基于環(huán)管實驗的膏體流變特性及影響因素

王少勇，吳愛祥，阮竹恩，陳順滿

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基于環(huán)管實驗的膏體流變特性及影響因素

王少勇，吳愛祥，阮竹恩，陳順滿

(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)

為研究膏體的流變特性與影響因素，自主設(shè)計研發(fā)小型膏體環(huán)管實驗平臺，測試不同工況條件下膏體管道輸送的w?d/d流動曲線，并采用Hershel-Bulkey模型(簡稱H-B模型)進行回歸分析，獲得膏體管道輸送的流變參數(shù)，分析水泥摻量、尾砂顆粒粒徑及料漿質(zhì)量分數(shù)對膏體屈服應(yīng)力0、塑性黏度的影響。研究結(jié)果表明：膏體流變模型屬于＜1，0＞0屈服偽塑性體，用H-B模型描述更為精確，其屈服應(yīng)力0和塑性黏度都隨著膏體料漿的質(zhì)量分數(shù)增加呈指數(shù)增加，隨著水泥摻量的增加先增大后降低；膏體料漿質(zhì)量分數(shù)一定的情況下，構(gòu)成膏體的尾砂粒徑越細，屈服應(yīng)力越大，與尾砂的比表面積呈冪指數(shù)關(guān)系。

環(huán)管實驗；膏體；流變特性；屈服偽塑性體

尾礦是礦產(chǎn)資源開采產(chǎn)生的主要固體廢棄物，我國目前累計堆存尾礦146億t以上，且年排放量達到了15億t以上[1]，建設(shè)的尾礦庫達8 869座，基礎(chǔ)薄弱、安全保障能力偏低的四、五等尾礦庫仍占88.9%，尾礦庫潰壩隱患大[2]。同時，地下礦開采產(chǎn)生大量采空區(qū)，易誘發(fā)井下巖石冒落和地表塌陷。尾礦庫和采空區(qū)是金屬礦山的兩大危險源，處理不當將給安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來巨大的威脅。將浮選尾礦漿進行濃密后添加水泥制成高濃度的膏體充填到井下，一方面可以減少尾礦的地表排放，降低尾礦庫潰壩的安全隱患；另一方面可以消除采空區(qū)安全風險，有效地控制地壓，提高回采作業(yè)的安全性，具有“一廢治兩害”的優(yōu)勢[3]。膏體是指將選廠排放的全尾砂經(jīng)深錐濃密機濃密后，添加適量水泥，制備成牙膏狀的不分層、不離析、不脫水的流體，較傳統(tǒng)的充填方式具有尾砂利用率高、充填體質(zhì)量好，充填綜合成本低的優(yōu)點，是我國礦業(yè)發(fā)展的一個重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前 景[4]。但是膏體料漿質(zhì)量分數(shù)高，屈服應(yīng)力和塑性黏度大，管道輸送難度較大。因此，精確測量膏體料漿的流變參數(shù)并研究其影響因素，對管道輸送參數(shù)設(shè)計與泵送設(shè)備的選型具有重要現(xiàn)實意義。目前普遍將膏體視為塑性流體，用Bingham模型回歸分析其流變參數(shù)，可由屈服應(yīng)力和塑性黏度兩參數(shù)來表示[5]，許多研究人員直接利用R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀直接測試膏體的屈服應(yīng)力和黏度[6?10]。但是，膏體料漿在管道輸送過程中發(fā)生管壁剪切、壁面滑移等現(xiàn)象[11]，其流變特性與室內(nèi)實驗相差很大。L管法考慮了料漿管道流動狀態(tài)，通過測料漿流量、流速及流動結(jié)束后靜止狀態(tài)下豎直管中料漿柱的高度，基于Bingham模型計算料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度[12]，但L型管道中料漿的流速范圍較小，擬合后的流變參數(shù)與實際偏離較大。而環(huán)管實驗法克服了L管實驗的缺陷，最符合工程實際，測量膏體料漿流變特性最為準確。但由于系統(tǒng)較笨重，建設(shè)成本高，需要時間長，在很大程度上限制了其發(fā)展與應(yīng)用。為此，本文作者基于自行設(shè)計的室內(nèi)小型環(huán)管實驗系統(tǒng)，測試膏體的流變參數(shù)，分析膏體料漿的流變模型，研究粒徑、膏體質(zhì)量分數(shù)、水泥摻量等因素對膏體屈服應(yīng)力、塑性黏度的影響。

1 實驗

1.1 樣品性質(zhì)

實驗樣品取自某金礦的浮選尾砂，通過水力旋流器進行分級后形成溢流尾砂，底流尾砂，其粒徑組成見圖1，物理參數(shù)見表1。

由表1可見：尾砂小于20 μm的質(zhì)量分數(shù)都超過15%，符合膏體料漿制備條件[13?14]。但是，小于20 μm的尾砂質(zhì)量分數(shù)也不宜太多，因為小于20 μm的尾砂質(zhì)量分數(shù)過高，料漿黏度增大，管輸阻力也大。按平均粒徑來分，溢流尾砂最細，其次是浮選尾砂，再次是水泥，最大的是底流尾砂。比表面積正好相反，溢流尾砂最大，約為底流尾砂的5倍。

1—底流尾砂；2—溢流尾砂；3—全尾砂；4—水泥。

表1 實驗材料物理性質(zhì)

1.2 實驗裝置

自行設(shè)計小型膏體料漿環(huán)管實驗平臺，如圖2所示。其中料漿在攪拌槽(1)中進行均質(zhì)化攪拌，由濃度計(3)測量實時監(jiān)測料漿的質(zhì)量分數(shù)；通過渣漿泵(2)輸送到不同管徑的管道，并通過控制系統(tǒng)(9)設(shè)置泵送頻率；管道輸送系統(tǒng)包括DN80、DN100和DN125這3種常用的鋼管，根據(jù)實驗要求選擇測試管道，且管道上布置取樣口(5)；實驗過程中的數(shù)據(jù)由控制系統(tǒng)(9)和管道上的壓力變送器(6)、電磁流量計(4)和濃度計(3)完成，采集頻率達到每秒記錄1次。

1—攪拌槽；2—渣漿泵；3—濃度計；4—電磁流量計；5—取樣口；6—壓力變送器；7—管道； 8—閥門；9—數(shù)據(jù)采集儀。

1.3 實驗步驟

為了保證實驗精度，盡量充分利用同一種物料，從高質(zhì)量分數(shù)向低質(zhì)量分數(shù)進行測量。高質(zhì)量分數(shù)1的全尾砂膏體通過加水得到較低質(zhì)量分數(shù)2的料漿，計算需要加的水量見下式。

式中：w為需要加水質(zhì)量，kg；1為原料漿質(zhì)量分數(shù)，%；2為目標料漿質(zhì)量分數(shù)，%；為料漿總質(zhì)量，kg。

具體是實驗過程如下：

1) 首先連接好實驗管道；

2) 加入清水，對整個系統(tǒng)進行調(diào)試，確保壓力變送器、流量計、數(shù)據(jù)記錄儀工作正常；

3) 逐漸加入干尾砂至攪拌罐中，待料漿具有一定的流動性后，啟動渣漿泵，低速運行排除氣泡，使料漿開始在管道中循環(huán)；

4) 調(diào)節(jié)泵送頻率，使料漿首先在最大流速max(此時壓力變送器達到量程的80%~90%)下運行，然后再逐漸降低頻率，每個頻率持續(xù)測試20 s，直到管道中的料漿停止移動，然后逐漸提高頻率，再次達到最大流速max。控制系統(tǒng)記錄此過程中的料漿質(zhì)量分數(shù)和管道壓力和流量；

5) 測試順序從最高質(zhì)量分數(shù)向最低質(zhì)量分數(shù)進行，通過計算向攪拌罐中加入一定量的水稀釋料漿，得到較低質(zhì)量分數(shù)料漿，加完水后需要泵送在較高頻率下運行5 min，使料漿混合均勻，然后開始低質(zhì)量分數(shù)的測試。重復實驗步驟4)，直到測試完成實驗設(shè)計的料漿質(zhì)量分數(shù)；

6) 清洗系統(tǒng)，重復實驗步驟3)~5)，對另一種的料漿進行測試。

2 流變理論

對于漿體，在剪切力作用下，其剪切力與切變率之間存在一定的關(guān)系，稱為流型。如果在漿體上施加剪切應(yīng)力為，漿體以某一個速率d/d發(fā)生應(yīng)變，這個速率即為剪切速率，其絕對值為剪切應(yīng)力和產(chǎn)生的剪切速率d/d之間存在一定的關(guān)系[15]，典型的非牛頓流體流變力學數(shù)學模型的通用表達式為[16]

式中：為剪切應(yīng)力，Pa；d/d為剪切速率，s?1；0為屈服應(yīng)力，Pa；為塑性黏度，Pa?s；為料漿流速，m/s；為流變特性指數(shù)。0，和統(tǒng)稱為漿體的流變參數(shù)。

若切變率與剪切力關(guān)系表現(xiàn)為通過坐標軸原點的線性特點的漿體為牛頓流體(0=0，=1)，例如水。若流型不通過坐標軸原點或表現(xiàn)出為非線性關(guān)系的均為非牛頓體(0＞0，＞0)，常見的非牛頓體有塑性體、膨脹體、賓漢體等，圖3所示為非牛頓體各種流型的流變曲線圖[16]。

(a) 賓漢塑性體(n=1，τ0＞0)；(b) 偽塑性體(n＜1，τ0=0)； (c) 屈服偽塑性體(n＜1，τ0＞0)；(d) 膨脹體(n＞1，τ0=0)；(e) 屈服膨脹體(n＞1，τ0=0)

3 結(jié)果與分析

3.1 流變參數(shù)

對底流尾砂添加水泥摻量(水泥質(zhì)量/固體總質(zhì)量)為0，10%，15%和20%時制備質(zhì)量分數(shù)分別為62.43%，65.26%，67.40%和68.94%的膏體，回歸分析的w?d/d流變曲線見圖4。

由圖4可以看出：在不同水泥摻量下，4種質(zhì)量分數(shù)的膏體料漿在管道輸送過程中的流變曲線具有相似的變化趨勢，符合圖3(a)所示的賓漢塑性體與3(c)所示的屈服偽塑性體的流變曲線。在較低質(zhì)量分數(shù)時，流變特性指數(shù)約等于1，膏體料漿為賓漢塑性體，隨著質(zhì)量分數(shù)的升高，流變特性指數(shù)小于1，越符合屈服偽塑性體，因此，采用0，和這3個參數(shù)表示的Hershel?Bulkey模型(簡稱H-B模型)描述更為精確，即：

式中：w為膏體在管道流動時的管壁切應(yīng)力，Pa。

計算公式如下[17]：

式中：Δ為壓力差，Pa；為管道直徑，m；為兩壓力計之間的距離，m。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析方法，對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，繪制w?d/d流變特性曲線，采用式(3)對剪切速率與剪切應(yīng)力進行擬合回歸，得到不同配比下的膏體流變參數(shù)，見表2。

3.2 屈服應(yīng)力的影響因素

屈服應(yīng)力由漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力和摩擦力產(chǎn)生，是阻止?jié){體塑性變形的最大應(yīng)力[18]。膏體屈服應(yīng)力的影響因素眾多，有尾砂顆粒粒徑、料漿質(zhì)量分數(shù)、水泥摻量及尾砂漿的離子種類等。同一選礦廠的尾砂，離子種類和質(zhì)量分數(shù)基本接近。為此，本文將研究尾砂顆粒粒徑、料漿質(zhì)量分數(shù)和水泥摻量對膏體屈服應(yīng)力的影響。圖5所示為3種不同粒徑尾砂制成的膏體在不同質(zhì)量分數(shù)下的屈服應(yīng)力變化曲線。從圖5可見：膏體料漿的屈服應(yīng)力隨質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)較為典型的指數(shù)增加趨勢。質(zhì)量分數(shù)增加，顆粒與顆粒間的作用力迅速增加，漿體顆粒間的相對滑動較難。

(a) 無水泥摻量；(b) 10%水泥摻量；(c) 15%水泥摻量；(d) 20%水泥摻量

表2 不同水泥摻量的膏體料漿流變特性參數(shù)

由圖6可見：膏體屈服應(yīng)力隨著組成尾砂表面積的增加成冪指數(shù)增加趨勢。從表1可知：溢流尾砂的比表面積(1.01 m2/g)＞浮選尾砂比表面積(0.73 m2/g)＞底流尾砂比表面積(0.27 m2/g)。粒度越小，比表面積越大，料漿與管道壁接觸面積越大，摩擦阻力越大。同樣從圖5可以看出：在相同質(zhì)量分數(shù)下，構(gòu)成膏體的尾砂粒徑越小，屈服應(yīng)力越大，這說明尾砂顆粒越細，達到膏體時的質(zhì)量分數(shù)越低。

圖7所示為4種不同質(zhì)量分數(shù)下，水泥摻量對膏體屈服應(yīng)力影響的變化曲線。從圖7可以看出：在相同質(zhì)量分數(shù)下，屈服應(yīng)力隨水泥摻量增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢；質(zhì)量分數(shù)越高水泥摻量對膏體屈服應(yīng)力的影響越明顯。屈服應(yīng)力產(chǎn)生的原因是黏性細顆粒形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)而引起的，是阻止?jié){體塑性變形的最大應(yīng)力[18]。水泥添加初期，黏結(jié)作用使?jié){體的絮網(wǎng)機構(gòu)更加結(jié)實，屈服應(yīng)力增加，水泥繼續(xù)添加，細顆粒比例增加，提高潤滑效果，屈服應(yīng)力降低，但是比不添加水泥是的底流尾砂屈服應(yīng)力要高。

圖5 料漿質(zhì)量分數(shù)與屈服應(yīng)力的關(guān)系

圖6 比表面積與屈服應(yīng)力的關(guān)系(料漿質(zhì)量分數(shù)為40%)

料漿質(zhì)量分數(shù)/%：1—68.94；2—67.40； 3—65.26；4—62.43。

3.3 塑性黏度的影響因素

塑性黏度是膏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動的性能。圖8所示為一定的水泥摻量下膏體塑性黏度隨料漿質(zhì)量分數(shù)的變化曲線。從圖8可以看出：塑性黏度隨著料漿質(zhì)量分數(shù)的增加呈指數(shù)增加的趨勢，這與屈服應(yīng)力表現(xiàn)規(guī)律一致，宏觀表現(xiàn)為料漿的流動性變差。

圖8 料漿質(zhì)量分數(shù)與塑性黏度的關(guān)系曲線

圖9所示為一定質(zhì)量分數(shù)的分級尾砂膏體添加水泥后，塑性黏度隨水泥摻量的變化規(guī)律。從圖9可見：尾砂漿添加水泥后塑性黏度顯著增加，隨著水泥摻量的繼續(xù)增大(＞10%時)，料漿的塑性黏度又隨著水泥摻量的增加而降低，與屈服應(yīng)力的表現(xiàn)規(guī)律一致。分析原因主要為：一是水泥為黏性材料，添加后將使尾砂漿顆粒間的黏聚力增加；二是水泥比底流尾砂顆粒細，起初摻入水泥后，水泥比表面積的增加將使活性增強，水化速度加快，從而導致塑性黏度升高。當水泥摻量大于10%時，料漿呈現(xiàn)均質(zhì)性、穩(wěn)定性好，有利于漿體顆粒間的相對滑動，料漿的塑性黏度開始降低。

料漿質(zhì)量分數(shù)/%：1—68.94；2—67.40； 3—65.26；4—62.43。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了室內(nèi)小型環(huán)管實驗系統(tǒng)，流變參數(shù)測量更為合理，更符合工程實際。且測量結(jié)果表明質(zhì)量分數(shù)較高的膏體流動指數(shù)＜1，屈服應(yīng)力0＞0，為典型的屈服偽塑性體，用H-B模型描述更為精確。

2) 膏體質(zhì)量分數(shù)對其流變參數(shù)影響最為明顯，膏體料漿的屈服應(yīng)力、塑性黏度隨著膏體料漿的質(zhì)量分數(shù)增加呈指數(shù)增加。

3) 尾砂粒徑也是影響膏體流變特性的重要因素，在膏體質(zhì)量分數(shù)一定的情況下，尾砂顆粒越小，其表面積越大，屈服應(yīng)力隨著物料比表面積的增加呈顯著的冪指數(shù)增加，相同質(zhì)量分數(shù)的情況下，細粒尾砂膏體屈服應(yīng)力與塑性黏度較高。

4) 保持膏體料漿的質(zhì)量分數(shù)恒定，膏體料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度受水泥添加量的影響，表現(xiàn)為隨著水泥摻量的增加先增大后降低。

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(編輯 楊幼平)

Rheological properties of paste slurry and influence factors based on pipe loop test

WANG Shaoyong, WU Aixiang, RUAN Zhuen, CHEN Shunman

(Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

To study the rheological properties of paste slurry and influence factors, the mini pipe loop experiment platform was designed.w?d/drheological characteristic curves were drawn under different working conditions. The Hershel-Bulkey model (H-B model) was used for regression analysis, and the rheological parameters of the paste were obtained. The influences of the cement content and particle size of tailings and mass fraction of paste slurry on the yield stress0, plastic viscosityof the paste slurry were investigated. The results show that the rheological model of paste slurry is pseudo plastic fluid with＜1,0＞0, and H-B model describes more precisely. The yield stress and plastic viscosity exponential function increase with the increase of mass fraction of paste slurry. With the increase of cement dosage, the yield stress and plastic viscosity first rise and then drop. Keeping constant mass fraction of paste slurry, the diameter of the tailings of the paste is smaller and the yield stress is greater, and the yield stress power exponent increase with the increase of specific surface area of tailings.

pipe loop test; paste slurry; rheological properties; pseudo plastic fluid

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.019

O373；TD926；TQ177.6

A

1672?7207(2018)10?2519?07

2017?10?22；

2017?12?11

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0602903)(Project(2017YFC0602903) supported by the National Key Research and Development Program of China)

吳愛祥，博士，教授，從事膏體充填理論與技術(shù)研究；E-mail：wuaixiang@126.com