矿山膏体充填技术

1、1山东理工大学资源与环境工程学院王劼山东理工大学资源与环境工程学院王劼联系电话：联系电话-mail：二九年十二月二九年十二月矿山膏体充填技术矿山膏体充填技术2一、膏体充填技术的提出一、膏体充填技术的提出二、什么是膏体充填技术二、什么是膏体充填技术三、膏体的流变特征三、膏体的流变特征四、膏体输送管道阻力四、膏体输送管道阻力五、膏体制备与输送五、膏体制备与输送六、膏体技术在其他方面的应用六、膏体技术在其他方面的应用汇报提纲 3非煤矿山开采，一直有两大问题：安全生产与环境保非煤矿山开采，一直有两大问题：安全生产与环境保护。护。安全问题，主要是从地下采出矿石后留下了空场，空安

2、全问题，主要是从地下采出矿石后留下了空场，空场上部的岩石垮落造成人员伤亡和财产损失；场上部的岩石垮落造成人员伤亡和财产损失； 环保问题，主要是矿石中有用金属提取后剩下的固体环保问题，主要是矿石中有用金属提取后剩下的固体废弃物。废弃物。为了解决这两个问题，矿山就把这些固体废物重新回为了解决这两个问题，矿山就把这些固体废物重新回填到地下的空场，并避免空场垮落。由此就诞生了矿山充填到地下的空场，并避免空场垮落。由此就诞生了矿山充填技术。填技术。一、膏体充填技术的提出一、膏体充填技术的提出4干式充填，从古代采矿业开始。干式充填，从古代采矿业开始。水力充填，上个世纪四十年代末开始，现主要采用分级尾砂充填

3、。水力充填，上个世纪四十年代末开始，现主要采用分级尾砂充填。低浓度胶结充填，约在上个世纪五六十年代出现，以质量浓度低浓度胶结充填，约在上个世纪五六十年代出现，以质量浓度5070%的两相流体充填。的两相流体充填。高浓度胶结充填，约在上个世纪六七十年代出现，两相流体的质高浓度胶结充填，约在上个世纪六七十年代出现，两相流体的质量浓度得到了提高。量浓度得到了提高。 膏体胶结充填，上个世纪八十年代出现，脱离了传统的两相流体，膏体胶结充填，上个世纪八十年代出现，脱离了传统的两相流体，采用结构流体输送与充填。采用结构流体输送与充填。高水速凝胶结充填，也是在上个世纪八十年代末出现，脱离了传高水速凝胶结充填，也

4、是在上个世纪八十年代末出现，脱离了传统的普通胶凝材料的充填方式。统的普通胶凝材料的充填方式。块石胶结充填，大规模开始应用于上个世纪七十年代，属于块石胶结充填，大规模开始应用于上个世纪七十年代，属于“刚刚性性”充填料充填技术。充填料充填技术。5胶结充填技术胶结充填技术1、矿山充填种类、矿山充填种类干式充填（固体干式充填（固体,惰性物料）惰性物料）湿式充填湿式充填水力充填（固体水）水力充填（固体水）胶结充填（固体胶凝剂水）胶结充填（固体胶凝剂水）2、胶结充填方式、胶结充填方式细骨料胶凝剂水细骨料胶凝剂水 两相流体采场两相流体采场 细骨料胶凝剂水细骨料胶凝剂水 结构流体采场结构流体采场 粗骨料胶凝剂

5、水粗骨料胶凝剂水 低强度砼采场低强度砼采场 大块物料采场大块物料采场搅拌搅拌管道输送管道输送强力搅拌强力搅拌加压管道输送加压管道输送搅拌搅拌机械输送机械输送机械输送机械输送浇注浇注/自淋自淋/喷洒喷洒胶凝浆体胶凝浆体6 传统的普通尾砂胶结充填技术在矿山的应用，传统的普通尾砂胶结充填技术在矿山的应用，促进了充填采矿技术的发展。但随着这项技术的促进了充填采矿技术的发展。但随着这项技术的广泛应用，也暴露出一系列的突出问题：充填体广泛应用，也暴露出一系列的突出问题：充填体强度低、养护周期长、充填效率低、井下脱水污强度低、养护周期长、充填效率低、井下脱水污染环境、尾砂利用率低、充填成本高等。染环境、尾砂

6、利用率低、充填成本高等。克服管道输送胶结充填缺陷的主要途径克服管道输送胶结充填缺陷的主要途径提高浓度。因此，提出采用膏体充填技术。提高浓度。因此，提出采用膏体充填技术。 7将一种或多种固体物料与水进行优化组合，配制成具有一定稳将一种或多种固体物料与水进行优化组合，配制成具有一定稳定性、流动性、可塑性的牙膏状的浆体，在外加力（泵压）或重力定性、流动性、可塑性的牙膏状的浆体，在外加力（泵压）或重力作用下以柱塞流的形态，用管道输送到地下采空区完成充填作业的作用下以柱塞流的形态，用管道输送到地下采空区完成充填作业的过程，称之为膏体充填。过程，称之为膏体充填。当砂浆的体积浓度大于当砂浆的体积浓度大于50

7、50时，料浆成稳定的粥状膏体，并像时，料浆成稳定的粥状膏体，并像塑性结构体一样在管道中作整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发塑性结构体一样在管道中作整体运动，膏体中的固体颗粒一般不发生沉淀，层间也不出现交流，而呈现生沉淀，层间也不出现交流，而呈现“柱塞状柱塞状的运动状态。膏的运动状态。膏体柱塞断面上的速度和浓度的变化为常数，只是润滑层的速度有一体柱塞断面上的速度和浓度的变化为常数，只是润滑层的速度有一定的变化。细粒物料像一个圆环，集中在管壁周围的润滑层慢速运定的变化。细粒物料像一个圆环，集中在管壁周围的润滑层慢速运动，起到动，起到“润滑润滑”的作用。由于膏体料浆的塑性粘度和屈服切应力的作用。由于

8、膏体料浆的塑性粘度和屈服切应力均较大，因而只能施加外力克服膏体屈服应力后，方可流动。均较大，因而只能施加外力克服膏体屈服应力后，方可流动。二、什么是膏体充填技术二、什么是膏体充填技术8膏体料浆在管道中的运动状态膏体料浆在管道中的运动状态9稳定性。稳定性。它是指充填物料具有抵抗分层、离析的能它是指充填物料具有抵抗分层、离析的能力，使膏体在输送管道中停留数小时不沉淀、不分层、不力，使膏体在输送管道中停留数小时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。离析，能顺利地进行输送。流动性。流动性。它是指膏体能在外力或重力作用下，能够它是指膏体能在外力或重力作用下，能够在输送管道中或采空区中顺利流动。在输送

9、管道中或采空区中顺利流动。可塑性。可塑性。它是指膏体能够在克服屈服应力后产生非它是指膏体能够在克服屈服应力后产生非可逆变形的能力，也就是膏体在通过输送管道弯道部位、可逆变形的能力，也就是膏体在通过输送管道弯道部位、变径锥形管、管接头等管件时，形状能发生变化，内部结变径锥形管、管接头等管件时，形状能发生变化，内部结构不变。构不变。膏体的三个技术条件膏体的三个技术条件10膏体充填的特点膏体充填的特点 尾砂膏体充填的料浆重量浓度一般在尾砂膏体充填的料浆重量浓度一般在75%75%以上，料浆的屈服以上，料浆的屈服切应力和塑性粘度较大。切应力和塑性粘度较大。充填料浆中要有一定比例的超细粒级物料，才能形成稳

10、定充填料浆中要有一定比例的超细粒级物料，才能形成稳定性好的膏体；性好的膏体；膏体在管道中的流动呈柱塞状，其核心呈恒速流动，近柱膏体在管道中的流动呈柱塞状，其核心呈恒速流动，近柱塞体。管壁处的速度梯度与摩擦阻力和表面润滑层的粘度有关；塞体。管壁处的速度梯度与摩擦阻力和表面润滑层的粘度有关；膏体充填料的内摩擦角较大，其凝固的时间短，能迅速地膏体充填料的内摩擦角较大，其凝固的时间短，能迅速地对围岩和矿柱产生抗力，减缓空区闭合。在充填后几个小时便可对围岩和矿柱产生抗力，减缓空区闭合。在充填后几个小时便可进行作业；进行作业； 膏体充填料中一般添加水泥制备成胶结充填料，对选厂送膏体充填料中一般添加水泥制备

11、成胶结充填料，对选厂送来的低浓度全尾砂常采用高效浓密机、真空过滤机或离心脱水机来的低浓度全尾砂常采用高效浓密机、真空过滤机或离心脱水机进行脱水；膏体充填料常用柱塞泵进行输送。进行脱水；膏体充填料常用柱塞泵进行输送。11全尾砂膏体泵送胶结充填的主要优点有：全尾砂膏体泵送胶结充填的主要优点有：尾砂利用率高尾砂利用率高( (基本可达到基本可达到100%)100%)，可节省大部分采，可节省大部分采集、加工充填料的费用；集、加工充填料的费用；减少尾矿库基建、经营和维护费用；减少尾矿库基建、经营和维护费用；水泥用量减少，充填成本降低；水泥用量减少，充填成本降低；改善井下作业环境、节省排水、排污费等。改善井

12、下作业环境、节省排水、排污费等。膏体充填的主要缺点是：一次性基建投资大，工艺设备环膏体充填的主要缺点是：一次性基建投资大，工艺设备环节多，维护管理复杂等。节多，维护管理复杂等。膏体充填的优缺点膏体充填的优缺点12真实物体在载荷外力的作用下都将发生物质流动与变形，而流真实物体在载荷外力的作用下都将发生物质流动与变形，而流变学是研究载荷下物质流动与变形的科学。对于浆体的流变模型，变学是研究载荷下物质流动与变形的科学。对于浆体的流变模型，可用以下通式表示：可用以下通式表示：三、膏体的流变特征三、膏体的流变特征nydyduk在上面通用表达式中，在上面通用表达式中，为剪切应力，为剪切应力，PaPa；（；

13、（du/du/dydy) )为剪切速率，为剪切速率，S S-1-1 ；K K、y y、n n分别代表流体的粘度、初始剪切应力和流动指数。分别代表流体的粘度、初始剪切应力和流动指数。K、y、n，也就是流体的粘度、初始剪切应力和流动指数，统称也就是流体的粘度、初始剪切应力和流动指数，统称为浆体的流变参数。为浆体的流变参数。13. .粘度粘度K K：浆体运动时，运动较快的浆体部分会加速与其接触的运：浆体运动时，运动较快的浆体部分会加速与其接触的运动速度较慢部分，反之，速度较慢的浆体部分又有减缓与其接触的动速度较慢部分，反之，速度较慢的浆体部分又有减缓与其接触的流速较快部分的反作用。这种性质称为浆体的

14、粘性，度量这种粘性流速较快部分的反作用。这种性质称为浆体的粘性，度量这种粘性称为粘度。称为粘度。 . .初始剪切应力初始剪切应力y y：含有一定数量细颗粒的悬液，在静止状态下：含有一定数量细颗粒的悬液，在静止状态下会形成具有一定刚度的三维絮凝结构，产生了内聚力，即初始切应会形成具有一定刚度的三维絮凝结构，产生了内聚力，即初始切应力，能抵抗一定的剪切作用。当剪切外力小于初始切应力，浆体不力，能抵抗一定的剪切作用。当剪切外力小于初始切应力，浆体不会发生流动；当剪切外力大于初始切应力，浆体开始发生塑性流动。会发生流动；当剪切外力大于初始切应力，浆体开始发生塑性流动。初始剪切应力与浆体的浓度、温度、固

15、体颗粒的粒径与级配、细颗初始剪切应力与浆体的浓度、温度、固体颗粒的粒径与级配、细颗粒含量和颗粒重度等因素有关。粒含量和颗粒重度等因素有关。：. .流动指数流动指数n n：流动指数也称流动性态系数，表示非牛顿体偏离牛：流动指数也称流动性态系数，表示非牛顿体偏离牛顿体的程度。对牛顿体，顿体的程度。对牛顿体，n n等于等于1 1；对胀塑性体，；对胀塑性体，n n大于大于1 1；对假塑性；对假塑性体，体，n n在在0 0与与1 1之间。之间。14常见浆体的流变数学模型常见浆体的流变数学模型 15牛顿体牛顿体剪切速率剪切速率()剪应力（）剪应力（）初始剪应力（）初始剪应力（）膨胀体膨胀体幂律体幂律体宾汉

16、塑性体宾汉塑性体塑流膨胀体塑流膨胀体塑流伪塑性体塑流伪塑性体dyduy16膏体的流变模型属于宾汉塑性体。所以，膏体充填料的流变参膏体的流变模型属于宾汉塑性体。所以，膏体充填料的流变参数为屈服剪切应力数为屈服剪切应力0和塑性粘度系数和塑性粘度系数。dydu0膏体的流变力学数学模型：膏体的流变力学数学模型：膏体的流变力学物理模型：膏体的流变力学物理模型：（塑性滑块与粘性元件并联组成）（塑性滑块与粘性元件并联组成）0 膏体输送管道阻力，既与膏体的料浆性质有膏体输送管道阻力，既与膏体的料浆性质有关，也与输送管道、输送流速有关，影响因素很关，也与输送管道、输送流速有关，影响因素很多。目前，还没有通用的理

17、论计算公式，一般都多。目前，还没有通用的理论计算公式，一般都采用经验公式。如金川经验公式（尾砂采用经验公式。如金川经验公式（尾砂: :棒磨砂棒磨砂1:11:1时）：时）：wmmCeDLvj2488. 027101294. 2四、膏体输送管道阻力四、膏体输送管道阻力18会泽经验公式的推导：会泽经验公式的推导： 1 1、确定膏体的流型、确定膏体的流型通过膏体流型试验，由于膏体充填料在输送管道中的通过膏体流型试验，由于膏体充填料在输送管道中的运动状态像塑性体一样整体运动，膏体中的固体颗粒不发运动状态像塑性体一样整体运动，膏体中的固体颗粒不发生沉降，膏体层与层间也不出现交流，属于一种柱塞状的生沉降，膏

18、体层与层间也不出现交流，属于一种柱塞状的结构流。同时，膏体要在一定量的外力作用（克服初始切结构流。同时，膏体要在一定量的外力作用（克服初始切应力）才开始流动，并且膏体开始流动后管壁切应力随切应力）才开始流动，并且膏体开始流动后管壁切应力随切变速率的增长而呈直线增长，符合宾汉塑性体流型。变速率的增长而呈直线增长，符合宾汉塑性体流型。192 2、推导理论公式、推导理论公式在宾汉塑性体流型这种层流条件下，利用白在宾汉塑性体流型这种层流条件下，利用白金汉（金汉（BuckinghamBuckingham）方程和管流静力学平衡理论，）方程和管流静力学平衡理论，求得膏体输送管道阻力理论公式：求得膏体输送管道

19、阻力理论公式：2032316DvDjm203 3、确定流变参数、确定流变参数在会泽膏体物料性质及其粒级配比一定的条件下，寻在会泽膏体物料性质及其粒级配比一定的条件下，寻求膏体的流变参数与料浆浓度遵循的变化规律。根据试验求膏体的流变参数与料浆浓度遵循的变化规律。根据试验数据，以料浆浓度为变量，按照正比例直线，乘幂曲线，数据，以料浆浓度为变量，按照正比例直线，乘幂曲线，指数曲线，对数曲线，多项式曲线这几种基本的线型进行指数曲线，对数曲线，多项式曲线这几种基本的线型进行回归分析处理，并进行其相关性判断。经计算机编程处理，回归分析处理，并进行其相关性判断。经计算机编程处理，最终确定其变化规律为：膏体初

20、始屈服应力和料浆浓度的最终确定其变化规律为：膏体初始屈服应力和料浆浓度的变化服从指数曲线线型；膏体塑性粘度系数服从正比例直变化服从指数曲线线型；膏体塑性粘度系数服从正比例直线线型。线线型。21 如全尾砂膏体胶结充填时，流变参数如全尾砂膏体胶结充填时，流变参数 0 0与浓与浓度度 C Cw w的关系：的关系：流变参数流变参数 与浓度与浓度 C Cw w 的关系：的关系：wCe0344. 00417.1873.1266132. 1wC4 4、会泽经验公式：、会泽经验公式：膏体流变参数与料浆浓度之间的变化规律及膏体流变参数与料浆浓度之间的变化规律及相关的计算公式确定后，可利用推导的理论计算相关的计算

21、公式确定后，可利用推导的理论计算公式，形成包含膏体充填三个基本变量的经验公公式，形成包含膏体充填三个基本变量的经验公式。如全尾砂膏体胶结充填时：式。如全尾砂膏体胶结充填时：20344. 03273.1266132. 13335.11316DvCeDjwCmw5 5、经验公式验证、经验公式验证 为了验证会泽经验公式的实用程度，采为了验证会泽经验公式的实用程度，采用上述经验公式对各组方用上述经验公式对各组方D150D150水平管水平管道阻力进行计算，并与环管试验数据进行道阻力进行计算，并与环管试验数据进行对比。结果表明，其理论计算值和试验数对比。结果表明，其理论计算值和试验数据之间的误差不大，其误差在