河砂中流变特性检测方案(流变仪)

煤 矿 机儿械Coal Mine Machinery第38卷第05期2017年 05月Vol.38No.05May. 2017 河砂新型胶凝材料浆流变特性试验研究- 李国栋，等Vol.38 No.05第38卷第05期 doi：10.13436/j.mkjx.201705012 河砂新型胶凝材料浆流变特性试验研究 李国栋，徐壮飞，王晓欢，金 超，赵越，李 杨 (山东黄金金创集团有限公司蓬莱市大柳行金矿，山东蓬山265615) 摘 要：河砂充填采矿可以降低采矿成本，提高经济效益。针对以河砂作为充填骨料，开发出-种新型胶凝材料，充填体强度满足要求。对其河砂浆流变特性进行了试验研究，分析河砂浆自流输送影响因数，可以为新型胶凝材料河砂浆的应用提供理论依据。 关键词：新型胶凝材料；河砂；流变特性；自流输送 中图分类号：TD853.34 文献标志码：A 文章编号：1003-0794(2017)05-0032 -02 Experimental Study on Rheological Behavior of New CementingMaterial Slurry with River Sand LI Guo-dong， XU Zhuang-fei， WANG Xiao-huan， JIN Chao， ZHAO Yue， LI Yang (Penglaishi Daliuhang Gold Mine， Shandong Gold Jinchuang Group Co.， Ltd.， Penglai 265615， China) Abstract： Mining with river sand backfill can the cost of mining and improve economic benefit.Developed a new cementing material， the strength of filling body met the requirement. Experimentalstudy on the rheological characteristics of river sand slurry，analyzed the factor influencing gravity-flowtransportation. The study can provide theoretical basis for the application of river sand slurry with newcementing material. Key words： new cementing material； river sand； rheological characteristics； gravity-flow transportation 河砂物理特性的测试 对本次试验选用的河砂进行物理特性测试，包括密度、孔隙率和粒径分布。测得河砂密实密度2.66 g/cm³，松散密度1.59 g/cm，孔隙率40.11%。表1为河砂粒径特征测试结果。 表1河砂粒径特征测试结果 材料 di/mm dso/mm d60/mm do/mm d./mm 均匀系数(doo/d1o) 河砂 0.178 0.998 1.405 2.966 0.72 7.9 充填采矿对充填骨料粒度的要求，细颗粒及大颗粒的含量不能过高，骨料细颗粒可以提高充填料浆的流动性，但是当骨料细颗粒过多，充填料浆的流动性会逐渐变差。充填骨料中大颗粒所占比例同样不能过高，过高时，充填料浆的稳定性变差，容易出现离析分层现象。 由河砂粒径分布图(见图1)和表1可知，河砂的粒径分布基本符合正态分布，粒径在0.5~2.5 mm的河砂所占比例较大，细颗粒及大颗粒的河砂所占比例不高，满足充填采矿对充填骨料的要求。 图1 河砂粒径分布图 2 新型胶凝材料河砂浆的流变特性测试 (1)新型胶凝材料河砂浆基本性能测试 新型胶凝砂浆基本性能测试包括砂浆稠度、砂浆分层度、砂浆塌落度、砂浆沁水率，同时与水泥河砂浆基本性能进行对比。砂浆基本性能测试方案与结果如表2和表3所示。 表2 新型胶凝材料河砂浆基本性能测试方案与结果 编号胶砂比浓度/%稠度/cm 塌落度/cm 分层度/cm 沁水率/% 1 76.00 12.50 28.80 2.10 14.90 2 78.00 12.10 28.70 0.20 14.80 3 1：4 80.00 11.85 28.50 1.87 14.46 4 82.00 11.83 27.90 0.73 9.46 5 76.00 11.57 28.80 2.07 22.81 6 78.00 12.10 28.30 0.00 20.23 7 1：5 80.00 11.97 28.40 0.87 11.90 8 82.00 11.67 28.10 0.07 8.19 9 76.00 12.17 28.50 2.27 12.50 10 1：6 78.00 11.77 28.00 1.47 15.53 11 80.00 11.67 28.30 0.37 14.54 12 82.00 11.00 28.00 0.27 11.06 表3 水泥河砂浆基本性能测试方案与结果 编号灰砂比浓度/%稠度/cm 塌落度/cm 分分度/cm沁水率/% 1 76.00 12.33 29.10 2.23 14.69 2 78.00 1：4 12.32 28.90 1.12 14.10 3 80.00 12.37 28.60 0.35 10.13 4 82.00 12.25 28.10 0.45 4.70 ①砂浆稠度分析 砂浆稠度在于揭示砂浆的流动性，用于评价砂浆管道输送的可行性与可靠性。新型胶凝材料和水泥砂浆的稠度变化规律基本一致，即砂浆稠度随浓度提高而减小。相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料和水泥河砂砂浆的稠度基本相同。新型胶凝材料砂浆稠度随胶砂比的提高而略有降低； ②砂浆塌落度分析斤砂浆塌落度反映砂浆流动性的好坏与流动阻力的大小，主要由砂浆中固体颗粒的粒径分布和砂浆浓度决定。新型胶凝材料和水泥砂浆的塌落度变化规律基本一致，即砂浆塌落度随浓度提高而降低。新型胶凝材料砂浆的塌落度随胶砂比的提高而降低； ③砂浆分层度分析 砂浆分层度体现了砂浆的保水性。新型胶凝材料和水泥砂浆的分层度变化规律基本一致，即砂浆分层度随浓度提高而减小。相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料砂浆分层度略大于水 泥砂浆的分层度。新型胶凝材料砂浆的分层度随胶砂比的提高略有减小； ④砂浆沁水率分析 砂浆沁水率反映砂浆管流泌水和稳定性情况。其值越小，砂浆的稳定性越高。新型胶凝材料和水泥砂浆的沁水率变化规律基本一致，即砂浆沁水率随浓度提高而减小。相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料和水泥砂浆沁水率相差不大。新型胶凝材料砂浆沁水率随胶砂比的提高而增大。 (2)新型胶凝材料流变参数测试 ①试验方案与结果 通过流变仪对胶砂比分别为1：4、1：5和1：6，质量浓度76%~82%的砂浆进行测试，试验方案与结果如表4所示。 表4 砂浆流变参数试验方案与结果 胶砂比 质量浓度/% 屈服力/Pa 黏度/Pa·s 76 223.75 1.72 1：4 78 245.36 2.25 80 267.18 2.87 82 275.34 2.89 76 225.17 1.36 1：5 78 240.38 2.06 80 267.23 2.57 82 279.32 2.89 76 219.42 1.28 1：6 78 243.75 1.89 80 278.22 2.04 82 288.90 2.48 ②试验结果分析 从图2和图3可以看出，胶砂比一定时，充填砂浆的浓度越高，初始应力越大，黏度越高；当充填砂浆浓度一定时，砂浆的黏度随胶砂比的提高而减小，需要的初始应力也减小，即流动性越好。 300 图2 屈服力与浓度的关系 1.胶砂比1：422.胶砂比1：53.胶砂比1：6 图3 黏度与浓度的关系 1.胶砂比1：42.胶砂比1：53.胶砂比1：6 (3)砂浆管道自流输送的计算 砂浆管道自流输送指的是以砂浆本身的重力势能克服管道阻力而流动的，实现砂浆自流的条件是砂浆本身的重力势能必须大于克服管道阻力所消耗的能量。充填倍线 式中 H--管道垂直高度，m； L——水平管道长度，m。 对某一矿山，H是确定值，所以充填倍线与管道水平长度成正比，即充填倍线值越大，可用自流充填的范围越大。 根据充填理论及伯努利方程，有 充填砂浆在管道输送过程中损耗的能量 式中 -充填料浆的密度，kg/m²； D——充填管道直径，mm； To 剪切应力； 入- 充填管道摩擦阻力因子，一般取入=1.05~1.15。 由式(1)~式(4)可得充填倍线 由式(5)可以看出，充填倍线Ⅳ与充填料浆的屈服力To、黏度m和流速v成反比，与充填管道直径D成正比。当充填管道直径越大，屈服力、黏度和流速越小时，可充填范围越大，反之越小。以灰砂比1：4，浓度80%为例，计算出的充填倍线如表5所示。 表53充填倍线计算结果 灰砂比浓度/% 流速/m·s- 管道直径圣/mm 110 120 130 1.46 1.90 1：4 80 1.20 1.36 1.52 1.06 1.15 1.30 3 结语 (1)河砂粒经基本符合正态分布，有利于充填体强度和砂浆的输送； (2)相同胶砂比时，砂浆稠度、分层度、塌落度、沁水率随浓度的增大而减小；相同浓度时，砂浆稠度、分层度、塌落度随胶砂比的提高而减小，砂浆沁水率随胶砂比提高而减小。在满足充填体强度的的求下，选择合理的胶砂比和浓度，尽可能使充填倍线大； (3)相同胶砂比时，砂浆屈服力和黏度随着浓度提高而增大；相同浓度时，砂浆屈服力和黏度随着胶砂比的提高而减小。 (4)选着合理的浓度、胶砂比、流速、管道直径是实现大倍线直流输送、提高采矿效率的前提。 ( 参考文献： ) ( [ 1]陈偶，乔登攀，张国龙，等.现代矿山充填采矿法浅析[J] . 矿冶， 2013，22(3)：30-32+35. ) ( [2]李茂辉，高谦，南世卿.新型胶结材料全尾砂浆流变特性试验分析[J].矿业研究与开发，2013，33(2)：15-17+67. ) ( [ 3]夏德胜，高谦，南世卿.充填采矿新型胶结材料流变特性研究[J]. 中国矿业，2013，22(1) ：1 08-111. ) ( [ 4]周旭，王佩勋.大倍线管道自流输送胶结充填技术[J].金属矿 山 ， 2011(8)：25-28. ) ( [5]许毓海，许新启.高浓度(膏体)充填流变特性及自流输送参数的 合理确定[J].矿冶，2004，13(3)：16-19. ) ( 作者简介：李国栋(1992-)，内蒙古呼伦贝尔人，工程硕士，主要从事金属矿安全、开采和矿山充填的研究，电子信箱：2462279798@qq. com. ) ( 责任编辑：赵 荣 收稿日期：2016-12-28 ) China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net 河砂新型胶凝材料浆流变特性试验研究 李国栋，徐壮飞，王晓欢，金  超，赵  越，李  杨 （山东黄金金创集团有限公司 蓬莱市大柳行金矿， 山东 蓬莱 265615）   摘 要： 河砂充填采矿可以降低采矿成本，提高经济效益。 针对以河砂作为充填骨料，开发出一种新型胶凝材料，充填体强度满足要求。 对其河砂浆流变特性进行了试验研究，分析河砂浆自流输送影响因数 , 可以为新型胶凝材料河砂浆的应用提供理论依据。 关键词： 新型胶凝材料； 河砂； 流变特性； 自流输送 中图分类号： TD853.34 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794 （ 2017 ） 05 － 0032 － 02 Experimental Study on Rheological Behavior of New Cementing Material Slurry with River Sand   LI Guo-dong ， XU Zhuang-fei ， WANG Xiao-huan ， JIN Chao ， ZHAO Yue ， LI Yang （ Penglaishi Daliuhang Gold Mine ， Shandong Gold Jinchuang Group Co., Ltd., Penglai 265615 ， China ）   Abstract: Mining with river sand backfill can the cost of mining and improve economic benefit.Developed a new cementing material, the strength of filling body met the requirement. Experimentalstudy on the rheological characteristics of river sand slurry ， analyzed the factor influencing gravity-flow transportation. The study can provide theoretical basis for the application of river sand slurry with newcementing material. Key words: new cementing material; river sand; rheological characteristics; gravity-flow transportation 1 河砂物理特性的测试 对本次试验选用的河砂进行物理特性测试，包括密度、 孔隙率和粒径分布。 测得河砂密实密度2.66 g/cm 3 ，松散密度 1.59 g/cm 3 ，孔隙率 40.11% 。 表1 为河砂粒径特征测试结果。 充填采矿对充填骨料粒度的要求，细颗粒及大颗粒的含量不能过高，骨料细颗粒可以提高充填料浆的流动性，但是当骨料细颗粒过多，充填料浆的流动性会逐渐变差。 充填骨料中大颗粒所占比例同样不能过高，过高时，充填料浆的稳定性变差，容易出现离析分层现象。   由河砂粒径分布图（见图 1 ）和表 1 可知，河砂的粒径分布基本符合正态分布，粒径在 0.5～2.5 mm的河砂所占比例较大，细颗粒及大颗粒的河砂所占比例不高，满足充填采矿对充填骨料的要求。   2 新型胶凝材料河砂浆的流变特性测试 （ 1 ）新型胶凝材料河砂浆基本性能测试 新型胶凝砂浆基本性能测试包括砂浆稠度、砂浆分层度、砂浆塌落度、砂浆沁水率，同时与水泥河砂浆基本性能进行对比。 砂浆基本性能测试方案与结果如表 2 和表 3 所示。 ① 砂浆稠度分析 砂浆稠度在于揭示砂浆的流动性，用于评价砂浆管道输送的可行性与可靠性。新型胶凝材料和水泥砂浆的稠度变化规律基本一致，即砂浆稠度随浓度提高而减小。 相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料和水泥河砂砂浆的稠度基本相同。新型胶凝材料砂浆稠度随胶砂比的提高而略有降低；   ② 砂浆塌落度分析 砂浆塌落度反映砂浆流动性的好坏与流动阻力的大小，主要由砂浆中固体颗粒的粒径分布和砂浆浓度决定。 新型胶凝材料和水泥砂浆的塌落度变化规律基本一致，即砂浆塌落度随浓度提高而降低。 新型胶凝材料砂浆的塌落度随胶砂比的提高而降低；   ③ 砂浆分层度分析 砂浆分层度体现了砂浆的保水性。 新型胶凝材料和水泥砂浆的分层度变化规律基本一致，即砂浆分层度随浓度提高而减小。相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料砂浆分层度略大于水泥砂浆的分层度。 新型胶凝材料砂浆的分层度随胶砂比的提高略有减小；   ④ 砂浆沁水率分析 砂浆沁水率反映砂浆管流泌水和稳定性情况。 其值越小，砂浆的稳定性越高。新型胶凝材料和水泥砂浆的沁水率变化规律基本一致，即砂浆沁水率随浓度提高而减小。 相同胶砂比与浓度时，新型胶凝材料和水泥砂浆沁水率相差不大。 新型胶凝材料砂浆沁水率随胶砂比的提高而增大。 （ 2 ）新型胶凝材料流变参数测试 ① 试验方案与结果 通过流变仪对胶砂比分别为 1∶4 、 1∶5 和 1∶6 ，质量浓度 76%～82% 的砂浆进行测试，试验方案与结果如表 4 所示。   ② 试验结果分析 从图 2 和图 3 可以看出，胶砂比一定时，充填砂浆的浓度越高，初始应力越大，黏度越高；当充填砂浆浓度一定时，砂浆的黏度随胶砂比的提高而减小，需要的初始应力也减小，即流动性越好。   1. 胶砂比 1∶4 2. 胶砂比 1∶5 3. 胶砂比 1∶6 （ 3 ）砂浆管道自流输送的计算 砂浆管道自流输送指的是以砂浆本身的重力势能克服管道阻力而流动的，实现砂浆自流的条件是砂浆本身的重力势能必须大于克服管道阻力所消耗的能量。 充填倍线 对某一矿山， H 是确定值，所以充填倍线与管道水平长度成正比，即充填倍线值越大，可用自流充填的范围越大。   由式（ 5 ）可以看出，充填倍线 N 与充填料浆的屈服力 τ 0 、黏度 η 和流速 v 成反比，与充填管道直径D 成正比。 当充填管道直径越大，屈服力、黏度和流速越小时，可充填范围越大，反之越小。 以灰砂比 1∶4 ，浓度 80% 为例，计算出的充填倍线如表 5 所示。   3 结语 （ 1 ）河砂粒经基本符合正态分布，有利于充填体强度和砂浆的输送； （ 2 ）相同胶砂比时，砂浆稠度、分层度、塌落度、沁水率随浓度的增大而减小；相同浓度时，砂浆稠度、分层度、塌落度随胶砂比的提高而减小，砂浆沁水率 随胶砂比提高而减小。在满足充填体强度的要求下，选择合理的胶砂比和浓度，尽可能使充填倍线大； （ 3 ）相同胶砂比时，砂浆屈服力和黏度随着浓度提高而增大；相同浓度时，砂浆屈服力和黏度随着胶砂比的提高而减小。 （ 4 ）选着合理的浓度、胶砂比、流速、管道直径是实现大倍线直流输送、提高采矿效率的前提。   参考文献： ［ 1 ］陈偶，乔登攀，张国龙，等 . 现代矿山充填采矿法浅析［ J ］ . 矿冶，2013,22 （ 3 ） :30-32＋35. ［ 2 ］李茂辉，高谦，南世卿 . 新型胶结材料全尾砂浆流变特性试验分析［J ］ . 矿业研究与开发， 2013,33 （ 2 ） :15-17＋67. ［ 3 ］夏德胜，高谦，南世卿 . 充填采矿新型胶结材料流变特性研究［ J ］ .中国矿业， 2013,22 （ 1 ）： 108-111. ［ 4 ］周旭，王佩勋 . 大倍线管道自流输送胶结充填技术［ J ］ . 金属矿山，2011 （ 8 ）： 25-28. ［ 5 ］许毓海，许新启 . 高浓度（膏体）充填流变特性及自流输送参数的合理确定［ J ］ . 矿冶， 2004,13 （ 3 ）： 16-19.