1、第34卷第8期 煤炭科学技术 2006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221008) 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：TD8237 文献标志码：A 文章编号：02532336(2006)08005403 Experimental study on rheology performances of paste backfilling slurry ZHAO Caizhi
2、，ZHOU Huaqiang，QU Qundi，CHANG Qingliang (China University ofMining and Technology， I “221008，China) Abstract：Base on the rheology characteristics experiment of paste backfilling material，the rheology parameters of the paste backfilling slurry and the rheology formula of the regressive slurry were me
3、asured and testedWith the rheology curve，the paper analyzed and studied the effect law of the paste slurry density and the fly ash applied quantity to the rheology parameters Key words：paste backfilling；slurry；rheology performances 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
4、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
5、与水按一定要求混合搅拌制成的质量分 数为8085的浆体。 54 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8116，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。
6、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 21 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 http:/ 第34卷第8期 煤炭科学技术 2006年8月 河河砂密度 =263 gcm ，平均粒径d =0275 mm，细度模数136，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 008 mm量)为34。 45 40 ；30 笠2o 、二 一lO 0 一 r一 r_ 一l l l 0 I 1厂一 一 A B C
7、 D E F G 粒度组成 A一小于008 mm；B0O8016 mnl；C0160315 nma； D_o315063 mm；E_o63125 mnl；F12525 mnl：G一255 mnl 图l 泗河砂样的粒级组成 22膏体充填料浆流变实验 膏体胶结料用量为50 kgm 、质量分数为 8082、粉煤灰添加量300500 kgm ，称 量、配料，搅拌混合成均质的膏体，采用NXS一 11A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
8、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+ry 式中r剪切应力，Pa； r 屈服应力，Pa； 叼刚度系数，PaS； 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
9、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 aT 式中 表观黏度，PaS； 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， 55 维普资讯 http:/ 第34卷第8期 煤炭科学技术 2006年8月 剪切应力先减小后增大，即粉煤灰用量为300 kg 1“11 的剪切应力大于粉煤灰用量为5
10、00 kg1“11 的剪切 应力，粉煤灰用量为500 kgm 的剪切应力大于粉 煤灰用量为400 kgm 的剪切应力，当粉煤灰加量 为400 kgm 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80的剪切应力小于质 量分数为82的剪切应力，质量分数为82的剪 切应力小于质量分数为81的剪切应力，当质量 分数为81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
11、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 56 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
12、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300 kgm 到 400 kgm 时，黏度由大到小；粉煤灰含量从400 kgm 到500 kgm 时，黏度开始减大。 (4)浓度为80，82，粉煤灰含量在400 kgm 到500 kgm 时，膏体的塑性黏度在05 08 Pas之间，初始剪切力为68 Pa。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
13、2，粉煤灰用量为500 kgm 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，2003(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，2004(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，1994 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，2003(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，2003(3) 6 刘同有充填采矿技术与应用M北京：冶金工业出版 社，2001 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，2002 8 王绍周粒状物料的浆体管道输送M北京：海洋出版 社1998 作者简介：赵才智(1978一)，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。Tel：051683995225， Emailzhaocaizhil63tom 收稿日期：20060408；责任编辑：曾康生 维普资讯 http:/
