基于全尾砂級配的膏體新定義

王洪江，李輝，吳愛祥，劉斯忠，王恒

（北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083）

基于全尾砂級配的膏體新定義

王洪江，李輝，吳愛祥，劉斯忠，王恒

（北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，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用性的膏體新定義。運用八因素十水平均勻設計方案研究不同尾砂粒級組成對漿體泌水率的影響。研究結果表明：當全尾砂顆粒半徑超過70 μm時，顆?；静痪哂斜Ｋ阅?；粒度為20～98 μm的尾砂顆粒對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

自膏體充填技術誕生以來，由于其良好的經(jīng)濟和環(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；充填質量高，充填體強度增長迅速，成本低，效率高，是充填技術發(fā)展的主要方向[2?4]。但國內(nèi)外盡管對于膏體的定義進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：當料漿中顆粒粒徑＜20 μm的尾砂質量分數(shù)為15%～20%[5]，且當屈服應力大于（200±25） Pa[6]時，可以視為膏體。但各礦山全尾砂顆粒級配千差萬別，顆粒含量也各不相同，同時，對于料漿屈服應力的檢測受到檢測儀器和手段的限制，無法準確得到料漿的屈服應力。國內(nèi)通常采用料漿質量濃度、塌落度和分層度來界定膏體。對全尾砂而言，固體質量分數(shù)為70%～75%的為高濃度充填料，固體質量分數(shù)為76%～82%的為膏體充填料[7]；對全尾砂膏體，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配的差異及尾砂自身物理性質的不同，膏體的質量濃度及塌落度、分層度差異較大。因此，如何根據(jù)各礦山尾砂的特性，對膏體進行定量描述，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中泌水率的概念，運用八因素十水平均勻設計方案測定不同粒級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尾砂對漿體泌水性能的影響，進而根據(jù)膏體管道輸送潤滑層理論，當漿體泌水率為1.5%時（膏體狀態(tài)），分析不同粒級組成的全尾砂顆粒與膏體體積分數(shù)的關系，從粒級組成的角度對膏體進行了定義。從而解決因不同礦山尾砂差異帶來膏體無法界定的問題，并提出相應的定量分析公式和理論依據(jù)。

1 試驗原材料

測定全尾砂基本物理性質，主要包括全尾砂力學性能參數(shù)測試和全尾砂粒級組成分析。測定結果見表1和2。

由表1和表2可知，該礦山全尾砂粒徑＜74 μm累計質量分數(shù)達到61.90%，粒徑＜20 μm以下累計質量分數(shù)達到37.20%，表明其全尾砂粒度較小，但不屬于細粒尾砂[8]。采用土力學中對物料級配合理性評價參數(shù)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc對全尾砂級配進行評價，得到Cu=20.67，Cc=0.59。級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，即全尾砂級配不良。

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

表2 全尾砂粒級組成（質量分數(shù)）Table 2 Grade composition of tailings %

2 試驗方法

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

隨著選礦工藝的提高，礦石的磨礦細度越來越細，現(xiàn)參考不同金屬礦山全尾砂粒級組成設計不同粒級尾砂的不同摻比，利用八因素十水平的均勻設計方案配制漿體，漿體的質量分數(shù)為74%，漿體攪拌均勻（2 min）后裝入試驗模具中，測定漿體的泌水率。試驗方案及各粒級尾砂摻比見表3和表4。

表3 泌水率試驗測試方案Table 3 Scheme of bleeding rate test

表4 歸一化處理Table 4 Normalized processing results

3 試驗原理

3.1 泌水率

泌水率反映了漿體的析水性能，實際上也是漿體的保水性能。用量杯盛入一定量的漿體，測其漿體質量，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，測定在60 min內(nèi)漿體泌出的清水質量。泌水率P的計算公式如下：

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

3.2 體積分數(shù)

漿體的體積分數(shù)計算公式如下：

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

4 結果及分析

依據(jù)歸一化后八因素十水平的均勻設計方案，參照泌水率的測定方法測定不同全尾砂粒級組成情況下料漿的泌水率，測試結果見表5。

4.1 粒級組成對泌水率的影響

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吸附綜合作用的結果。研究表明[9?11]：顆粒物粒度越細，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，絡合吸附位也越多。

表5 泌水率試驗結果Table 5 Experiment results of bleeding rate

對于攪拌均勻的漿體，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，對于漿體中的固體顆粒來講，其表面由于受到物理和化學吸附作用，表面被一層吸附水膜覆蓋。假設顆粒平均半徑為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)土力學中飽和土的水膜厚度[12]

式中：α為表面張力系數(shù)，對于穩(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的關系見圖1。

圖1 吸附水量與顆粒半徑關系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；當顆粒半徑達到70 μm，其吸附水量基本為0 g，即顆粒直徑超過140 μm時，基本不具有保水性。

利用DPS軟件對不同粒級組成料漿的泌水率進行回歸，最終回歸方程如下：

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

對回歸方程進行方差分析，分析結果見表6。

表6 方差分析結果Table 6 Variance analysis results

漿體泌水率回歸方程的復相關系數(shù)R2=0.999 9，根據(jù)方差分析結果，回歸方程顯著。從回歸方程看，盡管所有級配尾砂顆粒對漿體的泌水率均有貢獻，但20～98 μm尾砂顆粒對漿體的泌水率影響最大，這與顆粒直徑超過140 μm時，顆?；静痪哂斜Ｋ缘囊?guī)律基本一致。

4.2 粒級組成對膏體體積分數(shù)的影響

理論上認為膏體的泌水率為0，為了降低膏體管道輸送阻力，需要在輸送時在管壁附近產(chǎn)生一個潤滑層。該潤滑層以水為主，表現(xiàn)為一層水膜，其流動速度基本為0 m/s。膏體管道輸送呈現(xiàn)柱塞流，假設膏體柱芯半徑為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密度。

該礦山深錐濃密機底流膏體物料質量分數(shù)為76%～78%，管道半徑R=0.15m，膏體物料相對密度為2.72，則泌水率M與膏體管道輸送潤滑層h的關系如圖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合粗糙度的3倍。統(tǒng)計資料顯示[13?14]：管道內(nèi)表面粗糙度為30～100 μm，即水膜厚度為90～300 μm，全尾砂膏體質量分數(shù)70%～82%，全尾砂相對密度為2.50～2.80，計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%，且膏體質量分數(shù)越大，泌水率越大。為保證膏體具有良好的輸送性能，形成膏體輸送時完整潤滑層，將膏將體的泌水率控制在1.5%。均勻設計配制的不同顆粒級配含量漿體的膏體質量分數(shù)，見表7。

利用design-expert軟件對膏體體積分數(shù)的尾砂全粒級組成進行回歸，回歸結果顯示：尾砂中粒度為20～98 μm顆粒對膏體體積分數(shù)影響較大，回歸顯著；粒度為98～450 μm顆?；緦Ω囿w體積分數(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尾砂顆粒對膏體體積分數(shù)進行回歸，最終回歸方程如下：

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

表7 漿體濃度計算表Table 7 Slurry concentration calculation sheet

對回歸方程進行方差分析，分析結果見表8。

膏體體積分數(shù)回歸方程的復相關系數(shù)R2= 0.958 5，根據(jù)方差分析結果看，回歸方程顯著。且各粒級組成對膏體體積分數(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尾砂顆粒對膏體的體積分數(shù)影響最大，即對膏體性能起著至關重要的作用。

根據(jù)該礦粒度為20～37 μm，＜20 μm，61～74 μm，74～98 μm，37～61 μm的顆粒質量分數(shù)計算得到其膏體的體積分數(shù)為56.13%。現(xiàn)場深錐濃密機的放料底流最大質量分數(shù)為78%，換算為體積分數(shù)為56.59%?？芍碚撚嬎阒蹬c實際膏體體積分數(shù)最大值相差僅0.46%，即與現(xiàn)場實際情況較吻合。

表8 方差分析結果Table 8 Variance analysis results

4.3 基于尾砂粒級的膏體新定義

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

考慮全尾砂98～450 μm粒級顆粒對膏體體積分數(shù)的影響以及理論計算的偏差，對膏體體積分數(shù)進行修正，修正系數(shù)為λ，則基于尾砂粒級組成的膏體體積分數(shù)定義如下：

由分析結果可知，當粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質量分數(shù)較大時，膏體體積分數(shù)較低，則λ越小?，F(xiàn)以該礦山全尾砂膏體體積分數(shù)為標準參考值，則λ=1.0，此時粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質量分數(shù)為50%。即當粒度為20～37 μm尾砂顆粒質量分數(shù)超過50%時，λ＜1.0；當粒度＜20 μm和20～37 μm尾砂顆粒質量分數(shù)小于50%時，λ＞1.0。

參考式（9），結合全尾砂磨礦細度推算，膏體的體積分數(shù)為45%～60%，即λ=0.802～1.068。但λ的具體取值還應該根據(jù)大量的有關全尾砂粒級與膏體體積分數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到。得到λ準確統(tǒng)計值后，可根據(jù)全尾砂粒級組成計算得到該全尾砂達到膏體狀態(tài)時的體積分數(shù)。

5 結論

（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，當顆粒直徑超過140 μm時，顆?；静痪哂斜Ｋ?。

（2） 對不同級配尾砂漿體泌水率進行回歸分析得到，全尾砂顆粒粒度為20～98 μm對漿體的泌水率影響最大，這與顆粒粒度超過140 μm時，顆粒基本不具有保水性的規(guī)律基本一致。

（3） 當膏體的泌水率為1.5%時，對不同級配尾砂膏體體積分數(shù)進行回歸分析得到，全尾砂顆粒粒度為20～98 μm時對膏體體積分數(shù)影響最大，尤其是20～37 μm尾砂顆粒；98～450 μm顆?；緦Ω囿w體積分數(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） 以膏體體積分數(shù)為基礎提出了基于不同尾砂級配的膏體新定義，從體積分數(shù)的角度對不同全尾砂所能配制的膏體進行了量化，但膏體體積分數(shù)的修正系數(shù)λ仍需大量統(tǒng)計資料得到。

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（編輯 趙俊）

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

國家自然科學基金重點資助項目（50934002，51374034）；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目（IRT0950）

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