酸碱溶液配比对全尾砂充填料浆输送性能的影响

马宏伟

（中矿金业股份有限公司）

近年来，随着国家对安全环保的日趋重视，对矿山安全生产和矿山固废处理提出了新的要求，在这种形势下，充填采矿法在地下矿山中得到了大力推广。其中，全尾砂充填采矿法因能大量使用矿山固废并形成流动性好、泌水率低的稳定膏体充填而逐渐成为了矿山充填法的主流。全尾砂充填时充填材料配比关系到充填料浆的输送性能和充填强度，其中溶液作为充填配比的主要材料之一，是充填骨料和胶凝材料的输送载体，对充填料浆的输送性能和充填体的强度有重要影响。对于溶液酸碱性对充填体强度的影响，已有学者进行了相关研究。刘炜鹏等［1］将采用标注圆柱模具成型并养护好的充填体分别放入不同pH 值的酸性溶液中，得到了不同酸性溶液条件下充填体的腐蚀过程和最终的强度变化，证实了酸性溶液环境下充填体强度会降低。孙琦等［2］研究了多种不同腐蚀性溶液对充填体强度的影响，得到了充填体受不同腐蚀性液体腐蚀时的强度变化规律，对于酸碱溶液配比的充填料浆的流动性能却少有人研究。对于地表缺水而地下水丰富的地下硫化矿床以及靠近海边的地下矿山，由于淡水较少但酸性或碱性水丰富，酸碱性水成为充填材料的重要备选，如能通过试验研究出酸碱溶液配比的充填料浆的输送性能，对这些地区的矿山充填工作具有重要的指导意义。

为此，以酸碱溶液配比的充填料浆管道输送时的管阻损失为研究对象，设计了包含配比溶液pH值、充填料浆浓度、料浆灰砂比以及充填管道输送内径等多个因素多个水平的试验方案并进行了工业试验，以探究酸碱溶液对充填料浆管道输送的影响，为矿山利用酸碱溶液配比的充填料浆提供依据。

1 试 验

1.1 试验材料

（1）骨料。试验采用某铜矿选厂的全尾砂作为充填骨料，通过振动筛分法统计筛上余量，得到全尾砂初始粒级中固体物料粒度-25 μm 含量为13.12%。根据经验，结构流输送时要求固体物料粒度-25 μm含量不低于20%才能保证成为膏体或似膏体进行输送，以减少输送过程中的离析沉降。虽然水泥中的物料粒度小于25 μm 可以增加固体物料粒度小于25 μm 的含量比例，但由于充填配比的灰砂比未定，为了确保能得到稳定的膏体或似膏体结构流，试验前将全尾砂粗磨，得到试验用的全尾砂粒度分布（表1），试验用全尾砂物理性质见表2，全尾砂主要化学成分见表3。

（2）胶凝材料。试验采用的胶凝材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥。

（3）水溶液。试验溶液包括酸性溶液、中性溶液和碱性溶液，酸性溶液采用工业硫酸配比，中性溶液为普通淡水，碱性溶液采用工业烧碱配比。

1.2 试验装置

试验系统设备包括HBT110-16.5-195 混凝土输送泵，管径采用内径为200，240，300 mm 的普通无缝钢管，共3 套环管试验系统，每套系统管线长300 m，在测试系统中设置若干转弯半径为3D（D为管道内径）的直角弯头。HBT110-16.5-195 混凝土输送泵最大出口压力16.5 MPa，试验泵送流量100 m³/h，泵送出口压力维持在10 MPa，在直线区段和弯头段设置压力表。环管试验装置见图1。

1.3 试验方案

试验探究分析配比溶液的酸碱性对全尾砂充填料浆输送性能的影响，据此确定的试验因素为能够影响充填料浆输送性能的因素，包括配比溶液酸碱性（pH 值）、充填料浆浓度、充填材料灰砂比以及充填管道内径4 个因素［3-5］。

通常的试验方案有全面试验方案与正交试验方案。全面试验方案要求对每一种可能影响因素的组合方案进行试验，正交试验方案按照“均匀分散、齐整可比”的原则确定正交表方案进行试验［6-8］。2 种试验方案优劣对比见表4。

由于试验的因素较多，为减少试验次数和方便分析试验结果，采用正交试验方案进行试验。以配比溶液pH 值、充填料浆浓度、充填材料灰砂比以及充填管道内径为考察因素（依次为因素A、B、C、D），每个试验因素选取3个水平，试验因素各水平安排见表5。

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及结果

对3 套管径不同的环管试验系统进行充填料浆输送性能测试。对每套环管系统测试3 组配比溶液pH 值、充填料浆浓度及灰砂比不同的充填料浆的输送料浆在环管系统运行平稳后的输送性能，试验结果见表6。

注：弯管采用3D直角弯头，各试验方案结果均为试验因素条件下的平均值；R1表示直管段管阻损失，R2表示弯管段管阻损失。

2.2 试验结果数据分析

（1）单因素分析。采用单因素分析法分析充填料浆配比溶液的酸碱性对充填料浆输送时管阻损失的影响。根据试验结果，酸性溶液（pH 值为5）配比的充填料浆在直管段输送时管阻损失为0.84～1.22 kPa/m，平均管阻损失为0.99 kPa/m；中性水（pH 值为7）配比的充填料浆在直管段输送时管阻损失为0.91～1.45 kPa/m，平均管阻损失为1.21 kPa/m；碱性溶液（pH值为9）配比的充填料浆在直管段输送时管阻损失为1.29～1.81 kPa/m，平均管阻损失为1.50 kPa/m。酸性溶液配比的充填料浆在弯管段（3D 直角弯头，下同）输送时管阻损失为18.19～27.71 kPa/m，平均管阻损失为22.97 kPa/m；中性水配比的充填料浆在弯管段输送时管阻损失为19.49～30.84 kPa/m，平均管阻损失为26.23 kPa/m；碱性溶液配比的充填料浆在弯管段输送时管阻损失为22.36～35.15 kPa/m，平均管阻损失为28.84 kPa/m。具体分析结果见表7。

由表7 可知，相对于中性水，酸性溶液配比的充填料浆输送时的直线段管阻损失与弯头段管阻损失都有所降低；而碱性溶液配比的充填料浆输送时的直线段管阻损失与弯头段管阻损失都有所提高。进一步对比酸性溶液配比与中性水溶液配比的充填料浆，直管管阻损失的平均值、最大值和最小值分别降低了0.21，0.23，0.07 kPa/m，弯管管阻损失的平均值、最大值和最小值分别降低了2.59，3.13，0.30 kPa/m；碱性水溶液配比对比中性水溶液配比的充填料浆，直管管阻的平均值、最大值和最小值分别提高了0.29，0.36，0.38 kPa/m，弯管管阻的平均值、最大值和最小值分别提高了2.61，4.31，2.81 kPa/m。由此可以看出，在pH 值变化幅度相同时，酸性溶液对充填料浆管阻的降低作用要小于碱性水溶液对充填料浆管阻的提升作用；无论是直管输送还是弯管输送，酸性溶液配比的充填料浆输送时的管阻损失都较中性水和碱性溶液配比的充填料浆要更为稳定，而碱性水配比的充填料浆输送时的管阻损失与中性水配比的充填料浆稳定性基本相当。

（2）多因素分析。根据表7 试验结果，计算得到的试验方差分析结果见表8。

由表8可知，对于充填料浆直管输送的管阻损失影响因素的重要性由大到小排序为溶液pH 值＞充填管道内径＞充填料浆浓度＞灰砂比，其弯管输送管阻损失影响因素的重要性由大到小排序为充填管道内径＞溶液pH 值＞充填料浆浓度＞灰砂比；说明无论是直管输送还是弯管输送，充填管道内径和溶液pH 值均为重要影响因素，且从各试验因素得到的均方数值来看，充填管道内径与溶液pH 值的均方为一个数量级，且高于充填料浆浓度均方1 个数量级；而充填料浆浓度的均方数量级又高于灰砂比1 个数量级，这说明在分析这4种试验因素对充填料浆管阻输送的影响时，必须考虑充填管道内径和溶液pH 值的影响，可考虑充填料浆浓度的影响，而灰砂比对充填料浆浓度的影响则可以直接忽略。

为进一步分析配比溶液pH 值在其他试验因素交互影响下对充填料浆输送时管阻损失的影响，利用Design-Expert 构建试验模拟分析溶液pH 值在不同影响因素下直管输送时和弯管输送时的管阻损失三维柱状图，见图2、图3。

由图2（a）可知，在充填料浆浓度相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度要大于酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度；而在充填料浆浓度变化趋势一致的情况下，碱性溶液配比的充填料浆的管阻损失变化较酸性和中性溶液配比的充填料浆变化要大。由图2（b）可知，在充填料浆灰砂比相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度要大于酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度；而在充填料浆灰砂比变化趋势一致的情况下，酸性、中性及碱性溶液配比的充填料浆的管阻损失变化大致相当。由图2（c）可知，在充填管道内径相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度与酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度大致相当；而在充填管道内径变化趋势一致的情况下，酸性溶液配比的充填料浆的管阻损失变化较中性和碱性溶液配比的充填料浆变化要大。

由图3（a）可知，在充填料浆浓度相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度与酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度大致相当；而在充填料浆浓度变化趋势一致的情况下，碱性溶液配比充填料浆的管阻损失变化较酸性和中性溶液配比的充填料浆变化要大。由图3（b）可知，在充填料浆灰砂比相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度与酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度大致相当；而在充填料浆灰砂比变化趋势一致的情况下，酸性、中性及碱性溶液配比的充填料浆的管阻损失几乎一样，无变化。由图3（c）可知，在充填管道内径相同时，相对于中性水配比的充填料浆，碱性溶液配比对管阻损失的提升幅度与酸性溶液配比对管阻损失的降低幅度大致相当；而在充填管道内径变化趋势一致的情况下，酸性、中性与碱性水溶液配比的充填料浆的管阻损失变化大致相当。

2.3 试验结果分析

由试验结果分析可知，无论是对充填料浆直管输送还是弯管输送，碱性溶液下配比的料浆管阻损失都要大于中性水溶液配比，而酸性溶液配比的料浆管阻损失要小于中性水溶液配比料浆；这可能是由于碱性溶液可以加速铝酸钙水化产物的形成，对水泥与骨料之间的胶凝反应有加速作用；而酸性溶液则破坏铝酸钙水化产物的形成，对水泥与骨料的胶凝反应则有阻滞作用。且无论其他试验因素如何变化，相对于中性水配比的料浆，碱性溶液配比的料浆管阻大体上相对于酸性溶液配比料浆更为敏感，管阻损失的变化幅度更大，这说明碱性溶液对水泥和骨料的加速凝结作用相对于酸性溶液对凝结作用的破坏与阻滞作用要更为迅速猛烈。但相对于直管输送，弯管输送时的碱性溶液配比的料浆管阻损失与酸性溶液配比的料浆管阻损失相对于中性水配比料浆的增减幅度趋同，这可能是由于弯管输送时，弯头输送产生的局部管阻损失较大，从而配比溶液的酸碱性对料浆输送管阻损失的影响有较强的淡化作用，从而导致2种情况下管阻增减幅度趋同。

2.4 试验结果应用

根据以上分析结果，在矿山因无淡水资源而采用酸性或碱性水溶液配比充填料浆时，应特别注意配比充填料浆的溶液酸碱性对充填料浆管阻损失的减增作用。在保证充填设备不受或少受酸碱腐蚀的前提下，酸性溶液配比的充填料浆因管阻损失相对较小，其充填范围可以更大；而碱性水溶液配比的充填料浆因管阻损失相对更大，其充填范围要比以往更小，且应注意输送过程中因料浆过早凝固而发生的堵管事故。在充填料浆输送过程中，应注意配比溶液pH 值与其他料浆输送影响因素的交互作用，尤其是应注意其与充填管径的交互作用对充填料浆管阻损失的影响，以实现提前预判应对。矿山企业也可有意识根据自身需要，调节充填料浆配比溶液的酸碱性或直管弯管的管径，以改变充填料浆的输送管阻损失，实现充填料浆的顺畅输送。这对于指导矿山充填工作，尤其是地下硫化矿床矿山以及滨海地下矿山的充填工作，具有积极而现实的意义。

为进一步证实试验分析结果，某滨海金矿地下采场进行海水配比充填料浆的管道输送现场试验。经实测，直管输送时管阻损失比淡水配比的充填料浆管阻大了约12%，弯管输送时的管阻损失比淡水配比的充填料浆大了约5%。证实了配比溶液的酸碱性对充填料浆输送的管阻损失有影响，且与该试验分析结果一致。为了减弱溶液酸碱对充填输送的不利影响，该金矿采用了大管径输送充填料浆，有效减弱了海水配比对充填料浆管道输送时的不利影响。

3 结论

（1）设计了包括酸性、中性及碱性不同pH 值溶液在内的四因素三水平工业环管正交试验方案，通过试验得出，相对于一般中性水配比料浆，酸性溶液配比的充填料浆输送管阻损失将会下降，而碱性溶液配比的充填料浆输送管阻损失将会提高，且充填料浆输送管阻损失相对而言，对碱性溶液更加敏感。

（2）通过对正交试验结果进行方差分析，在配比溶液pH 值、充填料浆浓度、灰砂比及充填管道内径4个因素中，配比溶液pH 值对充填料浆输送时管阻损失的影响仅次于充填管道内径，要强于充填料浆浓度，远强于充填料浆的灰砂比。

（3）通过对配比溶液pH 值与其他试验因素的三维柱状图分析，碱性溶液配比对充填料浆的加速凝结作用相对于酸性溶液配比对料浆凝结的破坏要更强烈；这种现象造成的管阻损失增减变化在直管输送时显得差异更大，而在弯管输送时差异相对要小。

（4）某滨海金矿采用海水进行充填料浆配比后进行管道输送，由于海水呈弱碱性导致直管输送和弯管输送管阻损失都较淡水配比的充填料浆要大，且直管输送时的管阻损失增加幅度要较弯管输送时更大，进一步证实了该试验结论的可靠性。