顆粒粒級分布對某尾砂漿流變特性的影響*

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)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(yùn)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(shí)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(yàn)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(yàn)原料與儀器

試驗(yàn)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(yàn)。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(yàn)溫度為室溫(25 ℃)。

試驗(yàn)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(jì)

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(diǎn)，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(jì)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)測定的時間間隔選取1 s[3]。

試驗(yàn)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。控制其濃度為75%，進(jìn)行共計(jì)30組尾砂漿流變特性測定試驗(yàn)。

(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(jì)30個點(diǎn)，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(yàn)

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?yàn)?，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?yàn)槲采皾{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(diǎn)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(yàn)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(yàn)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?yàn)槠浼?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(jià)值的金剛石原生礦以來，臨沂市已累計(jì)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(xiàng)目(編號：51504256);煤炭資源與安全開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與全國大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)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。