多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体流变性能研究.pdf

第29卷第10期 2020年10月 采选工程 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vo l . 29,No . 10 Oct 2020 多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体 流变性能研究 刘志双12郭利杰12 1.矿冶科技集团有限公司，北京100160； 2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京102628 摘要为了探究多因素耦合条件下全尾砂料浆的流变性能，以某三个矿山的全尾砂料浆为试验对象，采 用HAAKE同轴圆筒式流变仪进行试验，测得了 5种质量浓度、3种温度条件下的全尾砂浆流变参数，分 析了粒度分布、质量浓度及温度对流变参数的影响规律及机理。试验结果表明同一矿山尾矿浆体，相同 质量分数条件下，屈服应力随温度升高而降低，且浆体浓度越高，屈服应力的下降值越大；相同温度条件 下，屈服应力随浓度增加而升高，且浆体温度越低，屈服应力增加值越大；料浆屈服应力的影响显著度为质 量浓度〉粒度分布〉温度，质量浓度对流变性影响最为显著且可用指数函数描述；各因素间均存在一定的 耦合作用矿和C矿尾砂浆的质量浓度高于71、B矿尾砂浆质量浓度高于68时，温度和浓度耦合作 用明显，料浆的屈服应力和塑性黏度均明显上升％ 关键词耦合作用；温度；高浓度；全尾砂；流变性 中图分类号TD853. 34 文献标识码A 文章编号1004-4051202010-0116-06 Studyonrheologicalpropertie6ofhighconcentrationuncla66ified tailings slurry under multi-factor coupling condition LIU Zh ish ua ng1 2, GUO Lijie1 2 1. BGRIMM Tech no l o gy Gro up, Beij ing 100160 , Ch ina, 2 Na tio na l Ce ntrefo rInte rna tio na l Rese a rch o nGree n Meta l Mining, Be ij ing102628, Ch ina Abstract In o rder to ex pl o re th e rh eo l o gica l pro perties o f uncl a ssified ta il ings sl urry under th e co nditio n o f mul ti-fa cto rco upl ing,ta kinguncl a ssifiedta il ingssl urryfro mth re emines a sth etesto bj e ct,HAAKEco a x ia l cyl indrica l rh eo meterw a sus edto ca rryo utth etest,th erh eo l o gica l pa ra meterso funcl a ssifiedta il ingssl urry under5 ma ss co ncentra tio ns a nd 3 tempe ra ture co nditio ns w ere mea sured,a nd th e infl ue nce l a w a nd mech a nism o f pa rticl e size, ma ss co ncentra tio n a nd tempe ra ture o n rh eo l o gica l pa ra meters w erea na l yzed Th e te s tre s ul ts s h o w th a tth e yie l ds tre s s de cre a s e s w ith th e incre a s e o fte mpe ra ture fo rth e s a me mine ta il ingssl urrya ndth esa mema ss fra ctio n,a ndth eh igh erth esl urryco nce ntra tio n,th egrea terth edecrea se o fyiel ds tress Underth e sa me tempe ra ture co nditio n,th e va l ueo fyiel dstre ssincrea s esw ith th eincrea s eo f co ncentra tio n,a ndth e l o w e rth e s l urryte mpe ra ture,th e gre a te rth e incre a s e o fyie l ds tre s s Th einfl uence significa nce degree o f sl urry yiel d stress is ma ss co ncentra tio n〉pa rticl e size〉tempera ture. ma ss co nce ntra tio nh a sth e mo stsignifica ntefecto nrh e o l o gica l pro pe rtya ndca nbedes cribedbye x po nentia l functio n Th e re is a ce rta inco upl ingefectbetw e enva rio usfa cto rs Wh enth ema ssco ncentra tio no fmineA 收稿日期收稿日期2020-02-20 责任编辑责任编辑刘硕 基金项目基金项目国家重点研发计划资助项目资助编号2018YFE0123000 第一作者简介第一作者简介刘志双1986 ，男，博士，工程师，主要从事矿山充填技术等研究工作,E-ma il l iuzh ish ua ngbgrimm. co m。 通讯作者简介通讯作者简介郭利杰1980 ,男，汉族，河南南乐人，博士，教授级高级工程师，主要从事金属矿采矿技术方面的研究工作,E-ma il guo l ij ie bgrimm. co m。 引用格式引用格式刘志双，郭，郭利杰多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体流变性能研究中国矿业，2020,2910116-121. di 10. 12075/j . is 1004-4051 2020 10 012 第10期刘志双等多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体流变性能研究 117 a nd mine C ta il ing mo rta r is h igh er th a n 71 ,a nd th e ma ss co ncentra tio n o f mine B ta il ing mo rta r is h igh er th a n 68 , th e co upl ing effect o f tempe ra ture a nd co ncentra tio n is o bvio us, a nd th e yiel d stress a nd pl a stic visco sity o f sl urry a re o bvio usl y increa sed. Keywords co upl ing a ctio n； tempera ture； h igh co ncentra tio n； uncl a ssified ta il ings； rh eo l o gy 随着国家对于矿山安全生产要求的不断提高、 、 环保监管的力度 ，充填采矿技术的优势日益凸 显。充填料浆的管道输送技术是充填采矿技术顺利 环节, , 填系统的可靠性。。浆体 流变特性是管 送环 基础研究, ,已有文献M 多侧重于浓度、温度等单因素对料浆流变性 加向 研究, , 浆体浓度和温度超 时,其对流 变特性 显著。。该类研究仅从浆 特 性参数出发揭示其对流变特性 规律 尾砂 级配、浓度、温度多因素 作用条件下浆体的 流变特性 规律研究 分, , 所用 多来自 矿山致所 论缺乏横向充 时从 组份和 特性参数出发揭 因素间 关系等。。因此，开展多因素 条件下 浆体流变特性研究，对于判断恶劣 条件下高浓 度全尾砂浆 送的可行性和可靠性具 要的 意义。 。 本文以三个不同矿山的全尾砂为试验材料，得 到 、质量浓度、温度三因素 作用条件下浆体 流变性 规律，从 度揭 因素 ； 浆体流变特性 理， ， 浆体流变参数 与质量分数间的拟合方程，所 论可 管道 送的设计优化提供依据和理论 。 。 1全尾砂流变参数试验全尾砂流变参数试验 1.1试验仪器 本试验采用HAAKE VT550型同轴圆筒旋转 式黏度 全 浆的流变参数进行测量，其具有 、重量轻、操作简单、测量迅速、读数方便、适 用 、纟 、纟 等特点「5「6。。该黏度 速、 、 和外筒备有多种规格， ，可满 测量； ； 其转筒系统如图1所示。 。 图1圆筒式黏度计 Fig. 1 Cylindrical viscometer 圆筒黏度计由内外两个同轴筒组成，测试时，两 同轴筒间充满了黏性流体，若内筒以 速度 ，外筒固定，则由于浆体具有黏性，圆筒 f 时 动浆 动。 。 浆的流变参数与测量系统 参数间关系 1〜3o 剪切速率7 -丁； 1 ”2 ”1 剪切应力一一严2 ； 2 2-X r14 表观黏度“ 1 3 式中0为剪切速率，1 ； 为旋转角速度，ad /s; 1 为剪切应力，Pa；M为力矩，N・m； “为黏度，Pa・s； ri 筒 ，m；厂2 筒半径，m； 4 筒工作 高 度 ， mo 1. 2试验原料 所用全尾砂分别来自三个不同的矿山A 矿、B矿、C矿，采用马尔文激光粒度测 测得三 种全尾砂的粒径分布如图2所示％由图2可知，A 矿、B矿、C矿尾砂中粒径在75 Mm以下的累计占比 分别约为84. 5、 、29. 9和90. 9，相，相对而言，B矿 粗;采用比重瓶法，分 三个矿山全尾砂 度进行测量％ 特征参数及 密 度 测 1 o 图2不同矿山的全尾砂粒度组尾砂粒度组成分布曲线 Fig. 2 Particle size distribution curves of unclasifiedtailingsindiferentmines 表1不同矿山的尾尾砂参数 Table 1 Density of unclassified tailings in different mines 参数A矿B矿C矿 相对密度无量纲2. 86 2.882.70 Di0/um 3.4417.338.28 D50 / im22.87113. 6736.63 D90 / im102.64251.8771.66 118中国矿业 第29卷 尾砂化学成分测试采用X射线衍射仪X-Ray D iffrac tion，其适用性很广，拥有检测快速、操作简 单、数据处理方便等优点测得三种不同全尾砂 的矿物组分见表2由表2可知，三种全尾砂中含 量最高的矿物均为SiO2,其含量排序为C矿〉A 矿〉B矿；三种尾砂中均含硫化物，其中B矿尾砂中 物 量 高 表2不同矿山的全尾砂主要化学成分 Table2 Mineralcomponent6ofuncla6ifiedtailing6 indiferentmine6 化学成分 - 含量占比/ A矿B矿C矿 SiO254 7949 0263 30 Al2O318 6417 6715 68 Fe2O36 759 152 29 Ca O5 676 524 25 K2O3 462 704 34 Na2O3 321 505 13 MgO3 263 972 48 SO32 837 291 59 TiO20 570 640 30 MnO0 150 13- CO2-0 88- 13 方 本试验采用A矿、B矿、C矿三个不同矿山的全 尾砂，每种全尾砂选取3种不同温度，每种温度选取 5种不同质量浓度。为了更好地探究温度对尾砂浆 流变性的影响，本试验不加入胶凝材料。试验开始 前需采用水浴法加热尾砂浆，试验温度以实际测量 为准％考虑到工程实际中水温、料浆输送过程中能 量转化、胶凝材料水化反应热及环境等因素对料浆 温度的可能影响程度，试验温度设置范围在14〜 36 q之间％ 2试验结果与讨论试验结果与讨论 所得尾砂料浆的剪切应力r与剪切速率7按宾 汉姆流变模型进行数据拟合可得r 7 当温度为33. 7 C，质量分数由68升到73时，屈 服应力由12 Pa上升到83 Pa,塑性黏度由0. 15 Pas 增为0. 71 Pas屈服应力分别增加了 4. 80倍、9. 74 倍和6. 19倍，说明随着料浆温度在试验选定范围内 增加，其对屈服应力的影响呈先增后减的趋势，表明 存在质量分数对屈服应力的影响最为敏感的最适温 度；塑性黏度分别增加了 5. 39倍、5. 38倍和3. 97 倍，说明料浆温度增加超过一定值后，质量分数对塑 性黏度 表3不同矿山的全尾砂浆在不同温度下的流变参数 Table 3 Rheological parameters of unclassified tailings 6lurryindiferentmine6indiferenttemperature6 尾砂 来源 14. 5 C23. 8 C 337 C / r0/ Pa 浓度与温度对浆体的塑性 黏度的影响与屈服应力类似％ 结合三个矿山尾砂的粒径分布分析可知，粒径 对浆体屈服应力的影响比其对塑性黏度的影响显 著；C矿尾砂粒径在75 Mm以下占比约90.9， 35 “m以下占比约39，其流变特性说明，保持合理 的粒径级配可使浆体的浓度、塑性黏度、屈服应力间 内在平衡，同时具有较好流动性、充入采场后脱水少 的特点％以A矿为例，浓度超过68时，温度对浆 体流变性的影响才较为明显，且当温度超过23.8 C 后，这种影响明显减才、；A矿和C矿、A矿和B矿的 屈服应力曲线说明，温度对屈服应力的影响较粒径 不显著％ 粒径、温度和浓度对浆体的流变性均有影响，且 各因素存在耦合关系；A矿和C矿尾砂浆的质量浓 度高于71、B矿尾砂浆质量浓度高于68时，温 度和浓度耦合作用明显，料浆的屈服应力和塑性黏 度均明显上升％ 对图3中浆体的屈服应力1、塑性黏度b分 别与质量分数w按指数函数关系进行拟合，所得拟 合方程见式（4）和式（5）。 10 Aw （4） B Bew （5） 式中w为尾砂料浆的质量分数，％ ;A、a为屈服应 力公式拟合参数Sb为塑性黏度公式拟合参数％ 拟合结果及对应拟合优度见表4由表4可 知，指数函数能较好地反映尾砂料浆的屈服应力、塑 性黏度与质量浓度的变化关系，其中，屈服应力的拟 合优度均大于0. 97,塑性黏度的拟合优度均大 于0.95,说明两者的拟合效果均比较好％因而，可 利用该拟合曲线方程在实际生产中快速的预测尾砂 浆流参 表4尾砂料浆流变参数拟合方程系数及拟合优度 Table4 Coeficientandgoodnesoffitofrheologicalparameters 尾砂料浆温度/C 10 Aea wB Beb Aa拟合优度Bb拟 优度 14. 56. 643 4X 10 11 0.40000.9997 1. 087 3X 10 130.41630.9720 A矿 23.8 3. 115 2X10 12 0.42890.9997 9.8366X10 12 0.34520.9870 33.7 1. 803 4X 10 120.43330.99983.4476X10 120.35900.9919 18. 1 6.8527X10 5 0.20050.9998 6. 919 0X10 10 0.29460.9576 B矿 26.73.0774X10 3 0. 143 1 0.99827.8550X10 120.35740.9926 36. 12.5071X10 30. 139 1 0.9995 4.9394X10 8 0.22990.9998 15. 91. 878 4X 10 5 0.20030.9733 2. 197 1X10 11 0.33070.9709 C矿 26.0 1. 476 2X 10 7 0.26570.9990 5. 413 2X10 13 0.38040.9950 34.3 2. 113 6X10 4 0.15990.9999 2.8053X10 10 0.29130.9954 5结论 1） 矿山 矿浆 ， 质量分 条件下， 屈服应力随温度升高而降低，且浆体浓度越高，屈服 应力下降值越大;相同温度条件下，屈服应力随浓度 增 而升高， 且浆 度 ， 服 力增 2） 温度对料浆屈服应力、塑性黏度的影响在超 过一定临界浓度时才明显，此临界浓度值随浆体中 尾砂粒度分布而变化，但当温度超过一定值时，此影 , 度 服 力 度显著 3） 浓度对料浆流变性的影响最为显著，其对浆 第10期刘志双，等多因素耦合条件下高浓度全尾砂浆体流变性能研究 121 体屈服应力和塑性黏度的影响均可用指数函数进行 描述，且拟合优度均在0.95以上％ 4浆体的流变性与3个因素之间存在显著的 非线性相关性，质量浓度、粒度分布和温度3因素中 两两之间均存在一定的耦合作用％ ■ 参考文献 1 刘同友充填采矿技术与应用[M].北京冶金工业出版社,2001. 2 杨小聪，郭利杰.尾矿和废石综合利用技术[M].北京化学工 业出 社 2018 3 HEWITT D, ALLARD S,RADZISZEWSKI P . 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