王洪江，李輝，吳愛祥，劉斯忠，王恒

（北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083）

基于全尾砂級(jí)配的膏體新定義

王洪江，李輝，吳愛祥，劉斯忠，王恒

（北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083）

基于全尾砂特性的不同，提出定量化具有普遍性和工程應(yīng)用性的膏體新定義。運(yùn)用八因素十水平均勻設(shè)計(jì)方案研究不同尾砂粒級(jí)組成對(duì)漿體泌水率的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)全尾砂顆粒半徑超過70 μm時(shí)，顆粒基本不具有保水性能；粒度為20～98 μm的尾砂顆粒對(duì)漿體的泌水性能影響較大，尤其是粒度為20～37 μm的尾砂顆粒；膏體新定義的提出使不同礦山不同特性全尾砂所能配制的膏體得到了統(tǒng)一規(guī)范化和定量化。

全尾砂；定量化；泌水率；膏體新定義

自膏體充填技術(shù)誕生以來，由于其良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益使其獲得不斷推廣和發(fā)展[1]，在世界范圍內(nèi)引起極大興趣。膏體充填是一種全新的礦山開采模式，其料漿不離析、不脫水、不沉淀；充填質(zhì)量高，充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，成本低，效率高，是充填技術(shù)發(fā)展的主要方向[2?4]。但國內(nèi)外盡管對(duì)于膏體的定義進(jìn)行了各種探索性研究，但是，一直缺少統(tǒng)一的規(guī)范。國外的研究成果顯示：當(dāng)料漿中顆粒粒徑＜20 μm的尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%[5]，且當(dāng)屈服應(yīng)力大于（200±25） Pa[6]時(shí)，可以視為膏體。但各礦山全尾砂顆粒級(jí)配千差萬別，顆粒含量也各不相同，同時(shí)，對(duì)于料漿屈服應(yīng)力的檢測(cè)受到檢測(cè)儀器和手段的限制，無法準(zhǔn)確得到料漿的屈服應(yīng)力。國內(nèi)通常采用料漿質(zhì)量濃度、塌落度和分層度來界定膏體。對(duì)全尾砂而言，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～75%的為高濃度充填料，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%～82%的為膏體充填料[7]；對(duì)全尾砂膏體，塌落度為15～25 cm，分層度小于2 cm[8]。但由于各礦山尾砂顆粒級(jí)配的差異及尾砂自身物理性質(zhì)的不同，膏體的質(zhì)量濃度及塌落度、分層度差異較大。因此，如何根據(jù)各礦山尾砂的特性，對(duì)膏體進(jìn)行定量描述，提出具有普遍意義的膏體新定義尤為重要。本文作者通過引用土力學(xué)中泌水率的概念，運(yùn)用八因素十水平均勻設(shè)計(jì)方案測(cè)定不同粒級(jí)組成尾砂漿體的泌水率。通過水膜理論及泌水率回歸分析了不同粒級(jí)尾砂對(duì)漿體泌水性能的影響，進(jìn)而根據(jù)膏體管道輸送潤滑層理論，當(dāng)漿體泌水率為1.5%時(shí)（膏體狀態(tài)），分析不同粒級(jí)組成的全尾砂顆粒與膏體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，從粒級(jí)組成的角度對(duì)膏體進(jìn)行了定義。從而解決因不同礦山尾砂差異帶來膏體無法界定的問題，并提出相應(yīng)的定量分析公式和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

測(cè)定全尾砂基本物理性質(zhì)，主要包括全尾砂力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試和全尾砂粒級(jí)組成分析。測(cè)定結(jié)果見表1和2。

由表1和表2可知，該礦山全尾砂粒徑＜74 μm累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到61.90%，粒徑＜20 μm以下累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到37.20%，表明其全尾砂粒度較小，但不屬于細(xì)粒尾砂[8]。采用土力學(xué)中對(duì)物料級(jí)配合理性評(píng)價(jià)參數(shù)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc對(duì)全尾砂級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到Cu=20.67，Cc=0.59。級(jí)配良好的物料其不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc在1～3之間，即全尾砂級(jí)配不良。

表1 全尾砂物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of tailings

表2 全尾砂粒級(jí)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Grade composition of tailings %

2 試驗(yàn)方法

取某礦山深錐濃密機(jī)底流膏體物料。為保證篩分的準(zhǔn)確性，現(xiàn)利用篩孔孔徑分別為20，37，61，74，98，200和450 μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)全尾砂進(jìn)行濕篩，對(duì)篩分得到的區(qū)間粒級(jí)尾砂在100～105 ℃條件下烘干待用。

隨著選礦工藝的提高，礦石的磨礦細(xì)度越來越細(xì)，現(xiàn)參考不同金屬礦山全尾砂粒級(jí)組成設(shè)計(jì)不同粒級(jí)尾砂的不同摻比，利用八因素十水平的均勻設(shè)計(jì)方案配制漿體，漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74%，漿體攪拌均勻（2 min）后裝入試驗(yàn)?zāi)＞咧?，測(cè)定漿體的泌水率。試驗(yàn)方案及各粒級(jí)尾砂摻比見表3和表4。

表3 泌水率試驗(yàn)測(cè)試方案Table 3 Scheme of bleeding rate test

表4 歸一化處理Table 4 Normalized processing results

3 試驗(yàn)原理

3.1 泌水率

泌水率反映了漿體的析水性能，實(shí)際上也是漿體的保水性能。用量杯盛入一定量的漿體，測(cè)其漿體質(zhì)量，并換算出其中清水的含量；在量杯表面鋪2層紗布，紗布與量杯口大小相同，然后將濾紙放在紗布表面，測(cè)定在60 min內(nèi)漿體泌出的清水質(zhì)量。泌水率P的計(jì)算公式如下：

式中：P為漿體泌水率，%；m0為泌出清水質(zhì)量，g；m為漿體中原總清水量，g。

3.2 體積分?jǐn)?shù)

漿體的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算公式如下：

式中：Cv為漿體體積分?jǐn)?shù)，%；Cw為漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ為物料干燥狀態(tài)密度。

4 結(jié)果及分析

依據(jù)歸一化后八因素十水平的均勻設(shè)計(jì)方案，參照泌水率的測(cè)定方法測(cè)定不同全尾砂粒級(jí)組成情況下料漿的泌水率，測(cè)試結(jié)果見表5。

4.1 粒級(jí)組成對(duì)泌水率的影響

尾砂漿體中的水大部分被顆粒吸附在孔隙內(nèi)以及顆粒表面，其余水量則以自由水的形式泌出。吸附在孔隙中和顆粒表面的水量體現(xiàn)了顆粒的保水性能，且這種吸附作用是物理吸附和化學(xué)吸附綜合作用的結(jié)果。研究表明[9?11]：顆粒物粒度越細(xì)，其比表面積越大，表面能也越大，顆粒物表面的吸附能力越強(qiáng)，絡(luò)合吸附位也越多。

表5 泌水率試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experiment results of bleeding rate

對(duì)于攪拌均勻的漿體，其尾砂處于完全飽和狀態(tài)，顆粒間的孔隙全部被水充填，顆粒間的基質(zhì)吸力為0，顆粒與顆粒間彼此以一定的水膜（厚度ζ）接觸，只有水相連通或少量空氣以封閉形態(tài)存在。此時(shí)，對(duì)于漿體中的固體顆粒來講，其表面由于受到物理和化學(xué)吸附作用，表面被一層吸附水膜覆蓋。假設(shè)顆粒平均半徑為R，其表層吸附水膜厚度為ζ，則顆粒吸附水量ω可表示為

式中，ρw為水的重度，一般ρw=1×104N/m3。

根據(jù)土力學(xué)中飽和土的水膜厚度[12]

式中：α為表面張力系數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定20 ℃的純凈水可取72.7×10?3N/m；R為顆粒的半徑，m。

顆粒半徑R與顆粒表面吸附水量ω的關(guān)系見圖1。

圖1 吸附水量與顆粒半徑關(guān)系Fig. 1 Relationship between adsorption capacity and particle radius

由圖1可以看出：隨著顆粒半徑的增大，顆粒表面吸附水量急劇下降；當(dāng)顆粒半徑達(dá)到70 μm，其吸附水量基本為0 g，即顆粒直徑超過140 μm時(shí)，基本不具有保水性。

利用DPS軟件對(duì)不同粒級(jí)組成料漿的泌水率進(jìn)行回歸，最終回歸方程如下：

式中：Y為漿體泌水率；x1為粒徑＜20 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x2為20～37 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x3為37～61 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x4為61～74 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x5為74～98 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x6為98～200 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x7為200～450 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x8為450 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表6。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results

漿體泌水率回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9，根據(jù)方差分析結(jié)果，回歸方程顯著。從回歸方程看，盡管所有級(jí)配尾砂顆粒對(duì)漿體的泌水率均有貢獻(xiàn)，但20～98 μm尾砂顆粒對(duì)漿體的泌水率影響最大，這與顆粒直徑超過140 μm時(shí)，顆粒基本不具有保水性的規(guī)律基本一致。

4.2 粒級(jí)組成對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)的影響

理論上認(rèn)為膏體的泌水率為0，為了降低膏體管道輸送阻力，需要在輸送時(shí)在管壁附近產(chǎn)生一個(gè)潤滑層。該潤滑層以水為主，表現(xiàn)為一層水膜，其流動(dòng)速度基本為0 m/s。膏體管道輸送呈現(xiàn)柱塞流，假設(shè)膏體柱芯半徑為r，管道半徑為R，則潤滑層水的體積為

式中：M為膏體泌水率，%；h為潤滑層厚度，m；ρ為膏體物料干燥相對(duì)密度。

該礦山深錐濃密機(jī)底流膏體物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%～78%，管道半徑R=0.15m，膏體物料相對(duì)密度為2.72，則泌水率M與膏體管道輸送潤滑層h的關(guān)系如圖2所示。

膏體管道輸送處于混合潤滑狀態(tài)，依據(jù)Stribeck潤滑理論可知，潤滑層厚度約為摩擦副表面復(fù)合粗糙度的3倍。統(tǒng)計(jì)資料顯示[13?14]：管道內(nèi)表面粗糙度為30～100 μm，即水膜厚度為90～300 μm，全尾砂膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%～82%，全尾砂相對(duì)密度為2.50～2.80，計(jì)算得到膏體泌水率為1.5%～5.0%。由圖2可以看出，該膏體物料的泌水率為0.5%～1.8%，且膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，泌水率越大。為保證膏體具有良好的輸送性能，形成膏體輸送時(shí)完整潤滑層，將膏將體的泌水率控制在1.5%。均勻設(shè)計(jì)配制的不同顆粒級(jí)配含量漿體的膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表7。

利用design-expert軟件對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)的尾砂全粒級(jí)組成進(jìn)行回歸，回歸結(jié)果顯示：尾砂中粒度為20～98 μm顆粒對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)影響較大，回歸顯著；粒度為98～450 μm顆?；緦?duì)膏體體積分?jǐn)?shù)沒有影響，回歸不顯著，這與水膜理論與泌水率回歸分析結(jié)果一致。因此現(xiàn)剔除不顯著因素，利用粒度為20～98 μm尾砂顆粒對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行回歸，最終回歸方程如下：

圖2 潤滑層厚度與泌水率關(guān)系Fig. 2 Relationship between lubricating layer and bleeding rate

表7 漿體濃度計(jì)算表Table 7 Slurry concentration calculation sheet

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表8。

膏體體積分?jǐn)?shù)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2= 0.958 5，根據(jù)方差分析結(jié)果看，回歸方程顯著。且各粒級(jí)組成對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)影響程度從大到小依次為：20～37 μm，＜20 μm，61～74 μm，74～98 μm，37～61 μm。表明20～37 μm尾砂顆粒對(duì)膏體的體積分?jǐn)?shù)影響最大，即對(duì)膏體性能起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)該礦粒度為20～37 μm，＜20 μm，61～74 μm，74～98 μm，37～61 μm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算得到其膏體的體積分?jǐn)?shù)為56.13%。現(xiàn)場(chǎng)深錐濃密機(jī)的放料底流最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%，換算為體積分?jǐn)?shù)為56.59%?？芍碚撚?jì)算值與實(shí)際膏體體積分?jǐn)?shù)最大值相差僅0.46%，即與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較吻合。

表8 方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results

4.3 基于尾砂粒級(jí)的膏體新定義

根據(jù)粒級(jí)組成對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)的影響，主要尾砂粒級(jí)（20～98 μm）回歸得到的膏體的體積分?jǐn)?shù)（式（9））與礦山現(xiàn)行膏體體積分?jǐn)?shù)差別不大（0.46%）；且粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒對(duì)膏體的體積分?jǐn)?shù)影響較大，其顆粒含量越多，膏體體積分?jǐn)?shù)越小，膏體理論計(jì)算體積分?jǐn)?shù)與實(shí)際膏體體積分?jǐn)?shù)差異性越大；反之亦然。

考慮全尾砂98～450 μm粒級(jí)顆粒對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)的影響以及理論計(jì)算的偏差，對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正，修正系數(shù)為λ，則基于尾砂粒級(jí)組成的膏體體積分?jǐn)?shù)定義如下：

由分析結(jié)果可知，當(dāng)粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，膏體體積分?jǐn)?shù)較低，則λ越小?，F(xiàn)以該礦山全尾砂膏體體積分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)參考值，則λ=1.0，此時(shí)粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。即當(dāng)粒度為20～37 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%時(shí)，λ＜1.0；當(dāng)粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%時(shí)，λ＞1.0。

參考式（9），結(jié)合全尾砂磨礦細(xì)度推算，膏體的體積分?jǐn)?shù)為45%～60%，即λ=0.802～1.068。但λ的具體取值還應(yīng)該根據(jù)大量的有關(guān)全尾砂粒級(jí)與膏體體積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到。得到λ準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)值后，可根據(jù)全尾砂粒級(jí)組成計(jì)算得到該全尾砂達(dá)到膏體狀態(tài)時(shí)的體積分?jǐn)?shù)。

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)顆粒表面水膜理論，隨著顆粒半徑的增大，顆粒表面吸附水量急劇下降，當(dāng)顆粒直徑超過140 μm時(shí)，顆?；静痪哂斜Ｋ?。

（2） 對(duì)不同級(jí)配尾砂漿體泌水率進(jìn)行回歸分析得到，全尾砂顆粒粒度為20～98 μm對(duì)漿體的泌水率影響最大，這與顆粒粒度超過140 μm時(shí)，顆?；静痪哂斜Ｋ缘囊?guī)律基本一致。

（3） 當(dāng)膏體的泌水率為1.5%時(shí)，對(duì)不同級(jí)配尾砂膏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行回歸分析得到，全尾砂顆粒粒度為20～98 μm時(shí)對(duì)膏體體積分?jǐn)?shù)影響最大，尤其是20～37 μm尾砂顆粒；98～450 μm顆?；緦?duì)膏體體積分?jǐn)?shù)沒有影響；且顆粒粒度影響程度從大到小依次為：20～37μm，＜20 μm，61～74 μm，74～98 μm和37～61 μm。

（4） 以膏體體積分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)提出了基于不同尾砂級(jí)配的膏體新定義，從體積分?jǐn)?shù)的角度對(duì)不同全尾砂所能配制的膏體進(jìn)行了量化，但膏體體積分?jǐn)?shù)的修正系數(shù)λ仍需大量統(tǒng)計(jì)資料得到。

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（編輯 趙?。?/p>

New paste definition based on grading of full taillings

WANG Hongjiang, LI Hui, WU Aixiang, LIU Sizhong, WANG Heng

（Metal Mine High-efficient Exploitation and Security Key Laboratory of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）

Based on the different characteristics of the full tailings materials, the new paste definition was put forward, which shows that the quantification has universality and engineering application. Eight factors and ten levels uniform design scheme were used to study the bleeding rate based on the grading composition of full tailings. The results show that the full tailings particles with radius of more than 70 μm do not have water retention performance; the tailings particles with diameter of 20?98 μm, especially the particles with diameter of 20?37 μm, have greater influence on the bleeding rate of slurry. The new paste definition standardizes and quantifies different full tailings from different mines.

full tailings; quantification; bleeding rate; new paste definition

TD926.4

A

1672?7207（2014）02?0557?06

2013?06?23；

2013?09?30

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（50934002，51374034）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT0950）

王洪江（1967?），男，湖南三門峽人，教授，從事金屬礦山充填技術(shù)研究；電話：010-62333563；E-mail：wanghj1988@126.com