李宗楠，郭利杰

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

尾礦充填和尾礦庫堆存是目前處置礦山尾礦的兩種重要方式，不論是采用井下充填還是堆存處置，尾砂漿的流動性質(zhì)都是重要的研究課題。目前，國內(nèi)對尾礦流動性質(zhì)的測試主要基于流變儀測試結(jié)果，常用賓漢姆體流態(tài)來描述高濃度尾砂漿或充填料漿的流變特征，用于管道輸送的尾砂漿或充填料漿也常采用管道試驗(yàn)以研究其流動規(guī)律[1-4]。國外學(xué)者在尾砂漿流動性能研究方面，除了國內(nèi)常用的研究方法和手段之外，常采用水槽試驗(yàn)來研究尾砂漿的流動性質(zhì)[5-8]，水槽試驗(yàn)可以直觀的對漿體的流態(tài)進(jìn)行判別和分析，尾砂漿流淌堆存后形成一個(gè)坡度，被稱為流淌灘角，灘角的大小反映了料漿的流動性質(zhì)，在尾礦排放堆存與尾礦庫設(shè)計(jì)過程中，灘角可以用于設(shè)計(jì)尾礦庫界線、庫容、尾礦庫壩體以及尾礦排放過程中的濃度等內(nèi)容，具有重要意義[4,8]。同時(shí)，灘角反映了尾砂漿的流動特性，能直觀地反映尾礦漿的可輸送性，在特定的尾砂級配、濃度等條件下，也是研究尾砂漿流動性能的重要參數(shù)和指標(biāo)，對礦山開展井下充填物料輸送同樣具有重要意義[9-10]。

1 水槽試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 尾砂漿制備

試驗(yàn)采用墨西哥某礦旋流分級后的細(xì)尾砂進(jìn)行試驗(yàn)，尾砂粒度采用激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑測試，根據(jù)測試結(jié)果繪制粒徑曲線如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑組成

粒度分布情況大致為37 μm以下56.7%，74 μm以下76.6%，屬于細(xì)粒級尾砂；表1為試驗(yàn)用尾砂的主要物理性質(zhì)和元素組成。

由表1可知，測得試驗(yàn)尾砂比重為3.08，堆積密度為1.541 g/cm3，孔隙率49.983%，尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，金屬元素以Ca、Fe、Al、Mg為主，有毒有害成分較低，可用于礦山充填、堆存處置等。

表1 尾砂基礎(chǔ)物理性質(zhì)和化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

1) 制漿(圖2)。采用含自由水的飽和尾砂漿與同種尾砂的干尾砂調(diào)配，并控制濃度范圍在60%～75%范圍，配制五組不同濃度尾砂漿，各組140 L，用于試驗(yàn)的尾砂漿經(jīng)過充分?jǐn)嚢?，確保砂漿均勻，每組用于試驗(yàn)的砂漿實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行濃度測定。

2) 流變參數(shù)測試。采用Brookfield R/S-CCT型流變儀分別測試用于試驗(yàn)的料漿的流變參數(shù)，通過Bingham模型分析獲取砂漿的黏度系數(shù)和初始剪切屈服應(yīng)力[2-3]。

3) 試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)主要采用有機(jī)玻璃材質(zhì)流槽，槽體尺寸(長×寬×高)100 cm×30 cm×20 cm。

4) 試驗(yàn)方法。高濃度均值尾砂漿經(jīng)放砂口下放后，在流槽中沿著流槽攤開，控制下料速率8 L/min，料漿在流槽里緩慢流淌，試驗(yàn)間隔一定時(shí)間(流距增加10～20 cm)測量流淌漿體表面坡度，方法為間隔一定距離(10 cm)測量流體深度，并據(jù)此繪制坡形線確定灘角[4-7]。

5) 主要指標(biāo)。通過試驗(yàn)主要測試砂漿濃度、黏度、屈服應(yīng)力，并繪制流淌過程中的坡形線(及其不同時(shí)間的形狀變化)進(jìn)而計(jì)算灘角[2-7]。

圖2 測試過程

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流變曲線

根據(jù)漿體的流態(tài)特征，流態(tài)模型可分為牛頓體、屈服偽塑性體和Bingham塑性體[3]。對于高濃度尾礦漿體，其流變特征可以用Bingham流體模型表征，即當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，漿體才能發(fā)生流動，具有塑性液體性質(zhì)，當(dāng)剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，漿體沒有流動性，表現(xiàn)為固體[3-5]。

采用Broofield R/S-CCT型流變儀，測試試驗(yàn)室溫度20 ℃，測試時(shí)間0～100 s，采用Bingham模型描述體系的流變特性，其流變方程見下式[2,4]。

τ=τ0+ηbγ

式中：τ0為屈服應(yīng)力，Pa；ηb為塑性黏度系數(shù)，Pa·s。

塑性黏度ηb是漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動的一種性能，反映了漿體體系的變形速率。當(dāng)剪切應(yīng)力高于屈服應(yīng)力時(shí)，漿體流動同時(shí)它的流動阻力由塑性黏度決定，這兩個(gè)流變參數(shù)值的變化主要受漿體的組成和漿體體系內(nèi)的顆粒性質(zhì)的影響[6]。

試驗(yàn)開展了5組濃度尾砂漿流淌試驗(yàn)，分別為74.3%、71.7%、70.6%、67.8%和64.5%，通過試驗(yàn)測量了各組砂漿的流變曲線，見圖3。

采用Bingham模型回歸流變參數(shù)，獲得黏度指標(biāo)和剪切應(yīng)力，見表2。

圖3 流變曲線

表2 流變參數(shù)

序號濃度/%黏滯系數(shù)/(Pa·s)屈服應(yīng)力/Pa174.300.265958.6967271.700.2195540.1989370.600.163725.784467.800.162713.772564.500.14291.2828

2.2 水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1) 現(xiàn)象。測試過程中5組料漿整體均質(zhì)，試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，隨濃度增加漿體保水能力增強(qiáng)，流淌過程中呈現(xiàn)“膏體”狀，無自由水泌出，流淌跡線明顯；較低濃度(如64.5%組)在流淌過程中，尾砂漿流淌速率快，迅速流向遠(yuǎn)端，“堆坡”不明顯，表面自由水跡清晰，且流淌前段有自由水泌出。圖4為各濃度組實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)象

2) 坡形線。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在流距40 cm后，流距每增加約20 cm測一次坡形線，具體為：從下料點(diǎn)始間隔10 cm測流動體厚度，根據(jù)測試結(jié)果繪制坡形線，可看出流動砂漿坡形的變化情況(圖5)。根據(jù)坡形線計(jì)算流淌坡度，結(jié)果見表3。

表3 灘角測試結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

測試結(jié)果表明：隨濃度增加，砂漿黏度由0.14 Pa·s增長至0.26 Pa·s，相應(yīng)流淌灘角由1.71°增長至5.66°；以濃度70%為界限，流淌性質(zhì)顯著差異，尾砂漿濃度大于70%時(shí)(濃度為71.7%和濃度74.3%兩組)，其黏度值、流動灘角較大，自由水含量較少，尾砂漿濃度小于70%時(shí)(濃度為67.8%和64.5%兩組)，流距遠(yuǎn)、灘角小、泌處自由水含量多。對其主要原因進(jìn)行分析：高濃度下自由水含量較少，在尾砂顆粒比表面積比較大的情況下，顆粒表面形成豐富的水化膜，水化膜之間的電化學(xué)作用使得漿體體系表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏性和一定的可塑性；而低濃度砂漿含有較多自由水，自由水充斥顆粒間隙，在有效自重應(yīng)力的作用下，粗細(xì)顆粒發(fā)生分層離析——粗顆粒下沉，細(xì)顆粒上浮，這種分離嚴(yán)重影響了顆粒表面水化膜效應(yīng)，本質(zhì)上使得整個(gè)體系變成了分散系，自由水和細(xì)顆粒形成的漿液，性質(zhì)接近流態(tài)水的特征，而沉積部分則還原出飽和砂的性質(zhì)，使得體系的黏聚力大大降低，甚至消失。

從圖6可以明顯看出，砂漿濃度值越大，灘角越大，相應(yīng)的黏度值隨之增長，體系的物化性質(zhì)發(fā)生了根本性改變，漿體體系的物理性質(zhì)將由流體向軟塑體過渡，相應(yīng)的流淌特征和形態(tài)也隨即發(fā)生了改變。對于高濃度的砂漿，在流動現(xiàn)象上，近似于“分層鋪蓋”式流淌，如坡形線圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)的變化情況，在相同的物料配合和流速下，流距較小、坡度大，即后續(xù)砂漿的流淌是在前續(xù)砂漿的上部流淌，并逐步向流向推進(jìn)；而低濃度下的流淌現(xiàn)象則表現(xiàn)為“推移”式流淌，即后續(xù)砂漿是在前續(xù)砂漿的后部推動前續(xù)砂漿逐步朝著流向移動，直至這種“推移”作用力小于等于前端砂漿堆積體產(chǎn)生的阻力才發(fā)生豎向上的堆積，如坡形線圖5(c)、圖5(d)的變化情況，流淌前期漿體即達(dá)到較大的流距，然后不斷在下料點(diǎn)附近堆積、推移、擠密，這個(gè)過程伴隨著自由的滲出，因而，流距和坡度較之高濃度砂漿的情況要小很多。

圖5 尾砂漿流動過程中坡形線的變化

圖6 灘角與料漿濃度之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

對某礦細(xì)尾砂漿開展了流槽試驗(yàn)，并測試了不同濃度下的黏度系數(shù)、初始剪切屈服應(yīng)力和灘角，試驗(yàn)濃度為74.3%、71.7%、70.6%、67.8%、64.5%，相應(yīng)濃度的黏度由0.26 Pa·s至0.14 Pa·s遞減，相應(yīng)流淌灘角由5.66°至1.71°趨緩，分析其規(guī)律，主要有以下兩方面。

1) 高濃度砂漿自由水含量較少，其尾砂顆粒比表面積比較大，顆粒表面形成豐富的水化膜，水化膜之間的電化學(xué)作用使得漿體溶液表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏性和一定的可塑性，使其具備較高的黏度和較大的灘角；而低濃度料漿含有較多自由水，自由水充斥著顆粒間隙，受固體顆粒有效自重應(yīng)力的影響，料漿極易發(fā)生分層離析，整個(gè)體系分為上層流態(tài)和下層離散態(tài)，使得體系的黏聚力大大降低，甚至消失。

2) 高濃度的料漿，在流動現(xiàn)象上近似于“分層鋪蓋”的方式流淌，在相同的物料和流速下，漿體流距短且增長快；而低濃度下的砂漿，其流淌現(xiàn)象則表現(xiàn)為“推移式”流淌，漿體流距大且增長慢。