考慮溫度的超細(xì)尾砂觸變行為研究

張友志，甘德清，薛振林，劉志義，張 欣

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)學(xué)科建設(shè)處，河北 唐山 063210)

由于日益嚴(yán)格的環(huán)境要求和土地使用限制，充填采礦法在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。近年來，尾礦粒度正隨著選礦技術(shù)的進(jìn)步而變得越來越細(xì)，針對超細(xì)尾砂的研究也越來越受到學(xué)者的關(guān)注。其中，超細(xì)尾砂剪切觸變性研究對于充填料漿制備、管道輸送、采場料漿流動等核心技術(shù)的突破具有重大意義[4]，有助于攪拌設(shè)備、運(yùn)輸管道的研發(fā)優(yōu)化，對于充填系統(tǒng)的優(yōu)化具有極大價值[5]。觸變性一般采用流變儀測量，剪切過程中由于黏度具有時間依賴性，因此剪切速率上升與下降兩個過程中剪切應(yīng)力的表現(xiàn)不一致，會在剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系中表現(xiàn)出環(huán)狀曲線，稱為觸變環(huán)，觸變環(huán)的面積是觸變性的相對表征[6]。

近年來，專家學(xué)者們從不同角度對固液兩相流體的觸變性開展了一些研究。楊柳華等[7]利用不同水泥添加量、尾砂粒級、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料，通過高速攪拌機(jī)作用后靜置時間不同進(jìn)行觸變性測試，發(fā)現(xiàn)料漿觸變性與水泥添加量呈正相關(guān)，不含0.075 mm粒級尾砂的料漿基本無觸變性，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的料漿具有不同的應(yīng)力峰值;劉曉輝等[8]提出了膏體的結(jié)構(gòu)破壞系數(shù)與結(jié)構(gòu)恢復(fù)系數(shù)，認(rèn)為膏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、剪切速率和絮凝劑添加量均對觸變性有不同程度的促進(jìn)作用，在靜置條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)就越快；霍海峰等[9]選取天津濱海軟黏土進(jìn)行靜置時間不同的十字板剪切試驗，認(rèn)為黏土擾動后強(qiáng)度變化表現(xiàn)為正觸變性，含水率對于觸變比的影響并不明顯;王文孟等[10]以干密度、含水率、含鹽量為因素通過TSZ-3全自動三軸儀得到對黃土觸變性影響順序主次含水率、干密度、含鹽量，觸變性參數(shù)和含鹽量在數(shù)據(jù)回歸分析上為對數(shù)關(guān)系，且有很好的相關(guān)性。

可以看出，對觸變性的研究大都是基于物料固有屬性和剪切時間的改變上開展的，很少考慮外部溫場對觸變性的影響。隨著開采深度的增加，井底不可避免的出現(xiàn)高溫，例如，冬瓜山銅礦的開采深度已經(jīng)超過1 000 m，圍巖溫度已經(jīng)接近甚至超過40 ℃，南非西部礦井的開采深度已超過4 000 m，最高氣溫達(dá)66 ℃[11]，而溫度是影響流體黏度的重要因素之一，且觸變性的本質(zhì)是黏度的時間依賴性，因此，探究溫度對料漿觸變性的影響具有重要的意義。本文將以某礦超細(xì)尾砂為物料，考慮溫度的影響，從流變學(xué)的角度對超細(xì)尾砂充填料漿的觸變性進(jìn)行初探，并從細(xì)觀層面解釋觸變行為。

1 試 驗

1.1 試驗材料

以某礦超細(xì)尾砂為材料，經(jīng)試驗室測試，尾砂比重為2.62 t/m3，經(jīng)過NKTG100-D型激光粒度儀測試，尾砂粒級組成結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，0.075 mm占比超過90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通尾砂中0.075 mm細(xì)顆粒的占比，可以定義為超細(xì)尾砂。水泥采用32.5普通硅酸鹽水泥，料漿載體為城市自來水。

1.2 試驗設(shè)備

流變儀采用美國賽默飛世爾HAAKE Viscotester iQ便攜式流變儀，搭配外接溫控模塊，溫度調(diào)控范圍-10～160 ℃。電子顯微鏡采用德國ZESS Scope A1型偏光顯微鏡。

1.3 試驗方案

經(jīng)過前期探索試驗，考慮料漿的流動性，選擇灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質(zhì)量濃度為58%、60%、62%、64%，測試溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃的料漿設(shè)計三因素四水平正交試驗，共計16組，實驗方案見表1。

圖1 尾砂粒級分析Fig.1 The analysis of article size

表1 實驗方案

Table 1 Experimental scheme

序號灰砂比質(zhì)量濃度/%溫度/℃10.250583020.167603030.125623040.100643050.167584060.250604070.100624080.125644090.1255850100.1006050110.2506250120.1676450130.1005860140.1256060150.1676260160.2506460

剪切試驗中，采用控制剪切速率(CR)的方法，剪切速率先從0經(jīng)過100 s的時間均勻上升至100 s-1，然后在100 s內(nèi)由100 s-1均勻降低至0，每組試驗過程共計200 s，圖2為實驗過程中剪切速率與時間關(guān)系。每組試驗在剪切前后分別進(jìn)行100 μm電子顯微鏡細(xì)觀試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 觸變環(huán)形態(tài)分析

經(jīng)過剪切試驗所得到的參數(shù)，通過Origin軟件繪制剪切應(yīng)力與剪切速率形成的觸變環(huán)，計算觸變環(huán)面積，用Athix來表示，結(jié)果見圖3～6。

圖2 剪切速率-時間關(guān)系Fig.2 Relationship between shear rate and time

圖3 30 ℃下剪切應(yīng)力-剪切速率曲線Fig.3 Shear stress-shear rate curve under 30 ℃

圖4 40 ℃下剪切應(yīng)力-剪切速率曲線Fig.4 Shear stress-shear rate curve under 40 ℃

圖5 50 ℃下剪切應(yīng)力-剪切速率曲線Fig.5 Shear stress-shear rate curve under 50 ℃

圖6 60 ℃下剪切應(yīng)力-剪切速率曲線Fig.6 Shear stress-shear rate curve under 60 ℃

可以看出，料漿濃度在58%、60%和62%時，觸變環(huán)形態(tài)在各溫度條件下的形態(tài)基本一致，因為這三個濃度相對較低，固體顆粒含量相對少，水作為載體能充分發(fā)揮協(xié)同作用，剪切時顆粒之間的碰撞、絮凝成團(tuán)行為相對較弱，均質(zhì)性始終維持在較好的水平，導(dǎo)致上行曲線與下行曲線為簡單上升與下降，一般不超過兩個交點(diǎn)。濃度為64%的料漿觸變環(huán)形態(tài)各有差異，原因有兩方面，一方面濃度的增加引起黏度的升高，溫度對較高黏度的影響更為明顯；另一方面隨著濃度的增加，固體顆粒占比增加，此時超細(xì)顆粒和水同時承擔(dān)載體作用，剪切時顆粒間的碰撞、絮凝成團(tuán)行為相對較強(qiáng)，均質(zhì)性下降，導(dǎo)致應(yīng)力在不同時段的波動性強(qiáng)，因此，上行曲線與下行曲線會出現(xiàn)多于兩個交點(diǎn)。

2.2 各因素的影響

針對試驗結(jié)果，運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式回歸，溫度、灰砂比、濃度與觸變環(huán)面積之間的回歸方程見式(1)?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R=0.9550，調(diào)整后相關(guān)系數(shù)Ra=0.9831，F(xiàn)值顯著水平P=0.0014<0.05，認(rèn)為回歸方程較顯著，擬合效果較好。

Athix=1.83×105-5.60×102×x1-

6.81×104×x2-6.01×105×x3-

1.17×103×x1×x3+7.60×104×x2×x3

(1)

式中：Athix為觸變環(huán)面積，Pa/s；x1為溫度，℃；x2為灰砂比；x3為濃度，%。

回歸分析結(jié)果中，溫度、灰砂比、濃度的顯著水平P值分別為0.2737、0.0001、0.7971。從中可以看出，濃度對觸變性的影響效果最為顯著，溫度對觸變性的影響效果次之，但影響能力和濃度在一個數(shù)量級，灰砂比對觸變性的影響能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濃度和溫度。這是因為濃度的增加可直接導(dǎo)致料漿內(nèi)部固體顆粒的增加，效果最為明顯；溫度改變的影響有兩方面：一方面影響作為載體的水的物理性質(zhì)；另一方面影響固液接觸面的物理化學(xué)性質(zhì)，通過這兩方面來間接影響料漿觸變性，因此影響能力與濃度較之減弱；超細(xì)尾砂的0.075 mm顆粒含量極高，與水泥超細(xì)顆粒的含量接近，而灰砂比影響的是水泥的含量，既不能直接增加固體顆粒的數(shù)量，也不能引起明顯的溫度變化，因此影響能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個因素。

2.3 電鏡細(xì)觀分析

以30 ℃測試條件為例，選取濃度62%，灰砂比1∶4的料漿，對剪切前后的細(xì)觀照片進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7和圖8，對兩張照片分別進(jìn)行二值化處理，結(jié)果見圖9和圖10。

圖7 剪切前100 μm電鏡圖Fig.7 Electron microscopy at 100 μm before shear

圖8 剪切后100 μm電鏡圖 Fig.8 Electron microscopy at 100 μm after shear

圖9 剪切前二值化處理圖Fig.9 Binary processing diagram before shear

圖10 剪切后二值化處理圖Fig.10 Binary processing diagram after shear

由圖7和圖8可以看出，與剪切前相比，充填料漿在剪切后的絮團(tuán)在形態(tài)上有生長趨勢，絮團(tuán)單體直徑變大。由圖9和圖10可以看出，剪切后絮團(tuán)在分布上明顯變稀疏，絮團(tuán)之間的空隙變大。這是因為剪切過程會促使液面上部空氣進(jìn)入料漿內(nèi)部，料漿的含氣量增大，空氣會跟隨持續(xù)的剪切在料漿內(nèi)部呈均勻分布趨勢，占據(jù)料漿內(nèi)部更多的空間，而剪切停止后，氣體很難在短時間內(nèi)從富含超細(xì)顆粒的料漿內(nèi)部排出，因此，在受到空氣的擠壓時，料漿內(nèi)顆粒形成的絮團(tuán)單體直徑變大且分布變稀疏。

觸變性的實質(zhì)是黏度的時間依賴性，料漿會呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，即黏度在剪切完成時變小，一般地，流體黏度的形成主要由兩方面組成:一是分子間的引力作用;二是顆粒之間相互摩擦碰撞而產(chǎn)生的動量交換，在充填料漿里，動量交換起主導(dǎo)作用。料漿在剪切后由于絮團(tuán)單體直徑變大和分布變稀直接導(dǎo)致了料漿內(nèi)部動量交換變少，因此黏度降低，可作為觸變行為中剪切變稀現(xiàn)象的一般解釋，為工業(yè)現(xiàn)場控制料漿觸變性提供有益的理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

1) 超細(xì)尾砂充填料漿觸變環(huán)的形態(tài)與濃度和溫度均有關(guān)系，料漿濃度在58%、60%和62%時，觸變環(huán)的形態(tài)在各個溫度條件下基本一致，濃度64%的料漿觸變環(huán)形態(tài)受溫度的影響最大。

2) 濃度對觸變性的影響能力最大，溫度次之，但與濃度的影響能力在同一個數(shù)量級，灰砂比對觸變性的影響能力最弱，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個因素。

3) 超細(xì)尾砂充填料漿在剪切試驗后，料漿內(nèi)部絮團(tuán)單體直徑較之剪切試驗前增大，且絮團(tuán)的分布較剪切試驗前明顯變稀疏，與料漿在黏度方面剪切變稀的現(xiàn)象一致。