膏体充填料浆流变性能的实验研究.pdf

第 3 4 卷 第 8 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年8 月 膏体充填料浆流变性能的实验研究 赵才智， 周华强，瞿群迪，常 庆粮 中国矿业大学 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 在流变特性实验的基础上，测试膏体充填料浆的流变参数，回归料浆 的流变方程，通过流 变曲线，着重分析研究了料浆浓度、粉煤灰用量对流变参数的影响规律。 关键词 膏体充填 ；料浆；流变性能 中图分类号T D 8 2 3 ． 7 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 0 8 0 0 5 4 0 3 Ex pe r i m e n t al s t ud y o n r he o l o g y pe r f o r ma n c e s o f pa s t e ba c k fil l i n g s l ur r y Z H A O C a i z h i ， Z HO U H u a q i a n g ，Q U Q u n d i ，C H A N G Q i n g l i a n g C h i n a U n iv e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， I “ 2 2 1 0 0 8， C h i na Abs t r a c tBa s e o n t h e r h e o l o g y c h ar a c t e ris t i c s e xp e rime n t o f p as t e ba c k fil l i n g ma t e ria l ，t h e r he o l o g y pa r ame t e r s o f t h e p ast e b a c kfi l l i n g s l u r r y a n d t h e r h e o l o g y f o r mu l a o f t h e r e g r e s s i v e s l u r r y we r e me asur e d a nd t e s t e d．W i t h t he r h eo l o g y c u r v e，t he p a p e r a n aly z e d an d s t u d i e d t h e e ffe c t l a w o f t he p a s t e s l u r r y d e ns i t y a n d t h e fly ash a p p l i e d q ua nt i t y t o t h e r he o l o g y p a r a me t e r s ． Ke y wor dspast e ba c kfi l l i n g；s l u r r y；r he o l o g y p e r f o rm a n c e s 膏体充填是一种全新的矿山开采模式 ，是为适 应或解决建筑物下及村庄下不迁村开采 、提高采出 率 、保护生态环境而提出的，属于绿色开采的一个 重要组成部分 J 。该工艺技术具有水力 充填 中料 浆流动性能好 、管 道输送 安全可靠 、成 本低 等特 点，同时兼有高浓度充填中料浆浓度高、井下无需 脱水或脱水少 、充填质量好 的优势。煤矿膏体充填 作为一种新型的技术 ，同金属矿山相 比有许多相同 之处 ，如材料组成、性能及充填工艺等。料浆流变 特性及其影响因素的研究属于其中的重要内容和关 键技术之一 ，直接关系到膏体充填料浆制备工艺、 管输阻力计算、充填管路设计 、管输参数优化等主 要技术问题的解决 。 1 膏体充填材料的组成 J 膏体充填料浆流变性能的实验研究是结合太平 煤矿厚煤层不迁村分层膏体充填的需要进行的 ，膏 体 由自行研 制的膏体胶结料 为胶凝 材料，与粉煤 灰 、泗河砂与水按一定要求混合搅拌制成的质量分 数为 8 0 ％ ～ 8 5 ％的浆体 。 5 4 膏体胶结料是一类 以普通硅 酸盐水泥 为基 材 占一半左右 ，与石膏 、石灰 和多种外加剂 等科 学配制的复合材料。此材料加水混合后 ，凝结的初 期快速水化生成适 当量的高结晶水水化物钙矾 石 ，结晶水分 子容积 高达 8 1 ． 1 6 ％ ，从 而达 到速 凝、早强的效果 ；凝结 的中期和后期又能够正常水 化生成硅酸钙凝胶等胶凝物质 ，具有后期强度持续 增长的特点 ，保证了后期强度的需要。 粉煤灰在充填材料种主要发挥微集料作用 ，目 的是在胶结料掺量很少 的条件下保证膏体具有 良好 的工艺性能 ，此外还可以在保证安全输送条件下 ， 为提高料浆浓度创造 了有利条件 ，进而可改善充填 体 的效果。由于泗河 穿过太平煤矿 膏体充填试验 区，泗河砂又是当地建筑一般不用的特细砂 ，来源 丰富 ，所以选泗河砂为基本集料 。 2 膏体料浆流变关系实验 2 ． 1 充填料的粒度分布测试 本实验研究所用 的粗集料为济 宁市泗河河砂 ， 细集料为邹城电厂一级粉煤灰，经过取样分析 ，泗 维普资讯 第 3 4 卷 第8 期 煤 炭科 学 技术 2 0 0 6 年8 月 河河砂密度 2 ． 6 3 g ／ c m ，平均粒径 d 0 ． 2 7 5 m m，细度模数 1 ． 3 6 ，属于典型的特细砂 ，泗河砂 样的粒 级组 成 如 图 1所 示 ，其 中含 泥量 小 于 0 ． 0 8 m m量为 3 ％ ～ 4 ％。 4 5 4 0 ＼ ； 3 0 笠2 o 、 二 一 l O 0 一 r一] r_] 一l l l 0 ．I 1 ． 厂 ] ． 一 一 A B C D E F G 粒度组成 A 一小于 0 ． 0 8 m m；B 0 ． O 8～ 0 ． 1 6 mn l ；C 0 ． 1 6～ 0 ． 3 1 5 n m a ； D _ _ o． 31 5～0 ． 6 3 mm ； E _ _ o ． 63～1 ． 2 5 mn l ； F 1 ． 2 5 ～2． 5 mn l G一 2 ． 5～5 mn l 图 l 泗河砂样 的粒 级组成 2 ． 2 膏体充填料浆流变实验 膏 体 胶结 料 用 量 为 5 0 k g ／ m 、质量 分 数 为 8 0 ％ ～ 8 2 ％ 、粉煤灰 添加量 3 0 0～5 0 0 k g ／ m ，称 量、配料，搅拌混合成均质的膏体，采用 N X S一 1 1 A型同轴圆筒式旋转粘度计 ，剪切速率由低到高 进行系列膏体料浆流变特性实验 ，借助于数理统计 方法对实验数据进行计算和处理 ，得到了相应的流 变关系曲线。 3实验结果分析 实验结果表明膏体料浆存在初始切应力或屈 服应力 ，流变 曲线 为一条在切应 力轴上有一截距 r 的直线 ，切应力 只有超过这一屈 服应力时 ，悬 液才开始流动。剪切力与剪切速 率为线性递增关 系 ，直线的斜率 为塑性黏度 系数 ，流动指数为 1 ， 因此 ，其流型符合宾汉体模型。流变方程为 r 0 r ／ y 式中r 剪切应力 ，P a ； r 屈服应力 ，P a ； 叼 刚度系数 ，P a S ； 剪切速率 ，s ～。 为了区别于牛顿流体所定义的黏度 ，对非牛顿 流体的砂浆 ，采用表观黏度 的概念来评定其 流 动特性。表观 黏度可定 义为在特定 的剪切速率 下 ，非牛顿流体的当量牛顿黏度 ，给定流体的表观 黏度是剪切速率 的函数 ，且随着剪切速率的增大 ， 黏度急剧下降，最后趋于稳定，其流变方程表现为 黏塑性体 的特性。剪切速率与表观黏度之间关系可 以用幂函数来描述 ，即可 以表达为 b a T 式中 表观黏度 ，P a S ； 口 系数 ，大于零 ； 6 幂指数 ，小于零 。 对实验数据 回归处理得 到的膏体料浆的流变参 数见表 1 。 表 1 不同配比膏体充填料浆的流变参数 注 为试验数据 回归分 析相关 系数 。 对于剪切应力，如图 2 、图 3所示 图2 相同浓度下剪切应力与剪切速率的关系 图3 相同粉煤灰用量下剪切应力与剪切速率的关系 1 剪切速率不变 ，随着粉煤灰加量 的增大 ， 5 5 维普资讯 第3 4 卷 第8 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年8 月 剪切应力先减小后增大 ，即粉煤灰用量为 3 0 0 k g ／ 1 “1 1 的剪切应力大于粉煤灰用量为 5 0 0 k g ／ 1“ 11 的剪切 应力 ，粉煤灰用量为 5 0 0 k g ／ m 的剪切应力大于粉 煤灰用量为 4 0 0 k g ／ m 的剪切应力，当粉煤灰加量 为 4 0 0 k g ／ m 时 ，剪切应力最小 。 2 相同粉煤灰加量下 ，剪切速 率小于某一 范围并保持不变 ，随着浓度的增大 ，剪切应力先增 大后减小 ，即质量分数 为 8 0 ％的剪切应力小于质 量分数为 8 2 ％的剪切应力 ，质量分数为 8 2％ 的剪 切应力小于质量分数为 8 1 ％ 的剪切应力 ，当质量 分数为 8 1 ％时，剪切应力最大。 3 相同情 况下 ，膏体 的质量分数对 剪切应 力及表观黏度的影响要远大于单位体积粉煤灰用 量 ，为影响膏体流变特性的主要因素。 对于表观黏度 ，如图 4 、图 5所示 。 ＼ 舔 鲁 图4 相同浓度下表观黏度与剪切速率的关系 ＼ 誉 图5 相同粉煤灰用量下表观黏度与剪切速率的关系 相同条件下 ，浓度 、粉煤灰用量对表观黏度的 影响规律基本上雷 同。相同粉煤灰加量下 ，剪切速 率小于某一范围并保持不变 ，随着浓度的增大 ，表 观黏度先增大后减小 ，当大于某一值时 ，表观黏度 随着浓度的增大而增大。 4 结 论 1 在实验测试范围内，膏体存在初始剪切 5 6 力和黏度 ，且黏度与剪切速率呈幂的关系。其流变 过程表现为黏塑性体的特性。剪切力与剪切速率之 间为不通过原点的线性递增关系，因此 ，其流型符 合宾汉体模型。 2 浓度对初始剪切力 影响较大 ，随着浓度 增高，初始剪切力先增大后减小。浓度对黏度的影 响同初始剪切力也即屈服应力相似。 3 由于粉煤灰作 为微集料在 黏性均质浆体 中特殊的表 面物理 化学作用 ，随着粉煤灰 含量增 加 ，黏度 变化 复 杂。粉煤 灰 含量 从 3 0 0 k g ／ m 到 4 0 0 k g ／ m 时 ，黏度 由大到小 ；粉 煤灰含 量从 4 0 0 k g ／ m 到 5 0 0 k g ／ m 时，黏度开始减大。 4 浓 度为 8 0 ％，8 2 ％ ，粉煤灰 含量在 4 0 0 k g ／ m 到 5 0 0 k g ／ m 时，膏体 的塑性黏度 在 0 ． 5～ 0 ． 8 P a s 之间，初始剪切力为 6～ 8 P a 。该参数范 围内料浆流动性好 ，井下脱水又少 ，为合理的配制 参数。 5 在胶结料单 位体积用量一 定、满足 流动 性好的条件下 ，从浓度和粉煤灰对膏体强度的影响 规律出发 ，以降低充填成本和提高充填体的强度为 要求，浓度为 8 2 ％ ，粉煤灰用量为 5 0 0 k g ／ m 时 ， 可 以满足建筑物下膏体泵送充填的需要。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高 ，许家 林 ，缪协兴．煤 矿绿色开 采技 术 [ J ] ． 中国 矿业大学学报 ，2 0 0 3 4 ． [ 2 ] 赵才智 ，周华强．膏体充填 材料力学性 能的初步 实验 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ，2 0 0 4 2 ． [ 3 ] 费祥俊．浆体与粒状物料输送水 力学 [ M] ．北京 清华 大 学 出版社 ，1 9 9 4 ． [ 4 ] 黄玉诚，孙恒虎．尾砂作骨料的似膏体料浆流变特性实验 研究 [ J ] ．金属矿 山，2 0 0 3 6 ． [ 5 ] 胡华 ，孙恒虎 ，黄 玉诚．似膏 体充填 料浆 流变特性 及其 多因素影响分析 [ J ] ．有色金属 ，2 0 0 3 3 ． [ 6 ] 刘同有．充填采矿技术与应用 [ M] ．北 京 冶金工业 出版 社 ，2 0 0 1 ． [ 7 ] 孙恒虎 ，黄 玉 诚，杨宝 贵． 当代胶 结 充填 技 术 [ M] ．北 京 冶金工业出版社 ，2 0 0 2 ． [ 8 ] 王绍周．粒状物料的浆体管道输送 [ M] ．北京 海洋 出版 社 ．1 9 9 8 ． 作者简介赵才智 1 9 7 8一 ，男，山西孝义人，博士研究 生， 主要从事充填材料性能方面的研究。T e l 0 5 1 68 3 9 9 5 2 2 5 ， E ma i l ． z h a o c a i z h i l 6 3 ． t o m 收稿 日期2 0 0 60 40 8 ；责任编辑曾康生 维普资讯