1、1山東理工大學資源與環境工程學院王劼山東理工大學資源與環境工程學院王劼聯系電話：聯系電話-mail：二九年十二月二九年十二月礦山膏體充填技術礦山膏體充填技術2一、膏體充填技術的提出一、膏體充填技術的提出二、什么是膏體充填技術二、什么是膏體充填技術三、膏體的流變特征三、膏體的流變特征四、膏體輸送管道阻力四、膏體輸送管道阻力五、膏體制備與輸送五、膏體制備與輸送六、膏體技術在其他方面的應用六、膏體技術在其他方面的應用匯報提綱 3非煤礦山開采，一直有兩大問題：安全生產與環境保非煤礦山開采，一直有兩大問題：安全生產與環境保護。護。安全問題，主要是從地下采出礦石后留下了空場，空安

2、全問題，主要是從地下采出礦石后留下了空場，空場上部的巖石垮落造成人員傷亡和財產損失；場上部的巖石垮落造成人員傷亡和財產損失； 環保問題，主要是礦石中有用金屬提取后剩下的固體環保問題，主要是礦石中有用金屬提取后剩下的固體廢棄物。廢棄物。為了解決這兩個問題，礦山就把這些固體廢物重新回為了解決這兩個問題，礦山就把這些固體廢物重新回填到地下的空場，并避免空場垮落。由此就誕生了礦山充填到地下的空場，并避免空場垮落。由此就誕生了礦山充填技術。填技術。一、膏體充填技術的提出一、膏體充填技術的提出4干式充填，從古代采礦業開始。干式充填，從古代采礦業開始。水力充填，上個世紀四十年代末開始，現主要采用分級尾砂充填

3、。水力充填，上個世紀四十年代末開始，現主要采用分級尾砂充填。低濃度膠結充填，約在上個世紀五六十年代出現，以質量濃度低濃度膠結充填，約在上個世紀五六十年代出現，以質量濃度5070%的兩相流體充填。的兩相流體充填。高濃度膠結充填，約在上個世紀六七十年代出現，兩相流體的質高濃度膠結充填，約在上個世紀六七十年代出現，兩相流體的質量濃度得到了提高。量濃度得到了提高。 膏體膠結充填，上個世紀八十年代出現，脫離了傳統的兩相流體，膏體膠結充填，上個世紀八十年代出現，脫離了傳統的兩相流體，采用結構流體輸送與充填。采用結構流體輸送與充填。高水速凝膠結充填，也是在上個世紀八十年代末出現，脫離了傳高水速凝膠結充填，也

4、是在上個世紀八十年代末出現，脫離了傳統的普通膠凝材料的充填方式。統的普通膠凝材料的充填方式。塊石膠結充填，大規模開始應用于上個世紀七十年代，屬于塊石膠結充填，大規模開始應用于上個世紀七十年代，屬于“剛剛性性”充填料充填技術。充填料充填技術。5膠結充填技術膠結充填技術1、礦山充填種類、礦山充填種類干式充填（固體干式充填（固體,惰性物料）惰性物料）濕式充填濕式充填水力充填（固體水）水力充填（固體水）膠結充填（固體膠凝劑水）膠結充填（固體膠凝劑水）2、膠結充填方式、膠結充填方式細骨料膠凝劑水細骨料膠凝劑水 兩相流體采場兩相流體采場 細骨料膠凝劑水細骨料膠凝劑水 結構流體采場結構流體采場 粗骨料膠凝劑

5、水粗骨料膠凝劑水 低強度砼采場低強度砼采場 大塊物料采場大塊物料采場攪拌攪拌管道輸送管道輸送強力攪拌強力攪拌加壓管道輸送加壓管道輸送攪拌攪拌機械輸送機械輸送機械輸送機械輸送澆注澆注/自淋自淋/噴灑噴灑膠凝漿體膠凝漿體6 傳統的普通尾砂膠結充填技術在礦山的應用，傳統的普通尾砂膠結充填技術在礦山的應用，促進了充填采礦技術的發展。但隨著這項技術的促進了充填采礦技術的發展。但隨著這項技術的廣泛應用，也暴露出一系列的突出問題：充填體廣泛應用，也暴露出一系列的突出問題：充填體強度低、養護周期長、充填效率低、井下脫水污強度低、養護周期長、充填效率低、井下脫水污染環境、尾砂利用率低、充填成本高等。染環境、尾砂

6、利用率低、充填成本高等。克服管道輸送膠結充填缺陷的主要途徑克服管道輸送膠結充填缺陷的主要途徑提高濃度。因此，提出采用膏體充填技術。提高濃度。因此，提出采用膏體充填技術。 7將一種或多種固體物料與水進行優化組合，配制成具有一定穩將一種或多種固體物料與水進行優化組合，配制成具有一定穩定性、流動性、可塑性的牙膏狀的漿體，在外加力（泵壓）或重力定性、流動性、可塑性的牙膏狀的漿體，在外加力（泵壓）或重力作用下以柱塞流的形態，用管道輸送到地下采空區完成充填作業的作用下以柱塞流的形態，用管道輸送到地下采空區完成充填作業的過程，稱之為膏體充填。過程，稱之為膏體充填。當砂漿的體積濃度大于當砂漿的體積濃度大于50

7、50時，料漿成穩定的粥狀膏體，并像時，料漿成穩定的粥狀膏體，并像塑性結構體一樣在管道中作整體運動，膏體中的固體顆粒一般不發塑性結構體一樣在管道中作整體運動，膏體中的固體顆粒一般不發生沉淀，層間也不出現交流，而呈現生沉淀，層間也不出現交流，而呈現“柱塞狀柱塞狀的運動狀態。膏的運動狀態。膏體柱塞斷面上的速度和濃度的變化為常數，只是潤滑層的速度有一體柱塞斷面上的速度和濃度的變化為常數，只是潤滑層的速度有一定的變化。細粒物料像一個圓環，集中在管壁周圍的潤滑層慢速運定的變化。細粒物料像一個圓環，集中在管壁周圍的潤滑層慢速運動，起到動，起到“潤滑潤滑”的作用。由于膏體料漿的塑性粘度和屈服切應力的作用。由于

8、膏體料漿的塑性粘度和屈服切應力均較大，因而只能施加外力克服膏體屈服應力后，方可流動。均較大，因而只能施加外力克服膏體屈服應力后，方可流動。二、什么是膏體充填技術二、什么是膏體充填技術8膏體料漿在管道中的運動狀態膏體料漿在管道中的運動狀態9穩定性。穩定性。它是指充填物料具有抵抗分層、離析的能它是指充填物料具有抵抗分層、離析的能力，使膏體在輸送管道中停留數小時不沉淀、不分層、不力，使膏體在輸送管道中停留數小時不沉淀、不分層、不離析，能順利地進行輸送。離析，能順利地進行輸送。流動性。流動性。它是指膏體能在外力或重力作用下，能夠它是指膏體能在外力或重力作用下，能夠在輸送管道中或采空區中順利流動。在輸送

9、管道中或采空區中順利流動。可塑性?？伤苄?。它是指膏體能夠在克服屈服應力后產生非它是指膏體能夠在克服屈服應力后產生非可逆變形的能力，也就是膏體在通過輸送管道彎道部位、可逆變形的能力，也就是膏體在通過輸送管道彎道部位、變徑錐形管、管接頭等管件時，形狀能發生變化，內部結變徑錐形管、管接頭等管件時，形狀能發生變化，內部結構不變。構不變。膏體的三個技術條件膏體的三個技術條件10膏體充填的特點膏體充填的特點 尾砂膏體充填的料漿重量濃度一般在尾砂膏體充填的料漿重量濃度一般在75%75%以上，料漿的屈服以上，料漿的屈服切應力和塑性粘度較大。切應力和塑性粘度較大。充填料漿中要有一定比例的超細粒級物料，才能形成穩

10、定充填料漿中要有一定比例的超細粒級物料，才能形成穩定性好的膏體；性好的膏體；膏體在管道中的流動呈柱塞狀，其核心呈恒速流動，近柱膏體在管道中的流動呈柱塞狀，其核心呈恒速流動，近柱塞體。管壁處的速度梯度與摩擦阻力和表面潤滑層的粘度有關；塞體。管壁處的速度梯度與摩擦阻力和表面潤滑層的粘度有關；膏體充填料的內摩擦角較大，其凝固的時間短，能迅速地膏體充填料的內摩擦角較大，其凝固的時間短，能迅速地對圍巖和礦柱產生抗力，減緩空區閉合。在充填后幾個小時便可對圍巖和礦柱產生抗力，減緩空區閉合。在充填后幾個小時便可進行作業；進行作業； 膏體充填料中一般添加水泥制備成膠結充填料，對選廠送膏體充填料中一般添加水泥制備

11、成膠結充填料，對選廠送來的低濃度全尾砂常采用高效濃密機、真空過濾機或離心脫水機來的低濃度全尾砂常采用高效濃密機、真空過濾機或離心脫水機進行脫水；膏體充填料常用柱塞泵進行輸送。進行脫水；膏體充填料常用柱塞泵進行輸送。11全尾砂膏體泵送膠結充填的主要優點有：全尾砂膏體泵送膠結充填的主要優點有：尾砂利用率高尾砂利用率高( (基本可達到基本可達到100%)100%)，可節省大部分采，可節省大部分采集、加工充填料的費用；集、加工充填料的費用；減少尾礦庫基建、經營和維護費用；減少尾礦庫基建、經營和維護費用；水泥用量減少，充填成本降低；水泥用量減少，充填成本降低；改善井下作業環境、節省排水、排污費等。改善井

12、下作業環境、節省排水、排污費等。膏體充填的主要缺點是：一次性基建投資大，工藝設備環膏體充填的主要缺點是：一次性基建投資大，工藝設備環節多，維護管理復雜等。節多，維護管理復雜等。膏體充填的優缺點膏體充填的優缺點12真實物體在載荷外力的作用下都將發生物質流動與變形，而流真實物體在載荷外力的作用下都將發生物質流動與變形，而流變學是研究載荷下物質流動與變形的科學。對于漿體的流變模型，變學是研究載荷下物質流動與變形的科學。對于漿體的流變模型，可用以下通式表示：可用以下通式表示：三、膏體的流變特征三、膏體的流變特征nydyduk在上面通用表達式中，在上面通用表達式中，為剪切應力，為剪切應力，PaPa；（；

13、（du/du/dydy) )為剪切速率，為剪切速率，S S-1-1 ；K K、y y、n n分別代表流體的粘度、初始剪切應力和流動指數。分別代表流體的粘度、初始剪切應力和流動指數。K、y、n，也就是流體的粘度、初始剪切應力和流動指數，統稱也就是流體的粘度、初始剪切應力和流動指數，統稱為漿體的流變參數。為漿體的流變參數。13. .粘度粘度K K：漿體運動時，運動較快的漿體部分會加速與其接觸的運：漿體運動時，運動較快的漿體部分會加速與其接觸的運動速度較慢部分，反之，速度較慢的漿體部分又有減緩與其接觸的動速度較慢部分，反之，速度較慢的漿體部分又有減緩與其接觸的流速較快部分的反作用。這種性質稱為漿體的

14、粘性，度量這種粘性流速較快部分的反作用。這種性質稱為漿體的粘性，度量這種粘性稱為粘度。稱為粘度。 . .初始剪切應力初始剪切應力y y：含有一定數量細顆粒的懸液，在靜止狀態下：含有一定數量細顆粒的懸液，在靜止狀態下會形成具有一定剛度的三維絮凝結構，產生了內聚力，即初始切應會形成具有一定剛度的三維絮凝結構，產生了內聚力，即初始切應力，能抵抗一定的剪切作用。當剪切外力小于初始切應力，漿體不力，能抵抗一定的剪切作用。當剪切外力小于初始切應力，漿體不會發生流動；當剪切外力大于初始切應力，漿體開始發生塑性流動。會發生流動；當剪切外力大于初始切應力，漿體開始發生塑性流動。初始剪切應力與漿體的濃度、溫度、固

15、體顆粒的粒徑與級配、細顆初始剪切應力與漿體的濃度、溫度、固體顆粒的粒徑與級配、細顆粒含量和顆粒重度等因素有關。粒含量和顆粒重度等因素有關。：. .流動指數流動指數n n：流動指數也稱流動性態系數，表示非牛頓體偏離牛：流動指數也稱流動性態系數，表示非牛頓體偏離牛頓體的程度。對牛頓體，頓體的程度。對牛頓體，n n等于等于1 1；對脹塑性體，；對脹塑性體，n n大于大于1 1；對假塑性；對假塑性體，體，n n在在0 0與與1 1之間。之間。14常見漿體的流變數學模型常見漿體的流變數學模型 15牛頓體牛頓體剪切速率剪切速率()剪應力（）剪應力（）初始剪應力（）初始剪應力（）膨脹體膨脹體冪律體冪律體賓漢

16、塑性體賓漢塑性體塑流膨脹體塑流膨脹體塑流偽塑性體塑流偽塑性體dyduy16膏體的流變模型屬于賓漢塑性體。所以，膏體充填料的流變參膏體的流變模型屬于賓漢塑性體。所以，膏體充填料的流變參數為屈服剪切應力數為屈服剪切應力0和塑性粘度系數和塑性粘度系數。dydu0膏體的流變力學數學模型：膏體的流變力學數學模型：膏體的流變力學物理模型：膏體的流變力學物理模型：（塑性滑塊與粘性元件并聯組成）（塑性滑塊與粘性元件并聯組成）0 膏體輸送管道阻力，既與膏體的料漿性質有膏體輸送管道阻力，既與膏體的料漿性質有關，也與輸送管道、輸送流速有關，影響因素很關，也與輸送管道、輸送流速有關，影響因素很多。目前，還沒有通用的理

17、論計算公式，一般都多。目前，還沒有通用的理論計算公式，一般都采用經驗公式。如金川經驗公式（尾砂采用經驗公式。如金川經驗公式（尾砂: :棒磨砂棒磨砂1:11:1時）：時）：wmmCeDLvj2488. 027101294. 2四、膏體輸送管道阻力四、膏體輸送管道阻力18會澤經驗公式的推導：會澤經驗公式的推導： 1 1、確定膏體的流型、確定膏體的流型通過膏體流型試驗，由于膏體充填料在輸送管道中的通過膏體流型試驗，由于膏體充填料在輸送管道中的運動狀態像塑性體一樣整體運動，膏體中的固體顆粒不發運動狀態像塑性體一樣整體運動，膏體中的固體顆粒不發生沉降，膏體層與層間也不出現交流，屬于一種柱塞狀的生沉降，膏

18、體層與層間也不出現交流，屬于一種柱塞狀的結構流。同時，膏體要在一定量的外力作用（克服初始切結構流。同時，膏體要在一定量的外力作用（克服初始切應力）才開始流動，并且膏體開始流動后管壁切應力隨切應力）才開始流動，并且膏體開始流動后管壁切應力隨切變速率的增長而呈直線增長，符合賓漢塑性體流型。變速率的增長而呈直線增長，符合賓漢塑性體流型。192 2、推導理論公式、推導理論公式在賓漢塑性體流型這種層流條件下，利用白在賓漢塑性體流型這種層流條件下，利用白金漢（金漢（BuckinghamBuckingham）方程和管流靜力學平衡理論，）方程和管流靜力學平衡理論，求得膏體輸送管道阻力理論公式：求得膏體輸送管道

19、阻力理論公式：2032316DvDjm203 3、確定流變參數、確定流變參數在會澤膏體物料性質及其粒級配比一定的條件下，尋在會澤膏體物料性質及其粒級配比一定的條件下，尋求膏體的流變參數與料漿濃度遵循的變化規律。根據試驗求膏體的流變參數與料漿濃度遵循的變化規律。根據試驗數據，以料漿濃度為變量，按照正比例直線，乘冪曲線，數據，以料漿濃度為變量，按照正比例直線，乘冪曲線，指數曲線，對數曲線，多項式曲線這幾種基本的線型進行指數曲線，對數曲線，多項式曲線這幾種基本的線型進行回歸分析處理，并進行其相關性判斷。經計算機編程處理，回歸分析處理，并進行其相關性判斷。經計算機編程處理，最終確定其變化規律為：膏體初

20、始屈服應力和料漿濃度的最終確定其變化規律為：膏體初始屈服應力和料漿濃度的變化服從指數曲線線型；膏體塑性粘度系數服從正比例直變化服從指數曲線線型；膏體塑性粘度系數服從正比例直線線型。線線型。21 如全尾砂膏體膠結充填時，流變參數如全尾砂膏體膠結充填時，流變參數 0 0與濃與濃度度 C Cw w的關系：的關系：流變參數流變參數 與濃度與濃度 C Cw w 的關系：的關系：wCe0344. 00417.1873.1266132. 1wC4 4、會澤經驗公式：、會澤經驗公式：膏體流變參數與料漿濃度之間的變化規律及膏體流變參數與料漿濃度之間的變化規律及相關的計算公式確定后，可利用推導的理論計算相關的計算

21、公式確定后，可利用推導的理論計算公式，形成包含膏體充填三個基本變量的經驗公公式，形成包含膏體充填三個基本變量的經驗公式。如全尾砂膏體膠結充填時：式。如全尾砂膏體膠結充填時：20344. 03273.1266132. 13335.11316DvCeDjwCmw5 5、經驗公式驗證、經驗公式驗證 為了驗證會澤經驗公式的實用程度，采為了驗證會澤經驗公式的實用程度，采用上述經驗公式對各組方用上述經驗公式對各組方D150D150水平管水平管道阻力進行計算，并與環管試驗數據進行道阻力進行計算，并與環管試驗數據進行對比。結果表明，其理論計算值和試驗數對比。結果表明，其理論計算值和試驗數據之間的誤差不大，其誤差在