高濃度尾砂漿流動規(guī)律試驗研究

李宗楠，郭利杰

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102628)

尾礦充填和尾礦庫堆存是目前處置礦山尾礦的兩種重要方式，不論是采用井下充填還是堆存處置，尾砂漿的流動性質(zhì)都是重要的研究課題。目前，國內(nèi)對尾礦流動性質(zhì)的測試主要基于流變儀測試結(jié)果，常用賓漢姆體流態(tài)來描述高濃度尾砂漿或充填料漿的流變特征，用于管道輸送的尾砂漿或充填料漿也常采用管道試驗以研究其流動規(guī)律[1-4]。國外學(xué)者在尾砂漿流動性能研究方面，除了國內(nèi)常用的研究方法和手段之外，常采用水槽試驗來研究尾砂漿的流動性質(zhì)[5-8]，水槽試驗可以直觀的對漿體的流態(tài)進(jìn)行判別和分析，尾砂漿流淌堆存后形成一個坡度，被稱為流淌灘角，灘角的大小反映了料漿的流動性質(zhì)，在尾礦排放堆存與尾礦庫設(shè)計過程中，灘角可以用于設(shè)計尾礦庫界線、庫容、尾礦庫壩體以及尾礦排放過程中的濃度等內(nèi)容，具有重要意義[4,8]。同時，灘角反映了尾砂漿的流動特性，能直觀地反映尾礦漿的可輸送性，在特定的尾砂級配、濃度等條件下，也是研究尾砂漿流動性能的重要參數(shù)和指標(biāo)，對礦山開展井下充填物料輸送同樣具有重要意義[9-10]。

1 水槽試驗內(nèi)容

1.1 尾砂漿制備

試驗采用墨西哥某礦旋流分級后的細(xì)尾砂進(jìn)行試驗，尾砂粒度采用激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑測試，根據(jù)測試結(jié)果繪制粒徑曲線如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑組成

粒度分布情況大致為37 μm以下56.7%，74 μm以下76.6%，屬于細(xì)粒級尾砂；表1為試驗用尾砂的主要物理性質(zhì)和元素組成。

由表1可知，測得試驗尾砂比重為3.08，堆積密度為1.541 g/cm3，孔隙率49.983%，尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，金屬元素以Ca、Fe、Al、Mg為主，有毒有害成分較低，可用于礦山充填、堆存處置等。

表1 尾砂基礎(chǔ)物理性質(zhì)和化學(xué)組成

1.2 試驗方法

1) 制漿(圖2)。采用含自由水的飽和尾砂漿與同種尾砂的干尾砂調(diào)配，并控制濃度范圍在60%～75%范圍，配制五組不同濃度尾砂漿，各組140 L，用于試驗的尾砂漿經(jīng)過充分?jǐn)嚢?，確保砂漿均勻，每組用于試驗的砂漿實驗前進(jìn)行濃度測定。

2) 流變參數(shù)測試。采用Brookfield R/S-CCT型流變儀分別測試用于試驗的料漿的流變參數(shù)，通過Bingham模型分析獲取砂漿的黏度系數(shù)和初始剪切屈服應(yīng)力[2-3]。

3) 試驗裝置。試驗主要采用有機(jī)玻璃材質(zhì)流槽，槽體尺寸(長×寬×高)100 cm×30 cm×20 cm。

4) 試驗方法。高濃度均值尾砂漿經(jīng)放砂口下放后，在流槽中沿著流槽攤開，控制下料速率8 L/min，料漿在流槽里緩慢流淌，試驗間隔一定時間(流距增加10～20 cm)測量流淌漿體表面坡度，方法為間隔一定距離(10 cm)測量流體深度，并據(jù)此繪制坡形線確定灘角[4-7]。

5) 主要指標(biāo)。通過試驗主要測試砂漿濃度、黏度、屈服應(yīng)力，并繪制流淌過程中的坡形線(及其不同時間的形狀變化)進(jìn)而計算灘角[2-7]。

圖2 測試過程

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 流變曲線

根據(jù)漿體的流態(tài)特征，流態(tài)模型可分為牛頓體、屈服偽塑性體和Bingham塑性體[3]。對于高濃度尾礦漿體，其流變特征可以用Bingham流體模型表征，即當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，漿體才能發(fā)生流動，具有塑性液體性質(zhì)，當(dāng)剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，漿體沒有流動性，表現(xiàn)為固體[3-5]。

采用Broofield R/S-CCT型流變儀，測試試驗室溫度20 ℃，測試時間0～100 s，采用Bingham模型描述體系的流變特性，其流變方程見下式[2,4]。

τ=τ0+ηbγ

式中：τ0為屈服應(yīng)力，Pa；ηb為塑性黏度系數(shù)，Pa·s。

塑性黏度ηb是漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動的一種性能，反映了漿體體系的變形速率。當(dāng)剪切應(yīng)力高于屈服應(yīng)力時，漿體流動同時它的流動阻力由塑性黏度決定，這兩個流變參數(shù)值的變化主要受漿體的組成和漿體體系內(nèi)的顆粒性質(zhì)的影響[6]。

試驗開展了5組濃度尾砂漿流淌試驗，分別為74.3%、71.7%、70.6%、67.8%和64.5%，通過試驗測量了各組砂漿的流變曲線，見圖3。

采用Bingham模型回歸流變參數(shù)，獲得黏度指標(biāo)和剪切應(yīng)力，見表2。

圖3 流變曲線

表2 流變參數(shù)

序號濃度/%黏滯系數(shù)/(Pa·s)屈服應(yīng)力/Pa174.300.265958.6967271.700.2195540.1989370.600.163725.784467.800.162713.772564.500.14291.2828

2.2 水槽實驗結(jié)果

1) 現(xiàn)象。測試過程中5組料漿整體均質(zhì)，試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象，隨濃度增加漿體保水能力增強(qiáng)，流淌過程中呈現(xiàn)“膏體”狀，無自由水泌出，流淌跡線明顯；較低濃度(如64.5%組)在流淌過程中，尾砂漿流淌速率快，迅速流向遠(yuǎn)端，“堆坡”不明顯，表面自由水跡清晰，且流淌前段有自由水泌出。圖4為各濃度組實驗過程中的現(xiàn)象。

圖4 試驗現(xiàn)象

2) 坡形線。試驗設(shè)計在流距40 cm后，流距每增加約20 cm測一次坡形線，具體為：從下料點始間隔10 cm測流動體厚度，根據(jù)測試結(jié)果繪制坡形線，可看出流動砂漿坡形的變化情況(圖5)。根據(jù)坡形線計算流淌坡度，結(jié)果見表3。

表3 灘角測試結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

測試結(jié)果表明：隨濃度增加，砂漿黏度由0.14 Pa·s增長至0.26 Pa·s，相應(yīng)流淌灘角由1.71°增長至5.66°；以濃度70%為界限，流淌性質(zhì)顯著差異，尾砂漿濃度大于70%時(濃度為71.7%和濃度74.3%兩組)，其黏度值、流動灘角較大，自由水含量較少，尾砂漿濃度小于70%時(濃度為67.8%和64.5%兩組)，流距遠(yuǎn)、灘角小、泌處自由水含量多。對其主要原因進(jìn)行分析：高濃度下自由水含量較少，在尾砂顆粒比表面積比較大的情況下，顆粒表面形成豐富的水化膜，水化膜之間的電化學(xué)作用使得漿體體系表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏性和一定的可塑性；而低濃度砂漿含有較多自由水，自由水充斥顆粒間隙，在有效自重應(yīng)力的作用下，粗細(xì)顆粒發(fā)生分層離析——粗顆粒下沉，細(xì)顆粒上浮，這種分離嚴(yán)重影響了顆粒表面水化膜效應(yīng)，本質(zhì)上使得整個體系變成了分散系，自由水和細(xì)顆粒形成的漿液，性質(zhì)接近流態(tài)水的特征，而沉積部分則還原出飽和砂的性質(zhì)，使得體系的黏聚力大大降低，甚至消失。

從圖6可以明顯看出，砂漿濃度值越大，灘角越大，相應(yīng)的黏度值隨之增長，體系的物化性質(zhì)發(fā)生了根本性改變，漿體體系的物理性質(zhì)將由流體向軟塑體過渡，相應(yīng)的流淌特征和形態(tài)也隨即發(fā)生了改變。對于高濃度的砂漿，在流動現(xiàn)象上，近似于“分層鋪蓋”式流淌，如坡形線圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)的變化情況，在相同的物料配合和流速下，流距較小、坡度大，即后續(xù)砂漿的流淌是在前續(xù)砂漿的上部流淌，并逐步向流向推進(jìn)；而低濃度下的流淌現(xiàn)象則表現(xiàn)為“推移”式流淌，即后續(xù)砂漿是在前續(xù)砂漿的后部推動前續(xù)砂漿逐步朝著流向移動，直至這種“推移”作用力小于等于前端砂漿堆積體產(chǎn)生的阻力才發(fā)生豎向上的堆積，如坡形線圖5(c)、圖5(d)的變化情況，流淌前期漿體即達(dá)到較大的流距，然后不斷在下料點附近堆積、推移、擠密，這個過程伴隨著自由的滲出，因而，流距和坡度較之高濃度砂漿的情況要小很多。

圖5 尾砂漿流動過程中坡形線的變化

圖6 灘角與料漿濃度之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

對某礦細(xì)尾砂漿開展了流槽試驗，并測試了不同濃度下的黏度系數(shù)、初始剪切屈服應(yīng)力和灘角，試驗濃度為74.3%、71.7%、70.6%、67.8%、64.5%，相應(yīng)濃度的黏度由0.26 Pa·s至0.14 Pa·s遞減，相應(yīng)流淌灘角由5.66°至1.71°趨緩，分析其規(guī)律，主要有以下兩方面。

1) 高濃度砂漿自由水含量較少，其尾砂顆粒比表面積比較大，顆粒表面形成豐富的水化膜，水化膜之間的電化學(xué)作用使得漿體溶液表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏性和一定的可塑性，使其具備較高的黏度和較大的灘角；而低濃度料漿含有較多自由水，自由水充斥著顆粒間隙，受固體顆粒有效自重應(yīng)力的影響，料漿極易發(fā)生分層離析，整個體系分為上層流態(tài)和下層離散態(tài)，使得體系的黏聚力大大降低，甚至消失。

2) 高濃度的料漿，在流動現(xiàn)象上近似于“分層鋪蓋”的方式流淌，在相同的物料和流速下，漿體流距短且增長快；而低濃度下的砂漿，其流淌現(xiàn)象則表現(xiàn)為“推移式”流淌，漿體流距大且增長慢。