基于剪切试验的全尾砂浆触变特性研究

基于剪切试验的全尾砂浆触变特性研究

随着国家对矿产业环境保护的重视，将采矿法作为环境友好的采矿方法，已被许多矿山视为主要开采方法。1923年触变现象被发现，随后一些专家学者对其机理展开了研究在管道输送过程中触变性对料浆性质和管输阻力有一定影响，朱世彬等由此可以看出，前人对充填尾砂料浆触变性的研究多针对于其影响因素和其对管输阻力的影响，对于全尾砂浆触变性和剪切稀化特征尚缺少规律性的系统研究，本文针对全尾砂浆触变性影响因素及其剪切稀化特征进行研究，探究全尾砂浆触变性影响因素及其一般规律，为现场料浆的制备及管道输送过程的优化提供理论依据。1试验材料和试验方法1.1尾砂密度及转子试验用尾砂为河北省某铁矿全尾砂，水泥为普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。经实验室测试，尾砂密度为2620kg/m流变试验所用设备为美国的赛默飞世尔科技公司生产的便携式流变仪HAAKEViscotesteriQ，配备转子为FL224B/SS-01170440的四叶桨式转子。试验用水为实验室自来水。1.2设计单因素4水平试验为探究质量浓度、温度、灰砂比、剪切速率等因素对全尾砂浆触变特性的影响，在考虑料浆流动性的前提下，设计单因素4水平试验，如表1所示。剪切试验采用CR测试方法，分别进行100s的恒定剪切试验。触变性是指全尾砂浆受剪切破坏作用内部结构随时间的破坏和恢复过程，对于剪切破坏过程可利用剪切应力变化量Δτ来表示，Δτ可由式（1）计算得出。式中，Δτ为剪切应力变化量，Pa；τ2试验结果与分析2.1低质量剪切速率在灰砂比为1∶4，剪切速率为60s由图2可知：在剪切速率相同的情况下，随着剪切时间的延长，料浆絮网结构被逐渐破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；同时可以看出，在剪切速率相同时，低质量浓度下触变特性并不明显；以触变前后剪切应力变化量来表征全尾砂浆触变性的大小因此，在质量浓度为60%～66%的范围内，质量浓度越高全尾砂浆触变特性越强，可以通过适当增加料浆浓度增强其触变性，从而在减少泌水率的同时增强料浆触变性，提高料浆流动性。同时，通过观察可以发现其与浓度增长呈幂函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（2）所示。式中，Δτ为应力变化量，Pa;c为质量浓度，%；回归方程中决定系数R2.2料浆恢复作用稳定性测定在质量浓度为66%，灰砂比为1∶4，剪切速率为60s由图4可知：在剪切速率相同的情况下，随着剪切时间的增加，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；温度升高，全尾砂浆内部结构受温度影响，分子布朗运动加剧，挣脱范德华力束缚，自由水增多，全尾砂浆内部结构由絮网结构向液网结构转化，结构稳定性降低，导致温度越高，剪切应力越低因此，在温度较高时，全尾砂浆絮网结构转化为液网结构，触变性较小，流动性较好，可通过适当提高料浆温度增加料浆流动性减小管道输送阻力。同时，通过观察可以发现其与温度增长呈一定线性关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（3）所示。式中，Δτ为应力变化量，Pa;T为温度，℃；回归方程中决定系数R2.3护后整理剂的稳定性在质量浓度为66%，剪切速率为60s由图6可知：在剪切速率相同时，随着剪切作用时间的延长，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；由于使用尾砂为细尾砂，尾砂平均粒径小于水泥平均粒径，导致灰砂比越小，尾砂含量越多，细颗粒含量增多，细颗粒之间形成的絮网结构密集，全尾砂浆整体稳定性增强，剪切应力增大因此，针对本实验所用材料，为使料浆具有较强的触变性，灰砂比最佳配比为1∶8。触变量与灰砂比呈一定函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（4）所示。式中，Δτ为应力变化量，Pa;n为灰砂比；回归方程中决定系数R2.4全尾砂浆剪切在质量浓度为66%，灰砂比为1∶4，温度为20℃的条件下，进行了不同剪切速率的恒定剪切试验。图7为剪切速率对全尾砂浆触变性的影响。由图7可知：在恒定剪切作用下，不同剪切速率表现出相似的触变行为，随着剪切时间的延长，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐降低，最终趋于稳定，且剪切速率越大全尾砂浆初始和稳定剪切应力越大；同时，剪切速率越大，其剪切应力变化量Δτ越大。这表明对于相同质量浓度的全尾砂浆，剪切速率越大，剪切作用对料浆絮网结构的破坏越彻底，从而可以有效降低料浆黏度因此，在充填料浆管道输送之前增加强力搅拌装置，对充填料浆进行搅拌，可以有效降低料浆黏度，增加料浆流动性，从而降低管输阻力。通过观察可以发现，触变量与剪切速率呈一定函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（5）所示。式中，Δτ为应力变化量，Pa；γ为剪切速率，s回归方程中决定系数R3全尾砂浆触变特性(1）质量浓度、温度、灰砂比、剪切速率等因素对触变规律影响较小，不同质量浓度、温度、灰砂比、剪切速率下触变性表现出相似的规律，但质量浓度、温度、灰砂比、剪切速率等因素对全尾砂浆触变特性的大小有不同的影响。(2）不同质量浓度的全尾砂浆触变特性有所不同，对于本试验材料而言，质量浓度低于62%时料浆絮网结构不稳定，质量浓度对触变性影响较小，高于62%时料浆絮网结构稳定，质量浓度对触变性影响较大，可通过适当增加料浆质量浓度增强其触变性。(3）不同温度的全尾砂浆在相同的恒定剪切速率作用下，随着温度的升高，料浆絮网结构向液网结构转化，触变性逐渐变小，触变量与温度呈线性关系。(4）不同灰砂比的全尾砂浆在相同的恒定剪切速率作用下，随着灰砂比的降低，细颗粒的增加絮网结构更加