 料的稳定性和流动性要好 , 对膏体充填料的 可塑性不作具体要求。可塑性实质上由稳定 性和流动性决定 , 因此可用膏体的坍落度和 分层度两个指标综合表达 。稳定性好 , 说明 材料胶质特性好 , 膏体的可塑性就一定好 ; 流 动性好 , 不仅膏体的整体流动性好 , 膏体 内部 颗粒之间的相对运动也好 , 膏体在输送过程 中 , 其断 面结 构 就 会 发 生 改 变 , 其 可 塑 性 就 差 。 5结 语 世界上提出的膏体充填料性能特征的检 测方法和判别指标有很多种 , 加拿大用浓度 、 坍落度和饱和指标 ; 德国用工作度 粘度 、 屈 服应力 、 稠度和结构指数指标 ; 澳大利亚用 浓度和稠度指标 ; 教科书 充填理论基础 中 用雷诺数指标来判定结构流等。这些都是在 特定条件下总结出来 的经验 , 应该说应用到 特定 的物料条件和工程条件下都是正确的。 对膏体充壤料的工程检 测和判别 , 能否 提出一种综合的、 通用 的方法或标准 , 笔者认 为以“ 坍 落度 分层度” 为主、 以“ 浓度 牯 度” 为辅的检测和判别方法是 可行 的。首先 是坍落度指标 和分层度指标具有通用性 , 它 们都不受构成膏体充填料的物料粒级组成所 限制 ; 其次是这两个指标 的检剥操作方法简 单, 不受环境限制 , 在现场具有很强的可操作 性; 第三是浓度和粘度作为特定条件下的技 术指标可以与特定的物料条件和工业条件相 结合 。所以, 在物料不确定或物料级配发生 较大变化时采用以“ 坍落度 十分层度” 为主 、 以“ 浓度 粘度” 为辅 的检测和判别方法是全 面的; 在物料确定或物料级配不发生较大变 化时 , 采用“ 坍落度 分层度 浓度” 的检测 和判定方法是可靠的; 在现场 的常规检测或 质量控制中采用“ 坍落度 分层度” 的检测和 判别办法是行之有效的。 [ 参考文献] [ 1 ]剂同有, 黄业英. 第六届国际充填采矿会议论文 选集[ c ] . 金川有色金属公司等, 1 9 9 9 . [ 2 ]膏体充填新技术的研究与工业化 [ R] 北京有 色冶金设计研究总院 , 金川有色 金 属 公 司 , 1 9 9 9. [ 3 ]剂周有, 黄业英 . 国外金属矿山充填采矿技术的 研究与应用[ R] . 中国矿业饰舍采矿专 业 委 员 舍 等 , 1 9 9 7 . 兰 咖 一 黻 坍 一 墨 ~ 一 丌 俺 伸 ∞ 缸 维普资讯
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