充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

充填料浆是由固-液-气三相组成的悬浮体,长期以来有关充填料浆研究重点多是固-液两相的流变特性,而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度,对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先,通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量,并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数,探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次,引入毛细管力(F_(cay))、无量纲屈服应力(τ_(ref)/τy)气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征,以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明,当充填料浆含气量较低时(<12.5%),气相因素对悬浮体料浆流变特性影响甚微,而伴随含气量增加气泡对充填料浆流变特性的影响愈发显著。引气剂作用下气泡表面对料浆内细颗粒体产生斥力,降低了水泥、固废(尾砂)等细颗粒的吸附力,导致料浆屈服应力表现为递减趋势,其流动性呈现增强趋势。基于毛细管力(F_(cay))与无量纲屈服应力(τ_(ref)/τ_(y))理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制,当含气量增加(12.5%~27.7%),料浆的表面张力、屈服应力降低,气泡挤压变形;高含气量下(接近28.6%),料浆内气泡极易破裂。另外,气泡滞留充填体内部导致强度劣化,为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索,并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律,为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

引发全尾砂料浆触变特征的临界粒径研究

细粒径尾砂颗粒絮凝−分解是充填料浆产生触变性的根本原因,然而目前对引发充填料浆触变性的临界粒径研究极少。通过对不同粒径尾砂制备的充填料浆开展触变试验与微观结构的演化测试,结合Patwardhan提出的非牛顿流体理论分析尾砂颗粒间相互作用力,推导引发全尾砂料浆触变性能临界粒径的理论值,最终建立了充填料浆触变性模型。结果表明:充填料浆触变性能与剪切速率、质量分数、尾砂细颗粒含量呈正相关,通过理论推导得出引发充填料浆触变性能的临界值为45μm。由此可以认为,当充填料浆中含有粒径<45μm颗粒,且质量分数≥6%时,充填浆料则具有触变效应;反之,充填浆料则不具备触变性。基于实验结果采用Hattori−Lzumi理论构建触变性模型,并结合流变测试结果拟合得到了充填料浆触变性系数。

分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特性

对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究,对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试,并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析,最后在单轴压缩力学试验结果的基础上,分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响.研究表明,灰砂比越大,水化放热速率及放热量越大,生成水化产物越多,体积电阻率越大.同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢,生成的Ca(OH)2减小了料浆体积电阻率,加快充填体自身强度的增长;随后生成的钙矾石(Aft)导致颗粒间孔隙更加致密,抑制了离子的溶解,减缓放出热量速率,从而阻碍了充填体强度的增长;当水化反应进行14 d基本结束后,充填材料凝结固化成为一个整体,强度基本稳定.充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势,为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导.

基于PVM技术的充填膏体搅拌过程细观结构演化

膏体性能是体系内部不同颗粒、组分之间协同作用的结果,探明充填料浆在搅拌作用下细观结构形态的演化过程,对完善膏体搅拌理论、改善膏体充填性能、实现矿山降本增效具有重要意义。采用激光颗粒显微成像(PVM)技术获取膏体料浆在不同搅拌时刻的细观结构图像,经二值化处理后应用Avizo软件得到料浆中团聚体的等效直径(d),来表征膏体细观结构特征,并基于Blake-Kozeny方程及Hattori-Izumi理论构建d-t关系模型,最后将所得实验值和理论值进行对比分析。研究结果表明:膏体搅拌制备过程分为浸湿黏结和剪切分散2个阶段,在搅拌作用下料浆细观结构的等效直径先增大后降低,最终趋于稳定。在浸湿黏结阶段,颗粒与液体之间形成类似“核-壳”结构,并在液桥力的作用下不断吸附周围的颗粒,随着被吸附的颗粒越来越多,“核-壳”结构尺寸渐渐增大(d与时间t的0.5次方成正比),并在35 s左右达到峰值;在剪切分散阶段,“核-壳”结构的体积分数达到临界状态无法吸附更多颗粒,团聚体在剪切力的作用下发生破裂,细观结构的等效直径不断变小(d与t成反比),并于300 s后趋于稳定,物料转变为均质“膏体”状态。基于等效直径的细观结构演化模型量化了充填料制备过程,促进了固废充填技术的完善。

浓密机耙架扭矩双重模糊PID控制系统研究与应用

深锥耙架浓密机脱水工艺机理复杂,具有非线性、大滞后、系统稳定性低的问题,难以实现耙架扭矩及底流浓度的稳定自动控制,耙架改进安装压水旋喷装置,建立浓密机耙架扭矩关系模型,建立双重模糊神经网络PID扭矩、底流浓度控制算法,仿真验证其参数指标优于神经网络PID和传统PID,算法稳定调节时间1709.32 s,超调量2.55%,工程应用表明,浓度控制更加稳定,连续高浓度充填时间延长0.7 h。

搅拌速度对全尾砂膏体流变性能的影响

为研究搅拌对膏体流变性能的影响,通过控制搅拌速度制备膏体样品,并测试其细观结构、流变、电位及离子浓度等参数,从物理化学角度分析速度对膏体流变的影响。结果表明:膏体搅拌存在速度阈值(本研究中该值为1000~1500 r/min),当搅拌速度小于阈值时,由于膏体中各类膜包裹的颗粒被搅拌分散,细观结构尺寸随搅拌速度增加而变小,膏体流变参数随搅拌速率增加而降低,其流变曲线符合Bingham模型;而当搅拌速度超过阈值时,强搅拌剪切促进了早期水化物及无机盐离子溶解到溶液中,其离子浓度升高,颗粒表面电势由-0.7655 mV变为-0.4760 mV,测得细观结构及流变参数均随搅拌速度增加而变大,且流变曲线更符合H-B模型(n<1)。结合Hattori-lzumi理论和Debye-Hückel理论,通过引入剪切速率因子,建立颗粒表面电化学与吸附力、流变与颗粒聚集状态关系方程,分析了搅拌剪切对膏体流变特征的影响机制,为膏体搅拌技术发展提供理论支撑。

全尾砂高浓度胶结充填的环管试验

为探明全尾砂高浓度充填料浆的灰砂比、浓度和流速对管道阻力的影响规律,预测工业充填管道阻力,开展中试规模环管试验.根据管壁切应力与剪切速率关系建立管道阻力预测模型,利用灰关联法分析各因素对管道阻力的影响强弱,通过线性回归获取料浆流变参数.结果表明,管道阻力对料浆浓度的变化最为敏感,随浓度增加成二次函数增长.料浆流速对管道阻力的影响仅次于浓度,层流输送时管道阻力随流速增加成线性增长.灰砂比对管道阻力的影响有双重性,灰砂质量比小于1∶8时胶凝材料的黏结作用占主导并增加管道阻力,反之胶凝材料的润滑作用占主导并降低管道阻力.环管试验得到的料浆流变参数明显小于流变仪测试结果且更接近工程实际,管道阻力预测模型的误差小于10%.

某金矿压滤尾砂膏体充填综合性能试验

某金矿使用+37μm的粗尾砂进行高浓度胶结充填,并已成熟运用粗尾砂胶结充填技术。为最大限度使用尾砂,减少-37μm的细尾砂堆存到尾矿库中,降低整个矿山开采成本和消除安全隐患,该金矿对压滤(全)尾砂膏体充填综合性能进行了试验研究。试验结果表明:压滤(全)尾砂膏体充填综合指标高于分级尾砂高浓度充填,质量浓度76%的料浆坍落度、扩展度、屈服应力、黏度和泌水率等综合指标最优,满足采矿方法的要求,并根据矿山生产实际,提出了压滤(全)尾砂膏体充填工艺方案。

运动状态下全尾砂胶结料浆流变参数时变性研究

全尾砂胶结料浆在管路输送过程中流变参数具有时变性。以连续搅拌方式模拟料浆在输送过程中的运动状态,借助Brookfield流变仪研究了不同质量浓度和灰砂比条件下,搅拌时间对料浆流变参数的影响规律及作用机理。研究结果表明:1)当搅拌时间逐渐增加时,灰砂比1∶5,质量浓度分别为72%、74%和76%的全尾砂胶结料浆其屈服应力和黏性系数均随之增大,且料浆质量浓度越高,搅拌时间对料浆流变参数的影响越显著;2)质量浓度74%,灰砂比分别为1∶5、1∶10和1∶15的全尾砂胶结料浆屈服应力和黏性系数也随搅拌时间的增加而增大。料浆流变参数增大的主要原因为:料浆中水泥水化反应产生的具有凝聚网络结构的凝胶成分含量随时间的增加而不断增加。

飞翼充填泵助推矿山充填系统发展

长期以来,我国矿产资源开发促进经济发展的同时也产生了大量采空区和尾矿,这些未处理的采空区和形成于地表的尾矿库不但给企业和社会带来了重大安全隐患,还严重影响了矿区生态环境和人们的日常生活。为有效解决尾矿及采空区问题,泵送尾矿充填技术得到迅速发展。作为尾矿充填系统主要设备之一,充填工业泵是飞翼股份有限公司(以下简称飞翼公司)根据公司发展战略和市场需求研制的重大创新型产品,具有连续工作时间长,泵送距离远,泵送骨料粒径大等特点。目前,飞翼公司已形成工业泵系列化产品,并依托泵送技术开展尾矿充填系统研究,已成功在多个矿区投入运行,成果显著。

分级细尾砂胶结充填强度和料浆流变性能试验研究

以某黄金矿山分级细尾砂为研究对象,在对充填材料基本物理化学性质检测分析的基础上,开展了强度试验和料浆流变特性试验。结果表明:新型胶凝材料固化分级细尾砂效果好,充填体早期强度较传统胶凝材料高,有利于缩短采矿周期。添加新型胶凝材料的分级细尾砂料浆流变曲线符合Herschel-Bulkley(H-B)流变模型,随尾砂浆浓度增加,料浆屈服应力呈指数增长,而塑性黏度缓慢增加;料浆屈服应力随新型胶凝材料掺量增加不断增大,塑性黏度则先增大后降低。

尾砂胶结含盐冻结充填体力学特性研究

矿山充填开采正逐步向寒区甚至永久冻土区发展,这些区域含盐地下水分布非常广泛。同时,极端寒冷条件下往往需要向充填材料中加入一些防冻盐以防止料浆在输送过程中发生冻结。通过室内测试分析了-6℃环境下不同盐分(Na Cl)膏体充填体力学特性(强度和初始弹性模型)随时间演化特征。利用单轴压力机测得了龄期为7、28、90 d膏体充填体的强度和初始弹性模量,结果表明NaCl的加入会降低冻结充填体的强度,其影响程度取决于胶结料类型。试样的强度随着养护时间的增加而增大。此外,不论盐分浓度、养护时间和胶结料类型,试样的强度与初始弹性模量之间存在显著的线性关系。该研究结果可以为寒区含盐膏体充填技术的开展提供一些依据。

某矿山全尾砂似膏体充填配比试验研究

某矿山目前采用立式砂仓自然沉降后的粗粒级尾砂进行自流胶结充填,存在充填体泌水量较大,凝固时间长,强度低等问题。针对该矿山现有充填方式存在的问题,结合膏体充填的优势,开展了该矿山尾砂似膏体充填配比试验研究。主要对该矿山全尾砂和分级尾砂进行了物化性质分析,在此基础上开展了全尾砂和分级尾砂似膏体充填配比试验研究,对比分析了2种尾砂充填体的坍落度、泌水率以及单轴抗压强度等指标,结合矿山生产对充填体强度的要求,确定满足生产要求的最佳配比。研究结果表明:充填骨料采用全尾砂较分级尾砂效果好,全尾砂充填体强度能满足矿山生产需要,并根据矿山生产实际,提出了全尾砂似膏体充填配比方案。

减水剂对全尾砂胶结充填料浆流变性的影响

以全尾砂胶结充填料浆为研究对象,采用桨式旋转流变仪定量分析了聚羧酸(PC)、萘系(PNS)和三聚氰胺系(PMC)三种高效减水剂对料浆流变性能(屈服应力与塑性黏度)和触变性的影响。结果表明:掺入减水剂的料浆流变行为符合Bingham模型;三种类型减水剂掺入料浆后均能降低屈服应力、塑性黏度和触变环面积,且掺量越高降低幅度越大,料浆流变性改善效果越好。三种类型减水剂对料浆流变性改善程度存在差异,其中PC作用效果最好。随着养护龄期的增加,料浆的屈服应力、塑性黏度和触变环面积随之增大,减水剂对料浆流变性的作用效果减弱。

某矿山全尾砂似膏体料浆L管试验研究

某金矿目前采用立式砂仓自然沉降后的粗粒级尾砂进行自流胶结充填,充填效果不佳,拟采用全尾砂似膏体充填解决充填体泌水量较大、凝固时间长、强度低等问题。该矿全尾砂料浆达到膏体(似膏体)状态的质量浓度为72%~74%。管流阻力是充填料浆管道输送的重要参数,为探索该矿山全尾砂似膏体充填料浆的输送特性,开展了L管试验测定其管流阻力及流变参数。试验结果表明:该矿山全尾砂似膏体充填料浆在质量浓度72%~74%时具有一定的抗离析能力,工程上可实现长距离输送;随料浆质量浓度增加,流动阻力明显增大,料浆流速及可实现顺利输送的充填倍线减小;在管道内径100mm时,可实现顺利输送的充填倍线约为2.26~3.02。

“三下”压煤充填开采研究现状综述

介绍了目前"三下"压煤充填开采常用的干式充填、水力充填和胶结充填开采技术及其特点,详细阐述了国内外煤矿充填技术的应用现状,论述了"三下"压煤充填开采技术的发展方向。

某金矿两段分级超细尾砂静态沉降与半工业浓密试验研究

某金矿对分级细尾砂进行旋流分级,得到+37μm含量25%以下、-19μm含量60%以上的超细尾砂。基于该两段分级超细尾砂开展了室内静态絮凝沉降试验和半工业浓密试验。静态沉降试验分析了砂浆浓度、絮凝剂单耗对絮团沉降行为的影响,试验发现絮团沉降速度随着砂浆浓度的增加而减小,而絮凝剂单耗存在最优值,高于或低于该值,絮团沉降速度反而变慢。半工业浓密试验探究了泥层高度对浓密的影响,研究了固体通量对溢流水含固量和底流浓度的影响,试验结果表明:泥层高度与浓密的底流浓度呈非线性,底流浓度随着泥层高度的增加呈先增大后最终趋于平稳;随着固体通量的增加,溢流水含固量逐渐增大,而底流浓度与固体通量呈线性负相关。试验数据成功应用到1000 m ^(3)无动力高效浓密机,实现了工业应用。

煤矿膏体充填料浆管道输送技术若干问题探讨

膏体料浆广泛应用于煤矿充填工程中,通过对膏体充填料浆管道输送理论的研究,探讨膏体充填料浆的自流输送条件和泵压输送条件,为煤矿充填工程的设计和充填泵的设计选型提供理论依据。

某金矿高浓度料浆输送状态分析

某金矿采用充填采矿法进行开采,随着开采深度的增加,千米深井高浓度料浆的输送及管路设计布置等问题逐渐显现。本文就某金矿尾砂和胶凝材料性质进行分析,利用环管试验及生产中获得的管路监测数据,通过公式验证和数据拟合的方式,得出适合该金矿及周边矿山工程计算应用的高浓度料浆输送阻力损失、流速等分析公式,为今后的生产工作提供参考和借鉴。

分级细尾砂胶结充填体长期力学特征研究

针对分级细尾砂胶结充填体长期力学性质不明晰,强度不稳定等问题,通过开展单轴抗压试验、抗剪试验以及电镜扫描试验,从宏细观的角度围绕分级细尾砂胶结充填体长期力学特性及强度演化规律展开研究。结果表明:随着灰砂比增大,胶结充填体试件的单轴抗压强度及剪切强度增大;随着养护龄期的增加,胶结充填体强度降低。养护28 d的不同灰砂比(1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10)的尾砂胶结体颗粒的平均当量直径依次为1.79μm、1.9μm、2.02μm、2.67μm;养护60 d的不同灰砂比(1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10)的胶结体颗粒的平均当量直径依次为2.61μm、2.9μm、2.96μm、3.26μm,尾砂胶结体颗粒当量直径与灰砂比呈负相关关系,与养护开龄期呈正相关关系。该研究可为分级细尾砂的现场应用及充填参数的设计提供理论指导。