多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体流变性能研究

刘志双，郭利杰

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

随着国家对于矿山安全生产要求的不断提高、环保监管的力度加强，充填采矿技术的优势日益凸显。充填料浆的管道输送技术是充填采矿技术顺利实现的核心环节，决定了充填系统的可靠性。浆体流变特性是管道输送环节的基础研究，已有文献[1-4]多侧重于浓度、温度等单因素对料浆流变性的影响研究，认为当浆体浓度和温度超过一定值时，其对流变特性的影响变得显著。该类研究仅从浆体宏观特性参数出发揭示其对流变特性的影响规律，对尾砂颗粒级配、浓度、温度多因素耦合作用条件下浆体的流变特性变化规律研究不够充分，表现为试验所用尾砂多来自同一矿山致所得结论缺乏横向对比，未同时从微观组份和宏观特性参数出发揭示各因素间的内在耦合关系等。因此，开展多因素耦合条件下浆体流变特性研究，对于判断恶劣气候条件下高浓度全尾砂浆体输送的可行性和可靠性具有重要的意义。

本文以三个不同矿山的全尾砂为试验材料，得到粒径、质量浓度、温度三因素耦合作用条件下浆体流变性能变化规律，从微观角度揭示了各因素对尾砂浆体流变特性的影响机理，获得了浆体流变参数与质量分数间的拟合方程，所得结论可为现场管道输送的设计优化提供依据和理论支撑。

1 全尾砂流变参数试验

1.1 试验仪器

本试验采用HAAKE VT550型同轴圆筒旋转式黏度计对全尾砂浆的流变参数进行测量，其具有体积小、重量轻、操作简单、测量迅速、读数方便、适用范围广、结果准确等特点[5-6]。该黏度计的转速、转子和外筒备有多种规格，可满足较宽范围的测量；其转筒系统如图1所示。

图1 圆筒式黏度计Fig.1 Cylindrical viscometer

圆筒黏度计由内外两个同轴筒组成，测试时，两同轴筒间充满了黏性流体，若内筒以一定的角速度ω旋转，外筒固定，则由于浆体具有黏性，圆筒旋转时将带动浆体运动。尾砂浆的流变参数与测量系统各参数间关系见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

1.2 试验原料

试验所用全尾砂分别来自三个不同的矿山(A矿、B矿、C矿)，采用马尔文激光粒度测试仪测得三种全尾砂的粒径分布如图2所示。由图2可知，A矿、B矿、C矿尾砂中粒径在75 μm以下的累计占比分别约为84.5%、29.9%和90.9%，相对而言，B矿的粒径较粗；采用比重瓶法，分别对三个矿山全尾砂的相对密度进行测量。尾砂粒径特征参数及相对密度测试结果见表1。

图2 不同矿山的全尾砂粒度组成分布曲线Fig.2 Particle size distribution curves ofunclassified tailings in different mines

表1 不同矿山的尾砂参数Table 1 Density of unclassified tailings in different mines

尾砂化学成分测试采用X射线衍射仪(X-Ray Diffraction)，其适用性很广，拥有检测快速、操作简单、数据处理方便等优点[7]。测得三种不同全尾砂的矿物组分见表2。由表2可知，三种全尾砂中含量最高的矿物均为SiO2，其含量排序为C矿>A矿>B矿；三种尾砂中均含硫化物，其中B矿尾砂中硫化物的含量最高。

表2 不同矿山的全尾砂主要化学成分Table 2 Mineral components of unclassified tailingsin different mines

1.3 试验方案

本试验采用A矿、B矿、C矿三个不同矿山的全尾砂，每种全尾砂选取3种不同温度，每种温度选取5种不同质量浓度。为了更好地探究温度对尾砂浆流变性的影响，本试验不加入胶凝材料。试验开始前需采用水浴法加热尾砂浆，试验温度以实际测量为准。考虑到工程实际中水温、料浆输送过程中能量转化、胶凝材料水化反应热及环境等因素对料浆温度的可能影响程度，试验温度设置范围在14～36 ℃之间。

2 试验结果与讨论

所得尾砂料浆的剪切应力τ与剪切速率γ按宾汉姆流变模型进行数据拟合可得τ=ηγ+τ0形式的线性方程，则方程中的η为料浆的塑性黏度，τ0为料浆的屈服应力。不同质量浓度的浆体在不同温度下的流变参数见表3。

将不同质量分数的尾砂浆在不同温度条件下的屈服应力和塑性黏度值，分类统计并绘制图形如图3所示。

由图3可知，A矿、B矿、C矿尾砂浆的质量分数与温度对其流变性的影响表现出类似的规律。以A矿为例，当温度为14.5 ℃，质量分数由65%升到70%时，屈服应力由15 Pa上升到87 Pa，塑性黏度由0.08 Pa·s增为0.52 Pa·s；当温度为23.8 ℃，质量分数由66%升到73%时，屈服应力由7 Pa上升到101 Pa，塑性黏度由0.10 Pa·s增为0.80 Pa·s；当温度为33.7 ℃，质量分数由68%升到73%时，屈服应力由12 Pa上升到83 Pa，塑性黏度由0.15 Pa·s增为0.71 Pa·s。屈服应力分别增加了4.80倍、9.74倍和6.19倍，说明随着料浆温度在试验选定范围内增加，其对屈服应力的影响呈先增后减的趋势，表明存在质量分数对屈服应力的影响最为敏感的最适温度；塑性黏度分别增加了5.39倍、5.38倍和3.97倍，说明料浆温度增加超过一定值后，质量分数对塑性黏度的影响效应将减小。

表3 不同矿山的全尾砂浆在不同温度下的流变参数Table 3 Rheological parameters of unclassified tailingsslurry in different mines in different temperatures

3 主要影响因素作用机理分析

3.1 粒径对流变参数影响机理

尾砂的级配对其流变性及流动性能影响较大，其中细粒级对保持尾砂料浆的均质性尤为关键。细粒级对浆体屈服应力的影响可归结为对絮凝结构的影响。浆体中细粒级越多，固相外包裹的结合水越多，颗粒越密集，固相间的相互作用越强，故屈服应力越大；同时细粒级含量越多，絮凝作用越明显，絮凝加强，形成具有一定刚度的絮网结构越多。

细粒级对浆体黏度的影响可归结为对自由水的影响。细颗粒水化后，双电层以外的水以游离的形式存在，起流动介质作用。浆体的黏度和流动性与自由水的含量密切相关，自由水的量增加，导致固相颗粒间孔隙率增大，浆体黏度越小，流动性越好[8-9]。细颗粒达到一定含量时，其絮凝作用加强，絮凝团之间相互连接，可使相当一部分自由水在絮团内变为封闭水，随絮团一起运动，使自由水进一步减少，故同样浓度条件下，含黏性细粒级的浆体比无黏性细粒级浆体的黏度高。

3.2 温度对流变参数影响机理

浆体运动过程中，内部固相颗粒将受到包括静电力、流体力、惯性力、范德华力及液桥力等多种力的作用。当颗粒半径较小时，其所受流体力的影响越大；细颗粒间的接触和碰撞及其宏观运动等方面与粗颗粒的上述方面表现出显著差异，这主要是因为范德华力的存在[10]。固相颗粒间的范德华力属于近程力，其主导了颗粒与其他颗粒所形成的絮团间的作用，从而影响两者间的黏附强度；该力在两者距离较远时会表现得比较微弱，但料浆内的布朗运动将随着温度的升高而加剧，当剧烈到一定程度时，便可挣脱范德华力及静电力对两者的约束，其宏观表现为料浆变得更易流动，屈服应力呈减小趋势。

充填料浆之所以能保持相对稳定的结构，是因其高浓度料浆内存有大量的絮网结构，该结构会在温度升高时由于布朗运动的加剧发生破坏并释放出自由水。自由水的增多将使料浆更易流动，但屈服应力及塑性黏度会随之减小，这是因为自由水构成了料浆内部运移通道，其具有促使通道从闭合孔状态向半闭合及全开状态转化的功能[11]。温度升高后，料浆的流动性将有所增强，因为原有的自由通道数量随之增加，各通道间互相联通从而构成自由运移网络，这一过程将使料浆内部由絮网结构转化为液网结构。当料浆中液网结构的含量足够多时，料浆的屈服应力及塑性黏度会进一步减小，因为此状态下固相颗粒和絮团结构向前运移时相比之前更加规则有序。

3.3 浓度对流变参数影响机理

浓度对尾砂料浆流变参数的影响可归结为对自由水及固相间相互作用的影响[12]。浓度增加，固相数量增加，自由水减少，浆体黏度增加致流动性变差；浓度增加，固相间距减小，固相间作用的几率增大导致增加了内摩擦，且当固相间距小于某一临界区间时，固相间易形成絮网结构，可抵抗一定大小的外力作用，使浆体变得浓稠胶黏，更难于流动。

4 结果分析

由图3可知，对于同一矿山尾矿浆体，相同质量分数条件下，屈服应力随温度升高而降低，且浆体浓度越高，屈服应力的下降值越大；相同温度条件下，屈服应力随质量浓度的增加而升高，且浆体温度越低，屈服应力增加值越大；浓度与温度对浆体的塑性黏度的影响与屈服应力类似。

结合三个矿山尾砂的粒径分布分析可知，粒径对浆体屈服应力的影响比其对塑性黏度的影响显著；C矿尾砂粒径在75 μm以下占比约90.9%，35 μm以下占比约39%，其流变特性说明，保持合理的粒径级配可使浆体的浓度、塑性黏度、屈服应力间内在平衡，同时具有较好流动性、充入采场后脱水少的特点。以A矿为例，浓度超过68%时，温度对浆体流变性的影响才较为明显，且当温度超过23.8 ℃后，这种影响明显减小；A矿和C矿、A矿和B矿的屈服应力曲线说明，温度对屈服应力的影响较粒径不显著。

粒径、温度和浓度对浆体的流变性均有影响，且各因素存在耦合关系；A矿和C矿尾砂浆的质量浓度高于71%、B矿尾砂浆质量浓度高于68%时，温度和浓度耦合作用明显，料浆的屈服应力和塑性黏度均明显上升。

对图3中浆体的屈服应力τ0、塑性黏度μB分别与质量分数w按指数函数关系进行拟合，所得拟合方程见式(4)和式(5)。

τ0=Aeaw

(4)

μB=Bebw

(5)

式中：w为尾砂料浆的质量分数，%；A、a为屈服应力公式拟合参数；B、b为塑性黏度公式拟合参数。

拟合结果及对应拟合优度见表4。由表4可知，指数函数能较好地反映尾砂料浆的屈服应力、塑性黏度与质量浓度的变化关系，其中，屈服应力的拟合优度R2均大于0.97，塑性黏度的拟合优度均大于0.95，说明两者的拟合效果均比较好。因而，可利用该拟合曲线方程在实际生产中快速的预测尾砂浆的流变参数。

表4 尾砂料浆流变参数拟合方程系数及拟合优度Table 4 Coefficient and goodness of fit of rheological parameters

5 结 论

1) 同一矿山尾矿浆体，相同质量分数条件下，屈服应力随温度升高而降低，且浆体浓度越高，屈服应力下降值越大；相同温度条件下，屈服应力随浓度增加而升高，且浆体温度越低，屈服应力增加值越大。

2) 温度对料浆屈服应力、塑性黏度的影响在超过一定临界浓度时才明显，此临界浓度值随浆体中尾砂粒度分布而变化，但当温度超过一定值时，此影响减小；粒度对屈服应力的影响较温度显著。

3) 浓度对料浆流变性的影响最为显著，其对浆体屈服应力和塑性黏度的影响均可用指数函数进行描述，且拟合优度均在0.95以上。

4) 浆体的流变性与3个因素之间存在显著的非线性相关性，质量浓度、粒度分布和温度3因素中两两之间均存在一定的耦合作用。