选矿尾砂堆存在地表尾矿库中，不仅占用大量的土地资源，而且会影响矿区生态环境，更为严重的是尾矿库易发生垮塌事故，是重大的危险源（常前发，2003，2010；周科平等，2013；王凤江等，2003；张力霆，2013；王又武等，2009；袁元勋，2017；杨志强等，2016）。我国金属矿山经过几十年的发展，大部分矿山面临着尾矿库库容不足的问题。为了解决尾矿堆存问题，近年来充填采矿法取得了长足发展。然而，在充填技术应用的过程中，料浆管道技术面临的诸多难题也逐渐显现出来（杨志强等，2016；姚振巩，2008；肖云涛等，2011；黄才启，2011；杜先锋，2009；Zhang et al.，2015；Zhang et al.，2014；Li et al.，2011）。其中，堵管事故已成为制约矿井充填技术发展的主要因素之一。在充填工艺中，充填料浆的搅拌站一般设在地表，先在搅拌桶内将水、全尾砂和水泥进行充分混合，然后通过充填管路输送至井下采空区。我国北方地区冬夏温差达到30~40 ℃，随着许多矿山进入深部采矿，矿井温度逐步升高，料浆搅拌时水泥的水化反应受气温的影响较大，而充填料浆通过管道进入井下时又会受到地温的影响，导致料浆温度发生变化。在当前的很多研究中，有关温度变化对水泥水化反应影响的研究相对较少。温度对充填料浆流变性能的影响主要依赖于温度对水泥水化反应速率及水化过程的影响（张景富等，2003；侯国权等，2014；杨柳华等，2016）研究了絮凝剂对充填料浆流变特性的影响，研究尾砂充填料浆流动温变性，对减少充填料浆堵管事故，提高充填效率，以及推动矿井充填采矿技术的发展具有重大意义。

针对玲珑金矿井下充填料浆堵管事故频发的问题，采用安东帕MCR102高级流变仪获取并分析相关数据，重点研究了充填料浆的温度对高浓度充填料浆流变特性的影响，探索温度变化对充填料浆流动性能的影响，通过优化充填料浆的温度因素来减少或杜绝充填料浆堵管事故的发生。

玲珑金矿选矿厂处理能力超过6 000 t/d，尾砂产出率达到97%。采用传统的尾矿入库堆存方式，目前尾矿库总库容已达1 545×10⁴ m³，坝高150 m，为二等库。截至2018年5月，玲珑金矿尾矿库剩余的库容服务年限不足1年。新建尾矿库因征地拆迁工作困难、审批程序复杂等原因，无法满足玲珑矿区目前的生产需要。

鉴于上述因素，结合玲珑矿区地下开采的实际需求，将选矿尾砂充填至地下遗留空区，对采空区进行胶结充填，既可治理地下遗留空区（群）隐患，又可解决选矿尾砂的排放问题，缓解尾矿库压力，避免尾矿库溃坝带来的经济损失（常前发，2003，2010；周科平等，2013；王凤江等，2003；张力霆，2013；王又武等，2009）。

2017年6月至2018年4月玲珑金矿井下充填频繁出现堵管事故，需要投入大量人力物力恢复管路，大大降低了充填效率，影响矿山正常生产。堵管（袁元勋，2017）的根本原因在于管路内料浆的流动性较差。在灰砂比和料浆质量浓度确定的前提下，充填料浆在充填管道内的流变性与料浆在管道内输送时的温度有关，因为胶凝材料水化反应的速率与温度有很大的关系，温度变化会导致充填料浆的流动性在不同输送时间段内存在一定差异。

胶凝材料与水混合搅拌后，会形成具有黏结骨料能力的可塑性浆体。由于胶凝材料是多矿物的聚集体，其与水之间的反应作用非常复杂，因此一般情况下先研究胶凝材料中各个单矿物质的水化反应，再综合分析胶凝材料总体的水化反应过程（林宗寿，2012）。胶凝材料水化反应如下：

（1）硅酸三钙（3CaO·SiO₂）的水化。3CaO·SiO₂在胶凝材料中的含量占比一般为50%~60%，在常温条件下，其水化反应可用以下方程表达：

3CaO·SiO₂与水混合后马上发生化学反应，形成早期C-S-H相物质。

（2）硅酸二钙（2CaO·SiO₂）的水化。一般情况下，胶凝材料中的2CaO·SiO₂大多为β型，其水化过程与C₃S的反应非常相似，但其反应速率较慢，大致为3CaO·SiO₂的5%左右。方程式可表示为

由于2CaO·SiO₂反应速率很慢（胡亚军等，2011），所以其在管道内的水化反应对充填料浆流变特性的影响较小。

（3）铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）的水化。3CaO·Al₂O₃与水之间的反应非常快速，在常温状态下，其水化反应可表示为

（4）铁铝酸四钙（4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃）的水化。与3CaO·Al₂O₃相似，在石膏存在的条件下，4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃的水化反应方程式如下：

除上式的产物外，胶凝材料的水化反应可能还会生成Fe（OH）₃。

本试验采用激光粒度分析仪对全尾砂及胶凝材料进行粒度分析，结果见表1和图1。如图1所示，玲珑金矿全尾砂中-200目（-74 μm）含量达到48.2%、分级尾砂中-200目（-74 μm）含量达到29.5%。全尾砂颗粒粒径集中在4~180 μm之间，全尾砂不均匀系数C_u=15.02>10、曲率系数C_c=1.788>1，属于级配良好的材料，对充填体力学性质有利。

玲珑金矿全尾砂样品化学成分分析结果见表2。由表2可知，玲珑金矿全尾砂中主要成分为SiO₂和Al₂O₃，MgO和CaO含量较低，对充填体强度影响较小，不含有害物质，因此玲珑金矿全尾砂可作为骨料制备充填料浆。

试验选用MCR102高级流变仪［图2（a）］进行流变测试。MCR系列流变仪是目前最先进的流变测试系统，主要由空气压缩机、空气过滤器、恒温水浴和自带的系统分析软件构成。空压机将空气吸入储气罐内，通过空气过滤器将干净无杂的空气送入流变仪内部；空压机输出0.5 MPa恒定压力；仪器配有恒温水浴装置［图2（b）］，可以保证试验在恒温条件下进行。

按照灰砂比分别为1∶8、1∶12制作料浆，设计料浆质量浓度分别为65%和68%，研究在温度为20，15，10，5 ℃条件下全尾砂充填料浆流动性能的变化规律，以及在5~180 min内料浆流变参数的变化情况。试验中每隔1 h测量一次数据，试验设计见表3。

利用Origin软件对13 440个试验数据进行处理，得到20 ℃下4种不同料浆配比的剪切速率—剪切应力曲线图，如图3所示。

由图3可以看出，在每条剪切速率—剪切应力曲线的前段，曲线斜率均很大，而到曲线的后半段，斜率逐渐变小但一直为正。斜率大意味着剪切速率略有增加，剪切应力大幅增高。这是由于胶凝材料水化反应时，内部生成的凝胶物质包裹尾砂颗粒后，相互搭接形成具有一定强度的絮网结构，转子刚开始转动时破坏料浆中的絮网结构，因其转速较低，受到絮网结构较大的阻力。接着转子剪切速率增大，严重破坏料浆中絮网结构，转子受到的阻力越来越小，剪切应力开始减小。随着水化反应的继续进行以及转子对料浆的不断搅动，颗粒间的相互作用使絮网结构又搭接、修复，直至絮网结构破坏和修复速率达到一个动态平衡时，测量曲线变得平缓，剪切应力稳定在某一个值上下。

流变特性曲线的中后段可以看成是一条直线，将其延长则在纵坐标轴上有一个截距，此流变模型符合宾汉模型，其中直线斜率的物理意义是料浆的黏度系数，截距的物理意义是料浆的屈服应力。

由于该流体的拟合方程满足斜率皆大于0，拟合曲线与剪切应力轴有交点，拟合的相关系数接近于1等特点，可认为该条件下的流体符合宾汉模型。取位于流变曲线中间的点进行拟合运算，得到图形曲线如图4所示。

由图4可以看出，无论料浆配比如何，随着温度的升高，料浆黏度系数均有降低的趋势。分析其原因有二：一方面，对于同一配比的料浆，随着温度的升高，料浆中凝胶物质的占比也升高，因此温度升高会使料浆的黏度系数增大；另一方面，试验所配成的料浆中水的占比相较于胶凝材料具有相当大的优势，温度上升导致水分子运动剧烈，料浆中颗粒与颗粒之间、胶凝物质与胶凝物质之间、胶凝物质与颗粒之间，起润滑作用的自由水黏度下降。因此，温度升高导致料浆中水对料浆运动的润滑作用程度大于胶凝材料水化所生成凝胶结构对料浆的阻滞作用，在整体上，表现为料浆的黏度系数下降。

因此，从黏度系数下降的结论来看，温度升高对管道输送是有利的。

通过拟合运算，得到充填料浆屈服应力与料浆温度之间的关系如图5所示。

由图5可以看出，在料浆混合1 h之内，温度为5 ℃时，料浆屈服应力最高。这是因为温度过低抑制了胶凝材料的水化反应，胶凝材料与水之间的反应时间较短，生成的胶凝物质较少，颗粒之间无法搭接形成网状结构，尾砂颗粒离析严重，悬浮在水中的颗粒较少，更多的尾砂颗粒沉降到料桶底部，转子桨叶部位被尾砂包裹，因此料浆阻止自身塑性变形的力就大，即屈服应力大。测量温度为10 ℃时，不管灰砂比、质量浓度及测量时间点如何变化，料浆屈服应力都是最小的，这是因为相比于5 ℃时，料浆温度升高，胶凝材料水化反应加速，相同反应时间生成的凝胶物质较多，相互搭接生成的絮网结构也较多，尾砂颗粒被絮网结构搭载着悬浮在浆液中，测试转子桨叶部位的尾砂较为松散，而此时具有一定刚度的絮网结构还比较少，因此表现出10 ℃时料浆的屈服应力是最小的。温度为10 ℃以上时，无论灰砂比如何变化，在相同反应时间内，随温度的升高屈服应力均有增大的趋势。对于相同水灰比的料浆，温度升高，胶凝材料水化反应加速，相同反应时间内生成的凝胶物质增多，凝胶物质包裹的颗粒也会增多，相互搭接生成的具有一定刚性的骨架结构就越多，与10 ℃相比料浆的抗剪能力就越强，即屈服应力增大，所以当温度达到10 ℃以上时，随着温度的升高料浆屈服应力有上升的趋势。

通过料浆流动阻力损失系数可以反映出料浆在管道中输送性能的优劣。

宾汉模型不同流量下管道阻力损失i（Pa/m）的计算公式（胡亚军等，2011）为

式中：τ₀为料浆的屈服剪切应力（Pa）；η为料浆的黏度系数（Pa·s）；ν为料浆在管道中的流速（m/s）；D为料浆输送管道的内径（m）。

根据现场实际情况，取流速ν=1 m/s，管道内径D=0.1 m，则阻力损失i的计算公式可简化为

根据不同配比料浆流变曲线的拟合方程，可计算出不同配比充填料浆在管道内的阻力系数i。根据拟合运算的结果可计算出其对应的阻力系数，得到不同尾砂配比与料浆自阻力损失系数之间的关系如图6所示。

由上述可知，测量温度—阻力损失折线图与测量温度—屈服应力折线图极为相似，这是因为屈服应力τ₀比黏度系数η 大3~4个量级，阻力损失也就更大程度地受屈服应力的影响，因此测量温度—阻力损失折线图与测量温度—屈服应力折线图走势也大致相同。

以玲珑金矿充填料浆为研究对象，通过安东帕MCR102高级流变仪获取并分析相关数据，重点研究了充填料浆的温度对高浓度充填料浆流变特性的影响，探索温度变化对充填料浆流动性能的影响，得到如下结论：

（1）在相同的反应时间内，随着温度的升高，不同灰砂比充填料浆的黏度系数均有降低的趋势。

（2）料浆灰砂比变化对充填料浆屈服应力变化无明显影响。在相同反应时间内，随着温度的升高，屈服应力均表现为先下降再升高的趋势。

（3）根据温度—阻力损失折线图与温度—屈服应力折线图极为相似的变化趋势，推导并证明阻力损失计算公式i=53.33*τ0+3 200*η的准确性。由阻力损失公式可知，制备和输送充填料浆的最佳温度为10 ℃，此时料浆的阻力损失系数最小。

（4）将温度为10 ℃时充填料浆阻力损失最小的结论应用到实际生产中，对深部中段（温度达32~37 ℃）进行充填时，可采取适当降低温度的方法来提高充填效率。