添加剂对矿井充填料浆流动特性的影响.pdf

Vo l . d No . 3 Ma , 2022 第30卷第3期 2022年05月 黑龙江科技大学学报 Jop/1 o f Heimn a ia n a Un iv er sit y o f Sc ien c e Uu ic l it e t ime l o ss; r n eo l o pic o l p/pe n o ; fil l in f min in f 收稿日期收稿日期2226 -23 -26 基金项目基金项目黑龙江省自然科学基金联合引导项目LH2615E115 ； 2611年度黑龙江省省属本科高校基本科研业务费项目HSe 22/21 第一作者简介第一作者简介李 涛1925 -男辽宁省沈阳人，讲师，硕士，研究方向矿山绿色开采技术、矿山压力与控制,E-ma il l it t le2511545 126. c o m, 第3期 李涛，等添加剂对矿井充填料浆流动特性的影响 244 0引言 矿井充填采矿法是矿山绿色开采的核心技术之 一，能够有效解决肝石排放、矿区地表塌陷和“三 下”采煤问题，减轻矿区生态污染、提高了资源回收 率、增加矿企经济效益。据相关文献［1-5］,充填 采矿过程中充填管路的堵管事故频发排卡除故障需 要很长的时间成本及较大的经济投入，成为制约充 填采矿技术应用与发展的瓶颈。现代化矿山开采呈 大型化趋势,随着矿井同一水平采（带）区系统的延 展,充填采矿中泵送大倍线长距离充填（以下称长 距离充填）成为主要发展趋势。 长距离充填料浆在充填管路内运移和停留时间 长,充填料浆各组分间更易发生物理化学反应，致使 料浆在充填管路内运移更具复杂性,料浆的长期流 变稳定性直接决定充填管路故障情况、充填效率及 效果。学者们就长距离充填采矿技术不同研究内容 做了一些研究，邓代强⑷采用数值模拟方法对不同 浓度充填料浆在管线总长2 596 m、高差896 m、倍 线3.178的充填管路中的流动压强、流速及偏转特 性进行数值模拟，得出充填料浆最佳质量浓度为 72 74时，矿山充填管路系统可安全、经济、平 稳的运行。徐文彬［］对新阳煤矿充填管路2 770 m 长的肝石粒径级配研究发现，粒径为030 m的 肝石颗粒与料浆的表观黏度和初始剪切力相关性最 强，对料浆流变性能影响最大,2、3号材料中肝石粒 径级配更加合理,保证了管路输送过程中料浆长期 流态的稳定性。王新民⑻基于H-B流变模型和絮 网结构理论，构建了时变性的超细全尾砂似膏体流 变模型，探究超细全尾砂似膏体在3 000 m长距离 管路输送中的时变特性，得出超细全尾砂似膏体长 距离输送以稳定状态的阻力损失进行计算更经济合 理。 关研究 不同方 究长距 料浆的 动性问题，但未从根本上解决充填料浆长期流变稳 定性 及长距 料浆 中的 。 为提高资源回收率,回采城镇居民区下方压覆 的煤炭资源,如采用传统的垮落式采矿方法,必然造 成顶板垮落和地表塌陷，危及地表城镇建筑及居民 安全。以河北某矿为研究对象,该矿采用肝石、粉煤 灰高浓度胶结充填采矿方法对“三下”压煤进行开 采。所开采煤层赋存深度800 m,地表搅拌站至井 下充填地点总长约3 800叫以料浆平均流速 1.8 m/s计算，料浆在管路中运移时间约35 min。回 采工作面充填采用分段充填方式，在工作面均匀布 置5个充填口，每6 min依次开口浇筑充填料浆, 共需80 min。充填料浆在管路内运移时间和停留时 间共需117 min ,属于典型的长距离充填开采模式, 对料浆的流动性及内在流变特性提出了较高要求, 料浆颗粒在管路中不能发生分层、沉降和凝结,否则 会造成充填料浆堵管事故［5-12］。为了保证充填料 浆的长期流变稳定性，避免充填堵管事故的发生，开 展了高浓度胶结充填料浆配比实验、流动度实验和 流体流变特性实验。 1实验背景 充填料浆流变特性受料浆浓度、胶凝材料种类 及掺量、粉煤灰掺量、集料的颗粒形状及物化性质、 集料的粒径级配、配制温度与工艺等因素的影 响⑴〕。经实验得出，干石、粉煤灰高浓度胶结充填 料浆最佳质量浓度为77. 2 ,其中，水泥、粉煤灰、 煤肝石、水的占比分别为17. 0、19. 5、38. 7、 22.5。由于充填料浆在管路内运移时间长，各组 分间发生内部物化反应致使充填料浆运移更具复杂 性，仅改变各组分掺量难以达到料浆的长期流变稳 定性。故添加悬浮剂DF与引气剂ST共同作用于 充填料浆，使其满足长距离充填料浆的均质悬浮性 和流动性的要求。笔者研究悬浮剂DF与引气剂ST 最佳配比关系及二者协同作用机制对充填料浆流动 度经时损失、经时损失变化率及流变特性的影响。 经料浆配比实验，选定4组具有代表性的掺量配比 进行分析，如表1所示。 表1料浆组分配比 Ta bl e 1 Pr o po r t io n o f c o mpo n en t s o f sl u e y 组别水泥粉煤灰煤砰石 水 料浆质量浓废悬浮剂DF引气剂ST 11219.536.629.370.20.0350 21219.536.629.370.20.0350.004 31219.536.629.377.20.0350.009 41219.536.629.377.20.0450.009 2充填料浆流动度经时损失 2.1流动度经时损失实验 2.1.1 实验方法 流动度指标包括坍落度、扩展度和稠度。实验 250黑龙江科技大学学报第30卷 料浆流动性好,采用扩展 料浆的流动 ，扩展 越大，料浆流动性越好。依据水泥胶 砂流动度测定方法GB/T24191994,对4组 料浆不同时间扩展 进行测量，如图1所示。根 据扩展 计 的经时损 经时损 ，计 方法如下 5 \ - X00, 1 -1 VSS, 2 中吗第1至第/个测试点的扩展度经时 损; 厶一一第方个测试点的扩展 ; LiP一一 扩展度经时损 。 测试点,1,，，4对应测试时间为0、30、60、 90、122 mSo 0 min 120 min 1组料浆 0 min120 min 2组料浆 0 min120 min 3组料浆 0 min 4组料浆 120 min 图】料浆扩展度总经时损失 Fin，】 To t a l ex pa n sio n t ime l o ss o f sl u r r o 2.1.2 实验结果 实验测得4组料浆不同时间扩展 及扩展度 总经时损 2所示,其中总经时损 40-14。 表2料浆不同时间的扩展度 Ta bl e 2 Ex pa n sio n v a l u es o f differ ee i t ime o f sl u r r o 扩展度值/mm 址L力II 40020422 - 04 11489890827236 211010194877832 312411911711414914 41211141491059922 1、2计算可得,扩展度经时损失率及 3所示。 表3料浆不同时间的扩展度经时损失率及平均值 Ta bl e 3 Time l o ss r o t e a n d mer n v a l u e o f ex pa n sio n v a l u e o f sl u r r o 扩展度经时损失率及平均值 址L力II 5555 5 19.58.080912.29.0 28.26.070410.5802 34.01.02.64043.5 45.54043.05.0409 2.3悬浮剂DF与引气剂ST协同作用机制 悬浮剂DF的作用悬浮剂DF分子链呈网状结 在 料浆体系内，吸附水泥 水化 颗粒 之 接 悬浮网络，起 到阻止、支撑粗集料因重力而沉降的作用，达到使料 浆颗粒悬浮 的效果，提高了料浆 过程中的 整体流动度。悬浮剂DF分子链的吸附链接作 料浆的 黏 ，且不 料浆内的水 泥水 结进程， 料 浆 的 动 经时 损 比较大，长距 料浆中 悬浮剂仍会造成充 [7]。 气剂ST的作用引气剂ST是一种阴 表 性剂,ST 通过改变 的 张力、颗粒 荷、表面黏 及气体的透过性实 泡和 稳泡功能,ST的内在作用机理可用气泡的引入、定 向吸附、稳泡作 颗粒 作用4个过程实现降 低 料浆稠度的功效。引气剂ST使每立方米充 第3期李 涛，等添加剂对矿井充填料浆流动特性的影响251 填料浆产生数亿个220 m以下的稳定均布且互不 通的溶胶性微气泡，这些气泡在料浆的 、运 、浇筑过程中起滚珠润滑作用,改善了料浆在 中的整体流动性［5T］。 气泡定向吸附于 料浆内水泥水 颗 粒 ，使颗粒 气泡的 荷性，同种电荷通 过静电斥力使颗粒 ，如图2a所示,距离的 水泥水化絮网结构的凝聚，有利于减小 料浆的流动 经时损失。但 料浆中 气剂ST或悬浮剂DF掺量不足时，引气剂ST 气泡吸附细颗粒由于 于料浆 上 浮，粗集料下沉，使料浆内部 沉降，如图2b ，在泵压作用下细颗粒被不断挤出，粗集料不断 聚，易造 。故悬浮剂DF与引气 剂ST在合适的掺量配比下协同作用,悬浮剂DF在 料浆内构建完整的悬浮网络体系,引气剂ST在 悬浮网络框架内发挥滚珠润滑、分离颗粒作用,方能 达到 料浆长距 的 效果。 图2引气剂ST作用原理及料浆层沉降 Fig . 2 Pr in c ipl e o f a ic en t r o in in g a g en i ST a n d sen a r o t io n a n d set t l emen i o f sl u ey 2.1流动度经时损失实验结果分析 水泥水 的凝胶态的水 钙（C-S- H）和结 的氢氧化钙（Ca（ OH） 2）、钙矶石（AFT / AFM）胶结在 ，凝聚成空间多孔网 胶结 ，水 导致料浆体系内自由水 ，表观黏 ，造 料浆扩展 经时损 。因 此,控制料浆中的水泥水化进程 料浆的扩展 度，减少扩展 经时损失的关键 之一［-5］。 4组 料浆的组分掺量中，因悬浮剂DF与引气剂 ST的掺量不同导 动效果不同，故悬浮剂DF与 引气剂ST是改变 料浆流动性的关键所在。 中4组料浆t.时刻的扩展 排序 3组〉4组〉2组〉1组。第3组料浆中加入了 4.435的悬浮剂DF和0. （H 的引气剂 ST,悬浮剂DF在 料浆内构建网络体系，引气剂 ST微气泡在料浆的 、运输、浇筑过程中起到滚 珠润滑作用，故前3组料浆中.0时刻第3组料浆的 扩展 大。第4组料浆中悬浮剂DF掺 加 .245，使料浆内的悬浮网络体系更完整，空间 上制 气剂ST的滚珠润滑和颗粒 作用,在 一定程度上降低 动度，因此，第4组 料浆0。 时刻的扩展 于第3组而大于第2组。 2中4组料浆的扩展 经时损失排序1 组〉2组〉4组〉3组；表3中4组料浆的扩展度经 时损 排序组〉2组〉4组〉3组。前 3组料浆的悬浮剂DF掺量相同，第3组引气剂ST 掺 ，第3组料浆的经时损 经时损 ，归因于引气剂ST微气泡在 料浆起 到颗粒 作 料浆中水泥水 。 但 第3组 料浆的悬浮剂DF掺量不足，料浆内悬 浮网络体系存在 ，引气剂ST微气泡吸附细颗粒 上浮至料浆 ，致使粗集料下沉于管底而水分浮 于 图2b、3e所示，易造 。因 此，将第4组料浆的悬浮剂DF掺 4.445，提高料浆内的悬浮网络体系完整性，引气 剂ST微气泡在悬浮剂DF网络框架内发挥滚珠润 滑和颗粒 作用,其扩展 经时损 经时损 介于第2组和第3组之间，保证料浆不 沉 良好的流动性。 3流变特性 3.1流变特征参数 黏度和屈服应力 料浆非牛顿流体 变性质的两个基本参「 。充填料浆在受到外部 切力作用时发生流动变形,内部 对抗变形的 抵抗，并以内摩擦的 出来, 体在有相对 动时都 内摩擦力，非牛顿流体中称之 观 252黑龙江科技大学学报第30卷 黏度。表观黏度反映 料浆内摩 内聚力的 、，是料浆分子间微观作用的 ,料浆表观黏 与水泥掺量、固体颗粒粒 、料浆浓度及固体与 体分子间的动 换等因 关46。屈 力为 料浆流体流动 切应力,在料浆流动过 程中起重要作用,料浆塑性屈 力的大小一定程度 上决定了料浆的坍落度,即流动度。 图3充填料浆8h装模 Fif. 3 8 h mo l din . o f 01011. sl u r r p 32流变模型流变模型 料浆在管道中不同位置流动状态不尽相 同, 大小可 结、 紊流。料浆质 到一定程度时，料浆 黏 大,管道内 料浆 特性发 大变化。高 浓 料浆 的流变模型宜采用He n h el - Bu l kl ey模型，简称H - B模型42］。模型方程通式为 t T0 n yn , 3 式中---剪切应力，Pc ； Y剪切 ,-1; n------表观黍占度,Py・s； T 屈 力，Pc； /流态性指数。 二1，T二0时，为牛顿体；当/二1 , T〉2时，为宾汉姆体;当/〉1时,, 体;当/ 1时,为伪塑性体。 32流变参数拟合分析流变参数拟合分析 实验采用Rh eo l a n Q/C旋转流变仪，如图4所 。控制剪切速率进 切应力及 黏度测试, 结 4所示。 图4 Rh esl a b Q/C流变仪 Fif. 4 Rh esl a b Q/C Peo met ee 对4组料浆命名1〜4号料浆在。、。飞。、 90,122 mis时的流变数据进行测试，得到4组充填 料浆不同时间的流变特性 4所示。4组料 浆 黏 屈 力 时间的 ，在 同的时间点,4组料浆的 黏 屈 力值 差较大，二者排序 号料浆〉2号料浆〉4 号料浆〉3号料浆。原因是1号料浆 气 剂ST, 3、4号料浆 气剂ST,引气剂ST 气泡在料浆内起滚珠润滑作用，且引气剂ST 掺量越大 黏 屈 力就越低。相同时间内 4号比3号料浆 黏 屈 力大,原因是4 号料浆的悬浮剂DF掺量高于3号料浆，使4号料 浆体系内悬浮网络体系更完整，限制 气剂ST微 气泡的活动范“, 料浆的整体流动性降低。4 组料浆120mis和0mis的 黏度参数对比发现, 号料浆在122 mis时 黏 大，已经部分 第3期李涛，等添加剂对矿井充填料浆流动特性的影响258 凝结逐渐失去流动性。3、4号料浆未发生凝结且流 动性保持最好，原因在于引气剂ST微气泡的静电斥 力使细颗粒发生相互分离，减缓了水泥水化絮网结 构的凝聚，因此,3、4号料浆表观黏度和屈服应力经 时损失最小，保持了料浆长期良好的流动性。 表4不同时间充填料浆流变参数 Ta bl e 4 Rh eo l o g ic d pa r o met er s o f eil in g sl u ey a i differ en i t ime 0/ min 1号料浆 n /Pa sT/Pa/R2 02.595 943410.949 9 303.471 959110.936 1 604.545 07161009070 995.157 994310.932 6 1207.039 594510.969 6 / min 2 号料浆 n /Pa sT/Pa/R 02.343 341910.932 1 304.693 347510.380 7 603.149 757110.363 9 93.369 663010.926 4 124.335 36950454 40.954 8 / min 3号料浆 n /Pa sT/Pa/R 01.549 136910.930 3 302.161 645310.966 2 602.733 647910.923 6 92.966 149310.925 8 123.045 0SK0.464 60.934 4 / min 4号料浆 n /Pa sT/Pa/R 01.930 430110.926 2 302.395 142610.939 8 6020979250510.899 8 93.395 95410.926 6 123.599 561510.959 1 表4中4组料浆99 min前流态性指标/均等 于1,属于非牛顿宾汉姆塑性流体，表明此阶段料浆 流态稳定。122 min时2、3号料浆流态性指标/小 于9转变为屈服伪塑性非牛顿流体［6］,说明这两 组料浆内部发生了分层沉降导致其均质性差，料浆 的长期流变稳定性较差,粗集料在管路底部集聚易 造成堵管事故。图3h中3号料浆试块上表面凹陷 即分层后水分蒸发形成。4号料浆流态性指标/等 于1,仍属非牛顿宾汉姆体塑性流体，说明4号料浆 保持了较好的悬浮均质性，无分层沉降现象,长期流 变稳定性好，如图3d所示,4号料浆悬浮剂DF与引 气剂ST掺量配比关系较3号料浆能更好地满足该 矿长距离充填的管路输送要求。 4结论 1 肝石、粉煤灰高浓度胶结充填料浆泵送长 距离管路输送中,充填料浆需保持长期流变稳定性, 仅改变料浆内各组分掺量难以达到流变特性维持稳 定的效果,故添加悬浮剂DF与引气剂ST协同作用 料浆内在 变稳定特性。 2 4组充填料浆中第3组料浆的扩展度总经 时损失和平均经时损失率均最小，但第3组料浆的 悬浮网络体系不足，致粗集料沉降集聚于管路底部 而产生分层沉降现象。将第4组悬浮剂DF掺量增 加至0.045，提高料浆内的悬浮网络体系完整性, 可避免分层沉降现象的出现。 3 3、4号料浆表观黏度和屈服应力总经时损 失最小且流动性保持好,归因于引气剂ST微气泡的 颗粒分离作用，减缓了料浆水泥水化进程。但3号 料浆在102 min时流态性指标/小于1，转变为屈服 伪塑性非牛顿流体，料浆内部发生了分层沉降易造 成堵管事故。4号料浆保持了长期良好的流变稳定 性， 可 于长距 料浆的 。 参考文献 ［1］ 王超超，许家林,轩大洋.覆岩隔离注浆充填地面输浆管路 堵塞机理研究煤炭学报，2013, 4310 4773 -4709 ［2］ 解飞翔.膏体充填优化系统预防堵管中小企业管理与科 技，20101 153 -150. ［3］ 李艳刚，祁连忠.大梁矿业膏体充填料浆可泵性与充填堵管 因素研究［J］采矿技术，2017, 175 23 -24. ［4］ 刘效贤，王 沉沿空留巷泵送混凝土堵管原因分析及预防 措施煤炭工程，2015, 476 77-6. ［5］ 袁元勋.膏体充填堵管原因分析及防护措施［J］采矿技术, 2017, 174 30 -45. ［6］ 邓代强，朱永建，王发芝，等充填料浆长距离管路输送数值 模拟安徽大学学报自然科学版,ZOl , 306 30 -43. ［7］ 徐文彬,杨宝贵，杨胜利，等肝石充填料浆流变特性与颗粒 级配相关性实验研究［J］中南大学学报自然科学版, 2010, 474 30 -41. 254黑龙江科技大学学报第3。卷 4］王新民，张国庆，张钦礼，等超大能力超细全尾砂长距离自流 输送临界流速ELM预测［J］.科技导报，ZOH, 3315 22-31 ［9］杨 捷，武继龙，晋俊宇.肝石、粉煤灰高浓度料浆肝石颗粒 悬浮性研究4］矿业科学学报，2615, 42 122 -132. 45］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州中国矿 业大学出版社,2623. 41］ 钱鸣高.煤炭的科学开采4］煤炭学报,2315 , 33523 - 543. 42］ 李 涛，关长国，秦 涛构造应力场对巷道布置的影响 ［J］・黑龙江科技大学学报，2210,201 15-22. ［H］陈 磊，赵 明，赵 健煤矿高浓度胶结充填料浆流变特 性试验研究［J］中国煤炭，2616, 4212 , 34 -30. 44］ 施惠生，孙振平，邓 凯混凝土外加剂实用技术大全［M］. 北京中国建材工业出版社,2600. 45］ 蹇守卫，马保国，苏 雷纤维素醞改性砂浆的研究进展 ［］硅酸盐通报，22113 562 -566. ［12］赵 明，张有德，邵自强径丙基甲基纤维素与淀粉醞复配体系 性能的研究［］纤维素科学与技术，26112 33-3. ［12］黄莉红，孙广荣，孙振平改性淀粉醞对新拌砂浆相关性能 的影响［J］新型建筑材料，22145 26 -29. 41］ 陆 海，尹 军，袁一星浆体的管路输送阻力机理及减阻 技术［J］.青岛理工大学学报，2612, 325 99 -95. 42］ 马丽涛，宋 宝，乔琼琼引气剂ST品种对混凝土性能的影 响［］新型建筑材料，2212, 4411 25 -22. ［26］蒋丽燕引气剂ST不同掺量对混凝土性能影响的研究［］. 商品混凝土，22101 31 -33. ［21］ 宋德军.不同外加剂对混凝土性能影响研究［］当代化工, 2212, 465 012 -026. ［22］ 郑伟锤.悬浮剂DF对煤矿高浓度胶结充填料浆输送性能影 响研究［D］.北京中国矿业大学北京2212. ［23］ 黄玉诚.矿山充填理论与技术［M］.北京冶金工业出版社, 2214. ［2］ DePa sis D, Sr een iv ys T, Ga u t a m KD, et a t . 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