周逸沛 莫程康 殷天軍 于曉龍 高新磊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室)

顆粒粒級分布對某尾砂漿流變特性的影響*

周逸沛1,2莫程康1,2殷天軍1,2于曉龍1,2高新磊1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室)

傳統(tǒng)尾砂自身黏聚力小，需添加膠凝劑才能排放，增加了排放工序與成本，且尾砂漿中有效流動相體積分?jǐn)?shù)小，與管道壁摩擦阻力大，造成輸送成本較高。為探究顆粒分布對尾砂漿的流變特性的影響，以某鐵礦級配不良的全尾砂為原料，將體積平均粒徑分別為10.21，21.97，32.87，55.53，81.28，98.04 μm的細(xì)尾砂與體積平均粒徑為168.02 μm的全尾砂混合，分別進(jìn)行細(xì)尾砂摻量為10%、20%、30%、40%、50%的混合尾砂漿流變特性試驗。試驗結(jié)果表明：當(dāng)摻入的細(xì)尾砂體積平均粒徑不大于32.87 μm、摻量不大于30%時，尾砂漿流變特性呈Herschel-Bulkley型，隨著摻量的增加逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢體模型；當(dāng)體積平均粒徑大于32.87 μm時，尾砂漿均呈Herschel-Bulkley型；細(xì)尾砂摻量30%和體積平均粒徑為32.87 μm分別是尾砂漿黏度與屈服應(yīng)力轉(zhuǎn)變的臨界值；適宜摻量和體積平均粒徑細(xì)尾砂的摻入對尾砂漿起到明顯的潤滑作用， 在相同濃度下流動性更好。

平均粒徑 尾砂漿 流變特性 礦山充填

尾砂作為選礦的固體廢棄物，直接堆存不僅會占用場地增加堆存成本，還會對土壤和地下水產(chǎn)生污染，如重金屬和殘留的化學(xué)藥劑會嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。國家有關(guān)規(guī)定要求礦山企業(yè)應(yīng)“本著減量化、資源化、無害化的原則對尾砂進(jìn)行回采和利用”[1]。近年來，礦山企業(yè)逐步提高對尾砂的利用程度，尾砂利用率每年都在不斷增長。尾砂無論是直接排放到尾礦庫或作為充填原料以節(jié)省外購充填料的成本，尾砂漿的流變特性對尾礦庫的安全運行和井下充填采礦的安全性都具有重要作用。

由于尾砂之間自身黏聚力較小，通常需加入膠凝劑才能排放，增加了排放工序和成本。粒子干涉理論認(rèn)為：某一粉末樣品顆粒中具有多種粒徑時，較大粒徑顆粒之間的空隙應(yīng)有較小粒徑的顆粒填充，次大粒徑的顆粒之間的空隙又由更小粒徑的顆粒填充，但填充顆粒的粒徑不能大于被充填顆粒之間的空隙，否則大顆粒與小顆粒之間會發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象。實際應(yīng)用中，大小顆粒的形狀不規(guī)則，細(xì)粒級的顆粒會把較大顆粒排擠開，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。不僅不能填充大顆粒之間的空隙，反而增大整個體系的空隙率，從而使不能有效流動的陰影區(qū)面積增大，有效流動相體積分?jǐn)?shù)降低，整個體系的黏度增大[2]。因此，研究不同體積平均粒徑的細(xì)尾砂在全尾砂中的摻量對尾砂漿流變特性的影響，對于優(yōu)化尾砂漿的黏度、增加有效流動相的體積分?jǐn)?shù)具有重要作用。

論文提出了一種新的尾砂處理方法，以減小尾砂充填、輸送時其與管道壁的摩擦，進(jìn)而延長管道壽命，提高輸送效率，節(jié)約管道輸送成本。以某鐵礦尾砂為試驗原料，將尾砂進(jìn)行粒度分級后與全尾砂進(jìn)行混合制成混合尾砂漿，分析尾砂漿的物理屬性和流變特性，優(yōu)化尾砂的黏度、潤滑性，為其排放和充填利用提供技術(shù)參考。

1 試驗原料與儀器

試驗原料取自某鐵礦級配不良的全尾砂，細(xì)尾砂由全尾砂研磨加工而成。通過在全尾砂中加入不同粒級的細(xì)尾砂進(jìn)行尾砂漿流變特性試驗。全尾砂的主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 全尾砂化學(xué)成分分析 %

成分MgOAl2O3SiO2CaONa2OMnOFe2O3含量2.4133.84982.0522.4610.1790.0218.003

采用RheolabQC流變儀測定漿流變參數(shù)，輔助儀器為量筒(最大量程500 mL)、普通天平(最大稱量質(zhì)量1 000 g)、燒杯等，試驗溫度為室溫(25 ℃)。

試驗采用的槳葉式轉(zhuǎn)子可以簡便地對漿體、剛性的膏體和懸浮體等進(jìn)行測量。槳葉式轉(zhuǎn)子在剛插入待測液時不會損壞樣品結(jié)構(gòu)，幾乎不形成側(cè)滑與流道，能夠提供較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，重復(fù)性好。

2 尾砂物理參數(shù)的設(shè)計

全尾砂的級配指標(biāo)見表2，細(xì)尾砂級配指標(biāo)見表3。

表2 全尾砂級配指標(biāo)

表3 細(xì)尾砂的級配指標(biāo)

由表2和表3可知，該全尾砂的顆粒組成特征值為：d10=55.27 μm，d30=135.32 μm，d60=200.79 μm，中值粒徑d50=178.28 μm。全尾砂顆粒粒徑主要集中在80～341 μm，不均勻系數(shù)Cu=3.636<5、曲率系數(shù)Cc=1.657，屬于級配不良材料，具有細(xì)粒級含量較多、級配較差的特點，對其濃縮、脫水、固結(jié)和穩(wěn)定均產(chǎn)生較大影響。

為能精確地表征顆粒的粗細(xì)程度，通常采用統(tǒng)計學(xué)理論方法從總體上描述一批樣品的顆粒大小，即樣品的粒度。粒度分布盡管能詳細(xì)、整體地描述樣品顆粒大小，但過于詳盡，數(shù)據(jù)量多，不能直觀表現(xiàn)樣品粒度情況，可用平均粒徑等能代表粒度特征的參數(shù)來表征。

定義平均粒徑為：

當(dāng)p=4、q=3時，

3 試驗結(jié)果及討論

尾砂漿流變參數(shù)測定的時間間隔會直接影響流變試驗結(jié)果。如時間間隔過長，漿體會在測定過程中產(chǎn)生沉降，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。多次重復(fù)對比試驗結(jié)果表明，時間間隔小于0.5 s時，測量數(shù)據(jù)波動較大。因此試驗測定的時間間隔選取1 s[3]。

試驗步驟為：

(1)將體積平均粒徑分別為10.21,21.97,32.87,55.53,81.28,98.04 μm的細(xì)尾砂與體積平均粒徑為168.02 μm的全尾砂進(jìn)行混合，控制每一體積平均粒徑的細(xì)尾砂摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%。

(2)將全尾砂和細(xì)尾砂混合后稱重，加入燒杯，再加水，并用玻璃棒均勻攪動，使尾砂和水混合均勻，制成尾砂漿?？刂破錆舛葹?5%，進(jìn)行共計30組尾砂漿流變特性測定試驗。

(3)利用RheolabQC流變儀對每組尾砂漿的流變特性參數(shù)進(jìn)行測定，測定時間間隔為1 s。每組每次測量30 s，共計30個點，每組測量3次。

(4)將每一體積平均粒徑的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性測定結(jié)果擬合成流變曲線。

3.1 尾砂漿流變特性試驗

用F表示尾砂中某一體積平均粒徑的細(xì)尾砂摻量，C表示全尾砂摻量，則可用xFyC表示組成為細(xì)尾砂摻量x%、全尾砂摻量y%的尾砂漿。擬合成的流變曲線見圖1～圖6。

圖1 體積平均粒徑為10.21 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

圖2 體積平均粒徑為21.97 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

(1)由圖1～圖3可知，細(xì)尾砂摻量不大于30%時，尾砂漿的流變特性呈現(xiàn)Herschel-Bulkley模型(簡稱H-B模型)。原因是尾砂漿中較多的細(xì)顆粒在剪切狀態(tài)下，顆粒間存在吸引力使結(jié)構(gòu)狀態(tài)的拆散與重新形成同時發(fā)生，且重新形成的速度隨拆散程度的增大而增大。細(xì)尾砂摻量大于30%時，系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡，尾砂漿保持某一穩(wěn)定的塑性黏度，流變特性表現(xiàn)出賓漢體模型。

圖3 體積平均粒徑為32.87 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

圖4 體積平均粒徑為55.53 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

圖5 體積平均粒徑為81.28 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

圖6 體積平均粒徑為98.04 μm的細(xì)尾砂不同摻量時的尾砂漿流變特性曲線

(2)圖4～圖6表明，隨著細(xì)尾砂摻量的減少，尾砂漿流變特性均呈現(xiàn)Herschel-Bulkley模型，并沒有轉(zhuǎn)化為賓漢體模型。這是因為，隨著細(xì)尾砂粒級的增大，使得填充體系中的空隙率逐步增大，顆粒間的碰撞摩擦是尾砂漿黏度增大的主要因素。

(3)由圖1～圖5可知，細(xì)尾砂摻量不大于30%時，尾砂漿的流變曲線相對集中，表明屈服應(yīng)力變化不大。這是因為尾砂漿中細(xì)粒級顆粒多，其絮凝作用是產(chǎn)生屈服應(yīng)力的主導(dǎo)因素。當(dāng)摻量達(dá)到30%時，尾砂漿系統(tǒng)對細(xì)粒級顆粒的飽和度達(dá)到最大值；當(dāng)摻量大于30%時，尾砂漿屈服應(yīng)力產(chǎn)生的主要內(nèi)因是細(xì)粒級顆粒逐步增加，顆粒間接觸點增多，增大了顆粒間的摩擦阻力，流動度降低，從而使阻力增大，阻礙尾砂漿流動，屈服應(yīng)力迅速增加[4]。由圖7知，由于尾砂漿中顆粒粒度較大，較易分散，使得填充體系的空隙率增大。摻量的增加并不能有效降低其空隙率，因此尾砂漿流變特性并沒有在細(xì)尾砂摻量為30%時形成明顯差異。

3.2 模型擬合

隨著尾砂漿中粗顆粒含量的增多，流變模型發(fā)生變化。流變模型主要為以下幾種[5]：

賓漢體的流體關(guān)系可以表示為：

τ=τ0+μγ ，

(1)

Herschel-Bulkley 方程為

τ=τ0+μγn，

(2)

式中τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μ為塑性粘度系數(shù) ，Pa·s；γ為剪切速率，1/s；n為屈服指數(shù)。

利用兩種模型對試驗曲線進(jìn)行擬合。由于擬合曲線較多且擬合均相似，現(xiàn)取細(xì)尾砂體積平均直徑為32.87 μm時，對不同摻量時的尾砂漿的流變特性結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表4。

表4 細(xì)粒級為32.87 μm的模型擬合結(jié)果

3.3 加權(quán)平均屈服應(yīng)力和黏度

將3次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求平均，得到不同顆粒級配條件下的屈服應(yīng)力、黏度與摻量間的關(guān)系曲線，分別見圖7、圖8。

由圖7、圖8可知：

(1)摻入體積平均粒徑大于 10.21 μm的細(xì)尾砂時，尾砂漿的屈服應(yīng)力小于其他粒徑的屈服應(yīng)力，體積平均粒徑越大，屈服應(yīng)力越趨于穩(wěn)定；對于摻入體積平均粒徑分別為10.21,21.97和32.87 μm細(xì)尾砂的尾砂漿，當(dāng)摻量大于30%時，屈服應(yīng)力增加速度迅速提高。

圖7 不同級配下尾砂漿屈服應(yīng)力變化曲線

圖8 不同級配下尾砂漿黏度變化曲線

(2)對于摻入體積平均粒徑分別為10.21,21.97和32.87 μm細(xì)尾砂的尾砂漿，在摻量分別為10%，20%、30%時，黏度均呈下降趨勢，且體積平均粒徑越小，下降速度越快；當(dāng)細(xì)尾砂的摻量達(dá)到30%時，尾砂漿黏度達(dá)到最小值，尤其是摻入體積平均粒徑為10.21 μm細(xì)尾砂的尾砂漿，流動性最好。這是因為其細(xì)顆粒的懸浮、潤滑作用使相同濃度下的漿體流動性變好[6-8]。

(3)對于摻入體積平均粒徑分別為55.53,81.28和98.04 μm細(xì)尾砂的尾砂漿，屈服應(yīng)力與黏度均較為穩(wěn)定，變化幅度不大。因此，可以得出尾砂漿的流變特性主要取決于細(xì)顆粒體積平均粒徑和含量的結(jié)論。

4 結(jié) 論

(1)對于摻入體積平均粒徑不大于32.87 μm且摻量不大于30%細(xì)尾砂的尾砂漿，流變特性主要呈Herschel-Bulkley模型。隨著摻量的增加，流變特性模型逐步轉(zhuǎn)化為賓漢體。當(dāng)體積平均粒徑大于32.87 μm時，尾砂漿均呈Herschel-Bulkley模型。因此，可以據(jù)此合理調(diào)整尾砂粒徑，優(yōu)化管道輸送工藝，減小輸送損失。

(2)細(xì)尾砂體積平均粒徑為32.87 μm是屈服應(yīng)力變化的臨界值。大于32.87 μm，屈服應(yīng)力變化很大，小于32.87 μm較為穩(wěn)定。

(3)細(xì)尾砂摻量為30%是黏度轉(zhuǎn)變的臨界值。小于30%時，尾砂漿黏度先下降，在摻量大于30%后黏度上升。因此，可以得出細(xì)尾砂摻量小于30%時，尾砂漿流變特性相似，大于30%時尾砂漿的流變特性迅速改變。

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·記者在線·

山東臨沂探明金剛石儲量占全國一半

據(jù)近日召開的山東省金剛石找礦座談會透露，自1965年在山東臨沂發(fā)現(xiàn)我國首個具有工業(yè)價值的金剛石原生礦以來，臨沂市已累計探明金剛石儲量1 235.39萬克拉，約占全國探明總量的50%。

據(jù)悉，山東省臨沂市已被確定為我國五大金剛石礦產(chǎn)遠(yuǎn)景調(diào)查區(qū)域之一。

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：51504256);煤炭資源與安全開采重點實驗室與全國大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目 (編號：SKLCRSM14CXJH03)。

2015-09-23)

周逸沛(1973—)，男，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路J11號。