APAM對全尾似膏體及其管道輸送流變特性的影響

王石，張欽禮，王新民，肖崇春

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APAM對全尾似膏體及其管道輸送流變特性的影響

王石，張欽禮，王新民，肖崇春

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙， 410083)

為探究添加陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)前后，全尾似膏體漿料及其管道輸送的流變特性，構建考慮屈服應力、稠度系數(shù)和流變指數(shù)的屈服偽塑性體流變模型，并推導管道輸送的沿程阻力計算公式。以某鉛鋅銀礦質量分數(shù)為70%的全尾似膏體漿料為例，進行6組室內恒定剪切流變試驗，對比添加APAM前后漿料的切應力和表觀黏度的變化，并預測沿程阻力。研究結果表明：添加APAM后，漿料的平衡切應力和平衡表觀黏度均大于添加APAM前，且剪切速率越大，漿料的平衡切應力和平衡表觀黏度增加比例越?。惶砑覣PAM后，漿料的沿程阻力損失比添加APAM前多13.16%。

APAM；全尾似膏體；絮網(wǎng)結構；屈服偽塑性體；沿程阻力

隨著絮凝沉降和深錐濃度技術的迅速發(fā)展，細粒級尾砂的沉降和濃密問題得到了有效解決，高濃度全尾砂充填技術應運而生[1?2]。全尾似膏體充填作為新型充填技術繼承了一般水力充填漿料流動性能好、易于管道輸送的優(yōu)點，同時又兼具膏體充填濃度高、井下脫水少的優(yōu)勢，符合安全、環(huán)保和低能耗的無廢害開采新方向[3?4]。全尾似膏體與膏體相比，具有自流性好、較易離析的特點，2種漿料的流變特性不同，此外，添加絮凝劑后，全尾似膏體的內部結構發(fā)生變化進而會改變漿料流變性質[5]。然而，有關全尾似膏體漿料流變特性的研究尚比較欠缺，要保證使用全尾似膏體料漿充填的礦山實現(xiàn)安全連續(xù)充填，必須加強此方面內容的研究。近年來，越來越多的研究表明似膏體的流變特性，更接近偽塑性體，且具有明顯的剪切稀化的時變特性[6?7]。胡文達等[8]將屈服偽塑性流變模型運用在謙比西銅礦超細全尾漿料臨界濃度的確定上；PORNILLOS[9]發(fā)現(xiàn)高濃度鉛鋅尾漿料體的屈服應力和黏度隨剪切時間的增加而逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。然而，這些研究并未考慮添加絮凝劑的情況。有關絮凝劑與全尾漿料的關系，諸多國內外專家已進行了廣泛的研究。ESWARAIAH等[10]發(fā)現(xiàn)對于超細鐵礦漿料，陰離子型絮凝劑的絮凝效果遠好于陽離子型和非離子型；SELOMUYA等[11]利用光學顯微鏡和X線衍射，對絮團顆粒和沉淀層微觀結構進行了可視化研究；王勇等[12]分析了絮凝劑用量對尾礦濃密的影響機理，將絮凝劑添加量劃分為低、合適、高及超高4個區(qū)間。但是，這些研究并未從流變學角度思考絮凝劑對全尾漿料的影響。為此，本文作者在考慮屈服應力、稠度系數(shù)和流變指數(shù)三參數(shù)的屈服偽塑性體流變模型的基礎上，以添加APAM后漿料流變特性的變化為切入點，結合全尾似膏體管道輸送沿程阻力計算公式的推導，旨在獲取添加APAM前后漿料流變行為的信息，最終探明APAM對全尾似膏體及其管道輸送流變特性的影響程度。

1 基于絮網(wǎng)結構的屈服偽塑性體流變模型

1.1 高分子絮凝劑對絮網(wǎng)結構的影響

全尾似膏體漿料不添加高分子絮凝劑時，由于全尾漿料包含大量的細粒徑成分，單位體積內固體顆粒的表面積較大，相互作用較強，細顆粒尾砂極易在水中吸附異性離子，形成雙電子層的帶電顆粒，進而在表面電場的作用下互相吸引絮凝成團[13]。此時，絮凝機理為雙電層壓縮和電中和的共同作用[14]。實際上，用于采場充填的全尾似膏體漿料一般是添加高分子絮凝劑進行絮凝沉降后制成的漿料。高分子絮凝劑經(jīng)水解和縮聚反應后形成具有線性結構的高分子聚合物，分子鏈上的活性基團與膠體之間通過離子鍵、氫鍵和靜電引力等方式結合，以此通過架橋的方式將多個膠體粒子吸附在活性基團上，使顆粒逐漸變大形成絮 團[15]。此時，橋連作用對漿料內部結構的變化影響程度最大。雙電層壓縮、電中和及橋連3者復合作用形成的絮網(wǎng)結構比不添加高分子絮凝劑時，初始屈服應力更大，破壞所需外力更強，破壞與修復過程機理更復雜。

1.2 絮網(wǎng)結構動態(tài)變化的數(shù)學描述

絮網(wǎng)結構在受到機械攪拌等外力作用下時會不斷被拉伸、破壞，同時顆粒間的相互吸引及活性集團的吸附作用又導致絮網(wǎng)結構不斷被搭接、修復，表現(xiàn)出動態(tài)變化過程[16?17]。該過程的數(shù)學描述為

對式(1)兩邊積分可得到隨時間和剪切速率的變化規(guī)律

由式(3)可知，固定絮凝劑單耗、組成配比和質量濃度的全尾似膏體具有明顯的時變性：在一定的剪切速率條件下，隨著剪切時間的增加而逐漸減小，并最終趨于平衡值0。

1.3 全尾似膏體流變模型的構建

全尾似膏體的流變特性符合屈服偽塑形體[18]，該流變模型的表達式為

式中：為剪切應力，Pa；B為屈服應力，Pa；為稠度系數(shù)，Pa·s；為流變指數(shù)，漿料為偽塑性體，＜1，呈現(xiàn)剪切稀化狀態(tài)。

文獻[17]提出了B，及隨絮網(wǎng)結構變化的數(shù)學模型：

式中：0和0分別為漿料結構未被破壞時的屈服應力和流變指數(shù)；0為漿料結構完全破壞時的黏度；3為漿料絮網(wǎng)結構的黏度系數(shù)。將式(5)代入式(4)可得全尾似膏體流變的時變模型：

2 基于絮網(wǎng)結構的全尾似膏體管道輸送沿程阻力預測模型

2.1 全尾似膏體管道輸送的沿程阻力損失

全尾似膏體在外力的作用下，克服屈服應力，在管道內流動，管道與漿料間的相對運動是管壁切應力和沿程阻力損失產生的根本原因[19]。漿料流速越高，管壁與流體間剪切速率越大，對應的切應力和沿程阻力損失越高。文獻[20]進行了與時間無關的屈服偽塑性體平均速度的計算。

式中：為平均流速，m·s?1；為管徑，m；W為管壁處所受切應力，Pa。將式(7)化簡可得：

由文獻[17]可得W與管道沿程阻力損失0(Pa·m?1)的關系

將式(10)代入式(9)可得0的計算公式為

2.2 基于絮網(wǎng)結構的沿程阻力預測模型

全尾似膏體管輸過程中，由于輸送距離較長(數(shù)百米至數(shù)千米)，似膏體與管壁之間發(fā)生持續(xù)的剪切作用，B，及會隨絮網(wǎng)結構變化而變化，

式中：和為量綱一的參數(shù)。聯(lián)合式(11)~(14)，可得基于絮網(wǎng)結構的全尾似膏體管道輸送阻力預測模型

3 流變性能試驗

3.1 試驗材料

試驗用尾砂為某鉛鋅銀礦的全尾砂。該礦設計采用深錐濃密機將全尾砂漿絮凝沉降和活化造漿，制成質量分數(shù)為70%的似膏體(漿料密度為1.84 t/m3)，自流輸送至采場空區(qū)。管道內徑為160 mm，系統(tǒng)流量為100 m3/h。似膏體中全尾砂顆粒的粒徑組成見表1，尾砂中粒徑0.075 mm以下顆粒占69.1%，中值粒徑僅為0.049 mm，不均勻系數(shù)為12.7，屬于細粒級漿料。試驗中選用P.O.32.5水泥作為膠結劑。

表1 某鉛鋅銀全尾砂粒徑組成

3.2 漿料配制

經(jīng)試驗，單耗為20 g/t的相對分子質量為8×106的APAM對該礦全尾砂快速絮凝沉降具有良好的適配性。為對比分析添加高分子絮凝劑后絮網(wǎng)結構的變化對全尾似膏體漿料的流變特性影響程度，制備以下2種漿料。

1) 不添加高分子絮凝劑的漿料(記為漿料SJ-1)。將全尾砂、水泥及水按一定比例混合攪拌均勻，配置成質量分數(shù)為70%、灰砂比為1:6的全尾似膏體漿料。

2) 添加相對分子質量為8×106的APAM的漿料(記為漿料SJ-2)。工程中，用深錐濃密機對全尾漿料進行動態(tài)壓密，造出所需的高濃度漿料。為模擬該造漿過程，用動態(tài)濃密沉降試驗裝置制備漿料，造漿過程中加入單耗為20 g/t相對分子質量為8×106的APAM。造漿后，測出漿料的質量分數(shù)，據(jù)此質量分數(shù)反推似膏體漿料的水泥及水的添加量，配料后攪拌均勻，制成質量分數(shù)為70%、灰砂比為1:6的漿料。

3.3 試驗儀器

用動態(tài)濃密沉降試驗裝置配制漿料SJ-2，該裝置采用4個蠕動泵，分別用于泵送稀釋水、絮凝劑、尾礦礦樣進入濃密試驗裝置的給料系統(tǒng)，以及從試驗裝置底部泵出底流礦樣。

室內剪切試驗采用哈克VT550型旋轉流變儀。相對于傳統(tǒng)的旋轉黏度計，十字形轉子對樣品的絮網(wǎng)結構破壞較小，有效地克服了圓柱面的滑移效應，大大提高了測量的精度。

3.4 試驗過程

量取400 mL的漿料SJ-1和SJ-2分別盛入500 mL的燒杯。將2個燒杯依次放置于流變儀下，剪應力從0 Pa開始緩慢加載，至轉子開始轉動時的剪切應力即為屈服應力。根據(jù)該礦管道輸送的實際剪切速率，設定恒定剪切試驗的6組剪切速率分別為10，20，30，40，50和60 s?1，測定不同剪切速率下似膏體的表觀黏度和切應力的變化，測試時長600 s。

4 APAM對流變行為的影響分析

4.1 流變試驗結果及分析

由6組恒定剪切試驗結果可得漿料SJ-1和SJ-2的切應力變化與時間的關系，分別如圖1和圖2所示。

由6組恒定剪切試驗結果可得漿料SJ-1和SJ-2的表觀黏度變化與時間的關系，如圖3和圖4所示。

由圖1~4可知：不同剪切速率條件下，漿料SJ-1和SJ-2均表現(xiàn)出明顯的剪切稀化的時變特性，其切應力和表觀黏度均隨著剪切時間的增加而逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定值。以剪切速率為40 s?1為例，當剪切時間為0 s時，漿料SJ-2的切應力比漿料SJ-1的大23.21 Pa，漿料SJ-2的表觀黏度比漿料SJ-1的大1.30 Pa·s，當達到平衡狀態(tài)時，漿料SJ-2的切應力比漿料SJ-1的大13.68 Pa，漿料SJ-2的表觀黏度比漿料SJ-1的大0.62 Pa·s。其他剪切速率下亦有同樣的性質。由此可知，添加APAM后漿料形成的絮網(wǎng)結構更加穩(wěn)固，需更大的力才能將其破壞。

剪切速率/s?1：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

剪切速率/s?1：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

剪切速率/s?1：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

剪切速率/s?1：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

此外，當剪切速率為10 s?1時，經(jīng)過411 s漿料SJ-1的切應力達到平衡狀態(tài)的穩(wěn)定值127.1 Pa，當剪切速率增大到60 s?1時，僅需217 s漿料SJ-1即可達到穩(wěn)定值187.6 Pa，而剪切速率分別為10 s?1和60 s?1時，漿料SJ-1的表觀黏度達到平衡狀態(tài)的穩(wěn)定值分別為8.06 Pa·s和1.97 Pa·s。漿料SJ-2在不同剪切速率下的平衡時間與漿料SJ-1的大致相同。即剪切速率越大，漿料達到平衡狀態(tài)的時間越短，平衡切應力越大，平衡黏度越小。這是因為剪切速率越大，漿料所受外力攪拌作用越強，漿料內部絮網(wǎng)結構破壞越嚴重，剪切稀化的時變特性就越明顯。絮網(wǎng)結構會阻礙漿料的管道輸送，可在漿料輸送前加強攪拌，充分破壞絮網(wǎng)結構，降低漿料動力黏度，從而降低輸送的能耗損失，增強漿料輸送性能。

漿料SJ-1和SJ-2的平衡切應力及平衡表觀黏度與剪切速率的關系如圖5和圖6所示。

由圖5~6可得：不同剪切速率下，漿料SJ-2的平衡切應力及平衡表觀黏度均比漿料SJ-1的大。當剪切速率為10 s?1時，漿料SJ-2的平衡切應力和平衡表觀黏度分別比漿料SJ-1的大13.6%和27.7%，而當剪切速率為60 s?1時，漿料SJ-2的平衡切應力和平衡表觀黏度僅分別比漿料SJ-1的大6.5%和14.7%。即隨著剪切速率的增大，添加APAM漿料的平衡切應力和平衡表觀黏度值的增加幅度逐漸減小。這是因為當剪切速率較大時，絮網(wǎng)結構破壞程度加大，其碎片結構對切應力的影響程度變小。此外，在相同剪切速率下，添加APAM漿料的表觀黏度增大幅度大于切應力的增大幅度。

1—SJ-1；2—SJ-2。

1—SJ-1；2—SJ-2。

4.2 管道輸送阻力對比分析

漿料SJ-1和SJ-2在不同剪切速率下的試驗結果見表2。

將表2中試驗數(shù)據(jù)代入式(6)中，可得一個六元非線性方程組。采用非線性最小二乘法中的阻尼最小二乘法和線性回歸優(yōu)化[21]計算得各時變參數(shù)的最優(yōu)解

式中：1和2分別為試樣SJ-1和SJ-2的最優(yōu)解。

表2 流變性能試驗結果

根據(jù)該礦漿料的管道輸送實際情況，按式(18)計算系統(tǒng)流量為100 m3/h時漿料的流速，由式(19)計算對應的剪切速率，再結合式(12)~(14)計算各參數(shù)值，最后代入式(15)計算出隨時間變化的全尾似膏體管道輸送阻力。計算結果見表3。漿料SJ-1和SJ-2管道輸送阻力隨時間變化的特性見圖7。

由圖7可得：全尾似膏體管道輸送過程中的沿程阻力損失隨著輸送時間的增加而逐漸降低。SJ-2在管道輸送過程中，阻力損失最大值比SJ-1的大1.41 MPa/km，達到平衡狀態(tài)時，其沿程阻力損失比SJ-1的多13.16%。即添加APAM后，絮網(wǎng)結構的變化增加了漿料的屈服應力和黏度，進而增大了沿程阻力，從而增強了漿料的輸送難度。漿料SJ-1和SJ-2分別經(jīng)225 s和229 s即可達到穩(wěn)定的輸送狀態(tài)，當漿料輸送距離較長時，應以管道輸送的穩(wěn)定值計算沿程阻力損失。

表3 流變模型參數(shù)計算

1—SJ-1；2—SJ-2。

5 結論

1) 全尾似膏體漿料內添加絮凝劑后，由于橋連作用的影響，其內部絮網(wǎng)結構的動態(tài)變化特征比不添加絮凝劑更加復雜?？紤]屈服應力、稠度系數(shù)和流變指數(shù)的時變特性，將全尾似膏體漿料視為屈服偽塑性體構建流變模型，并推導沿程阻力損失公式。

2) 添加APAM前后，漿料均表現(xiàn)出相同的性質：剪切速率越大，漿料達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短，平衡切應力越大，平衡黏度越小。添加APAM后，漿料的平衡切應力和平衡表觀黏度均比添加APAM前的大，且剪切速率越大，漿料的平衡切應力和平衡表觀黏度增加比例越小在相同剪切速率下，表觀黏度增大幅度大于切應力。

3) 對添加APA前后漿料的管道輸送沿程阻力進行預測，當管道輸送達到平衡狀態(tài)時，添加APAM后漿料的沿程阻力損失比添加APAM前的多13.16%。

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(編輯 趙俊)

Influence of APAM on rheological properties of unclassified tailings paste-like and its pipeline transportation

WANG Shi, ZHANG Qinli, WANG Xinmin, XIAO Chongchun

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

To explore rheological properties of full tailings paste-like and its pipeline transportation before and after adding anionic polyacrylamide (APAM), the rheological model of yield pseudoplastic fluid was established. Three parameters were taken into consideration, including yield stress, consistency coefficient and rheological index. Calculations of the frictional drag of pipeline transportation were deduced. Take an unclassified tailings paste-like in a Pb-Zn-Ag mine as the sample, of which the mass fraction was 70%, six groups of constant shear rate rheological tests were implemented. The shear stress and apparent viscosity of slurry before and after adding APAM were compared, and frictional drag was deduced. The results show that when APAM is added, the stabilized shear stress and apparent viscosity are both higher than those before adding APAM. As the shear rate increases, additional proportions of stabilized shear stress and apparent viscosity of slurry decrease. When APAM is added, frictional drag loss of slurry is 13.16% more than that before APAM is added.

APAM; unclassified tailings paste-like; flocculent structure; yield pseudoplastic fluid; frictional drag

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.018

TD853

A

1672?7207(2017)12?3271?07

2016?12?02；

2017?03?08

國家科技支撐計劃項目(2013BAB02B05) (Project (2013BAB02B05) supported by the National Key Technology R&D Program)

王石，博士研究生，從事采礦工藝與充填技術研究；E-mail：stonersxx@126.com