劉志雙，郭利杰

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

隨著國(guó)家對(duì)于礦山安全生產(chǎn)要求的不斷提高、環(huán)保監(jiān)管的力度加強(qiáng)，充填采礦技術(shù)的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。充填料漿的管道輸送技術(shù)是充填采礦技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，決定了充填系統(tǒng)的可靠性。漿體流變特性是管道輸送環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研究，已有文獻(xiàn)[1-4]多側(cè)重于濃度、溫度等單因素對(duì)料漿流變性的影響研究，認(rèn)為當(dāng)漿體濃度和溫度超過(guò)一定值時(shí)，其對(duì)流變特性的影響變得顯著。該類研究?jī)H從漿體宏觀特性參數(shù)出發(fā)揭示其對(duì)流變特性的影響規(guī)律，對(duì)尾砂顆粒級(jí)配、濃度、溫度多因素耦合作用條件下漿體的流變特性變化規(guī)律研究不夠充分，表現(xiàn)為試驗(yàn)所用尾砂多來(lái)自同一礦山致所得結(jié)論缺乏橫向?qū)Ρ?，未同時(shí)從微觀組份和宏觀特性參數(shù)出發(fā)揭示各因素間的內(nèi)在耦合關(guān)系等。因此，開展多因素耦合條件下漿體流變特性研究，對(duì)于判斷惡劣氣候條件下高濃度全尾砂漿體輸送的可行性和可靠性具有重要的意義。

本文以三個(gè)不同礦山的全尾砂為試驗(yàn)材料，得到粒徑、質(zhì)量濃度、溫度三因素耦合作用條件下漿體流變性能變化規(guī)律，從微觀角度揭示了各因素對(duì)尾砂漿體流變特性的影響機(jī)理，獲得了漿體流變參數(shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的擬合方程，所得結(jié)論可為現(xiàn)場(chǎng)管道輸送的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)和理論支撐。

1 全尾砂流變參數(shù)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用HAAKE VT550型同軸圓筒旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)對(duì)全尾砂漿的流變參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其具有體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量迅速、讀數(shù)方便、適用范圍廣、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)[5-6]。該黏度計(jì)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子和外筒備有多種規(guī)格，可滿足較寬范圍的測(cè)量；其轉(zhuǎn)筒系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 圓筒式黏度計(jì)Fig.1 Cylindrical viscometer

圓筒黏度計(jì)由內(nèi)外兩個(gè)同軸筒組成，測(cè)試時(shí)，兩同軸筒間充滿了黏性流體，若內(nèi)筒以一定的角速度ω旋轉(zhuǎn)，外筒固定，則由于漿體具有黏性，圓筒旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)漿體運(yùn)動(dòng)。尾砂漿的流變參數(shù)與測(cè)量系統(tǒng)各參數(shù)間關(guān)系見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

1.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用全尾砂分別來(lái)自三個(gè)不同的礦山(A礦、B礦、C礦)，采用馬爾文激光粒度測(cè)試儀測(cè)得三種全尾砂的粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，A礦、B礦、C礦尾砂中粒徑在75 μm以下的累計(jì)占比分別約為84.5%、29.9%和90.9%，相對(duì)而言，B礦的粒徑較粗；采用比重瓶法，分別對(duì)三個(gè)礦山全尾砂的相對(duì)密度進(jìn)行測(cè)量。尾砂粒徑特征參數(shù)及相對(duì)密度測(cè)試結(jié)果見表1。

圖2 不同礦山的全尾砂粒度組成分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves ofunclassified tailings in different mines

表1 不同礦山的尾砂參數(shù)Table 1 Density of unclassified tailings in different mines

尾砂化學(xué)成分測(cè)試采用X射線衍射儀(X-Ray Diffraction)，其適用性很廣，擁有檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)[7]。測(cè)得三種不同全尾砂的礦物組分見表2。由表2可知，三種全尾砂中含量最高的礦物均為SiO2，其含量排序?yàn)镃礦>A礦>B礦；三種尾砂中均含硫化物，其中B礦尾砂中硫化物的含量最高。

表2 不同礦山的全尾砂主要化學(xué)成分Table 2 Mineral components of unclassified tailingsin different mines

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用A礦、B礦、C礦三個(gè)不同礦山的全尾砂，每種全尾砂選取3種不同溫度，每種溫度選取5種不同質(zhì)量濃度。為了更好地探究溫度對(duì)尾砂漿流變性的影響，本試驗(yàn)不加入膠凝材料。試驗(yàn)開始前需采用水浴法加熱尾砂漿，試驗(yàn)溫度以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)。考慮到工程實(shí)際中水溫、料漿輸送過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化、膠凝材料水化反應(yīng)熱及環(huán)境等因素對(duì)料漿溫度的可能影響程度，試驗(yàn)溫度設(shè)置范圍在14～36 ℃之間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

所得尾砂料漿的剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ按賓漢姆流變模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可得τ=ηγ+τ0形式的線性方程，則方程中的η為料漿的塑性黏度，τ0為料漿的屈服應(yīng)力。不同質(zhì)量濃度的漿體在不同溫度下的流變參數(shù)見表3。

將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尾砂漿在不同溫度條件下的屈服應(yīng)力和塑性黏度值，分類統(tǒng)計(jì)并繪制圖形如圖3所示。

由圖3可知，A礦、B礦、C礦尾砂漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度對(duì)其流變性的影響表現(xiàn)出類似的規(guī)律。以A礦為例，當(dāng)溫度為14.5 ℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由65%升到70%時(shí)，屈服應(yīng)力由15 Pa上升到87 Pa，塑性黏度由0.08 Pa·s增為0.52 Pa·s；當(dāng)溫度為23.8 ℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由66%升到73%時(shí)，屈服應(yīng)力由7 Pa上升到101 Pa，塑性黏度由0.10 Pa·s增為0.80 Pa·s；當(dāng)溫度為33.7 ℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由68%升到73%時(shí)，屈服應(yīng)力由12 Pa上升到83 Pa，塑性黏度由0.15 Pa·s增為0.71 Pa·s。屈服應(yīng)力分別增加了4.80倍、9.74倍和6.19倍，說(shuō)明隨著料漿溫度在試驗(yàn)選定范圍內(nèi)增加，其對(duì)屈服應(yīng)力的影響呈先增后減的趨勢(shì)，表明存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)屈服應(yīng)力的影響最為敏感的最適溫度；塑性黏度分別增加了5.39倍、5.38倍和3.97倍，說(shuō)明料漿溫度增加超過(guò)一定值后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)塑性黏度的影響效應(yīng)將減小。

表3 不同礦山的全尾砂漿在不同溫度下的流變參數(shù)Table 3 Rheological parameters of unclassified tailingsslurry in different mines in different temperatures

3 主要影響因素作用機(jī)理分析

3.1 粒徑對(duì)流變參數(shù)影響機(jī)理

尾砂的級(jí)配對(duì)其流變性及流動(dòng)性能影響較大，其中細(xì)粒級(jí)對(duì)保持尾砂料漿的均質(zhì)性尤為關(guān)鍵。細(xì)粒級(jí)對(duì)漿體屈服應(yīng)力的影響可歸結(jié)為對(duì)絮凝結(jié)構(gòu)的影響。漿體中細(xì)粒級(jí)越多，固相外包裹的結(jié)合水越多，顆粒越密集，固相間的相互作用越強(qiáng)，故屈服應(yīng)力越大；同時(shí)細(xì)粒級(jí)含量越多，絮凝作用越明顯，絮凝加強(qiáng)，形成具有一定剛度的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)越多。

細(xì)粒級(jí)對(duì)漿體黏度的影響可歸結(jié)為對(duì)自由水的影響。細(xì)顆粒水化后，雙電層以外的水以游離的形式存在，起流動(dòng)介質(zhì)作用。漿體的黏度和流動(dòng)性與自由水的含量密切相關(guān)，自由水的量增加，導(dǎo)致固相顆粒間孔隙率增大，漿體黏度越小，流動(dòng)性越好[8-9]。細(xì)顆粒達(dá)到一定含量時(shí)，其絮凝作用加強(qiáng)，絮凝團(tuán)之間相互連接，可使相當(dāng)一部分自由水在絮團(tuán)內(nèi)變?yōu)榉忾]水，隨絮團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)，使自由水進(jìn)一步減少，故同樣濃度條件下，含黏性細(xì)粒級(jí)的漿體比無(wú)黏性細(xì)粒級(jí)漿體的黏度高。

3.2 溫度對(duì)流變參數(shù)影響機(jī)理

漿體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)部固相顆粒將受到包括靜電力、流體力、慣性力、范德華力及液橋力等多種力的作用。當(dāng)顆粒半徑較小時(shí)，其所受流體力的影響越大；細(xì)顆粒間的接觸和碰撞及其宏觀運(yùn)動(dòng)等方面與粗顆粒的上述方面表現(xiàn)出顯著差異，這主要是因?yàn)榉兜氯A力的存在[10]。固相顆粒間的范德華力屬于近程力，其主導(dǎo)了顆粒與其他顆粒所形成的絮團(tuán)間的作用，從而影響兩者間的黏附強(qiáng)度；該力在兩者距離較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)表現(xiàn)得比較微弱，但料漿內(nèi)的布朗運(yùn)動(dòng)將隨著溫度的升高而加劇，當(dāng)劇烈到一定程度時(shí)，便可掙脫范德華力及靜電力對(duì)兩者的約束，其宏觀表現(xiàn)為料漿變得更易流動(dòng)，屈服應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。

充填料漿之所以能保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是因其高濃度料漿內(nèi)存有大量的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)在溫度升高時(shí)由于布朗運(yùn)動(dòng)的加劇發(fā)生破壞并釋放出自由水。自由水的增多將使料漿更易流動(dòng)，但屈服應(yīng)力及塑性黏度會(huì)隨之減小，這是因?yàn)樽杂伤畼?gòu)成了料漿內(nèi)部運(yùn)移通道，其具有促使通道從閉合孔狀態(tài)向半閉合及全開狀態(tài)轉(zhuǎn)化的功能[11]。溫度升高后，料漿的流動(dòng)性將有所增強(qiáng)，因?yàn)樵械淖杂赏ǖ罃?shù)量隨之增加，各通道間互相聯(lián)通從而構(gòu)成自由運(yùn)移網(wǎng)絡(luò)，這一過(guò)程將使料漿內(nèi)部由絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為液網(wǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)料漿中液網(wǎng)結(jié)構(gòu)的含量足夠多時(shí)，料漿的屈服應(yīng)力及塑性黏度會(huì)進(jìn)一步減小，因?yàn)榇藸顟B(tài)下固相顆粒和絮團(tuán)結(jié)構(gòu)向前運(yùn)移時(shí)相比之前更加規(guī)則有序。

3.3 濃度對(duì)流變參數(shù)影響機(jī)理

濃度對(duì)尾砂料漿流變參數(shù)的影響可歸結(jié)為對(duì)自由水及固相間相互作用的影響[12]。濃度增加，固相數(shù)量增加，自由水減少，漿體黏度增加致流動(dòng)性變差；濃度增加，固相間距減小，固相間作用的幾率增大導(dǎo)致增加了內(nèi)摩擦，且當(dāng)固相間距小于某一臨界區(qū)間時(shí)，固相間易形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可抵抗一定大小的外力作用，使?jié){體變得濃稠膠黏，更難于流動(dòng)。

4 結(jié)果分析

由圖3可知，對(duì)于同一礦山尾礦漿體，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，屈服應(yīng)力隨溫度升高而降低，且漿體濃度越高，屈服應(yīng)力的下降值越大；相同溫度條件下，屈服應(yīng)力隨質(zhì)量濃度的增加而升高，且漿體溫度越低，屈服應(yīng)力增加值越大；濃度與溫度對(duì)漿體的塑性黏度的影響與屈服應(yīng)力類似。

結(jié)合三個(gè)礦山尾砂的粒徑分布分析可知，粒徑對(duì)漿體屈服應(yīng)力的影響比其對(duì)塑性黏度的影響顯著；C礦尾砂粒徑在75 μm以下占比約90.9%，35 μm以下占比約39%，其流變特性說(shuō)明，保持合理的粒徑級(jí)配可使?jié){體的濃度、塑性黏度、屈服應(yīng)力間內(nèi)在平衡，同時(shí)具有較好流動(dòng)性、充入采場(chǎng)后脫水少的特點(diǎn)。以A礦為例，濃度超過(guò)68%時(shí)，溫度對(duì)漿體流變性的影響才較為明顯，且當(dāng)溫度超過(guò)23.8 ℃后，這種影響明顯減??；A礦和C礦、A礦和B礦的屈服應(yīng)力曲線說(shuō)明，溫度對(duì)屈服應(yīng)力的影響較粒徑不顯著。

粒徑、溫度和濃度對(duì)漿體的流變性均有影響，且各因素存在耦合關(guān)系；A礦和C礦尾砂漿的質(zhì)量濃度高于71%、B礦尾砂漿質(zhì)量濃度高于68%時(shí)，溫度和濃度耦合作用明顯，料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度均明顯上升。

對(duì)圖3中漿體的屈服應(yīng)力τ0、塑性黏度μB分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)w按指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，所得擬合方程見式(4)和式(5)。

τ0=Aeaw

(4)

μB=Bebw

(5)

式中：w為尾砂料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；A、a為屈服應(yīng)力公式擬合參數(shù)；B、b為塑性黏度公式擬合參數(shù)。

擬合結(jié)果及對(duì)應(yīng)擬合優(yōu)度見表4。由表4可知，指數(shù)函數(shù)能較好地反映尾砂料漿的屈服應(yīng)力、塑性黏度與質(zhì)量濃度的變化關(guān)系，其中，屈服應(yīng)力的擬合優(yōu)度R2均大于0.97，塑性黏度的擬合優(yōu)度均大于0.95，說(shuō)明兩者的擬合效果均比較好。因而，可利用該擬合曲線方程在實(shí)際生產(chǎn)中快速的預(yù)測(cè)尾砂漿的流變參數(shù)。

表4 尾砂料漿流變參數(shù)擬合方程系數(shù)及擬合優(yōu)度Table 4 Coefficient and goodness of fit of rheological parameters

5 結(jié) 論

1) 同一礦山尾礦漿體，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，屈服應(yīng)力隨溫度升高而降低，且漿體濃度越高，屈服應(yīng)力下降值越大；相同溫度條件下，屈服應(yīng)力隨濃度增加而升高，且漿體溫度越低，屈服應(yīng)力增加值越大。

2) 溫度對(duì)料漿屈服應(yīng)力、塑性黏度的影響在超過(guò)一定臨界濃度時(shí)才明顯，此臨界濃度值隨漿體中尾砂粒度分布而變化，但當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，此影響減??；粒度對(duì)屈服應(yīng)力的影響較溫度顯著。

3) 濃度對(duì)料漿流變性的影響最為顯著，其對(duì)漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響均可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，且擬合優(yōu)度均在0.95以上。

4) 漿體的流變性與3個(gè)因素之間存在顯著的非線性相關(guān)性，質(zhì)量濃度、粒度分布和溫度3因素中兩兩之間均存在一定的耦合作用。