基于環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，自主設計研發小型膏體環管實驗平臺，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，分析水泥摻量、尾砂顆粒粒徑及料漿質量分數對膏體屈服應力0、塑性黏度的影響。研究結果表明：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，其屈服應力0和塑性黏度都隨著膏體料漿的質量分數增加呈指數增加，隨著水泥摻量的增加先增大后降低；膏體料漿質量分數一定的情況下，構成膏體的尾砂粒徑越細，屈服應力越大，與尾砂的比表面積呈冪指數關系。

環管實驗；膏體；流變特性；屈服偽塑性體

尾礦是礦產資源開采產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]，建設的尾礦庫達8 869座，基礎薄弱、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，地下礦開采產生大量采空區，易誘發井下巖石冒落和地表塌陷。尾礦庫和采空區是金屬礦山的兩大危險源，處理不當將給安全生產和生態環境帶來巨大的威脅。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安全風險，有效地控制地壓，提高回采作業的安全性，具有“一廢治兩害”的優勢[3]。膏體是指將選廠排放的全尾砂經深錐濃密機濃密后，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，較傳統的充填方式具有尾砂利用率高、充填體質量好，充填綜合成本低的優點，是我國礦業發展的一個重要方向，具有廣闊的應用前 景[4]。但是膏體料漿質量分數高，屈服應力和塑性黏度大，管道輸送難度較大。因此，精確測量膏體料漿的流變參數并研究其影響因素，對管道輸送參數設計與泵送設備的選型具有重要現實意義。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，可由屈服應力和塑性黏度兩參數來表示[5]，許多研究人員直接利用R/S型四葉槳式旋轉流變儀直接測試膏體的屈服應力和黏度[6?10]。但是，膏體料漿在管道輸送過程中發生管壁剪切、壁面滑移等現象[11]，其流變特性與室內實驗相差很大。L管法考慮了料漿管道流動狀態，通過測料漿流量、流速及流動結束后靜止狀態下豎直管中料漿柱的高度，基于Bingham模型計算料漿的屈服應力和塑性黏度[12]，但L型管道中料漿的流速范圍較小，擬合后的流變參數與實際偏離較大。而環管實驗法克服了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。但由于系統較笨重，建設成本高，需要時間長，在很大程度上限制了其發展與應用。為此，本文作者基于自行設計的室內小型環管實驗系統，測試膏體的流變參數，分析膏體料漿的流變模型，研究粒徑、膏體質量分數、水泥摻量等因素對膏體屈服應力、塑性黏度的影響。

1 實驗

1.1 樣品性質

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，物理參數見表1。

由表1可見：尾砂小于20 μm的質量分數都超過15%，符合膏體料漿制備條件[13?14]。但是，小于20 μm的尾砂質量分數也不宜太多，因為小于20 μm的尾砂質量分數過高，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

1.2 實驗裝置

自行設計小型膏體料漿環管實驗平臺，如圖2所示。其中料漿在攪拌槽(1)中進行均質化攪拌，由濃度計(3)測量實時監測料漿的質量分數；通過渣漿泵(2)輸送到不同管徑的管道，并通過控制系統(9)設置泵送頻率；管道輸送系統包括DN80、DN100和DN125這3種常用的鋼管，根據實驗要求選擇測試管道，且管道上布置取樣口(5)；實驗過程中的數據由控制系統(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—數據采集儀。

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，從高質量分數向低質量分數進行測量。高質量分數1的全尾砂膏體通過加水得到較低質量分數2的料漿，計算需要加的水量見下式。

式中：w為需要加水質量，kg；1為原料漿質量分數，%；2為目標料漿質量分數，%；為料漿總質量，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，對整個系統進行調試，確保壓力變送器、流量計、數據記錄儀工作正常；

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；

4) 調節泵送頻率，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。控制系統記錄此過程中的料漿質量分數和管道壓力和流量；

5) 測試順序從最高質量分數向最低質量分數進行，通過計算向攪拌罐中加入一定量的水稀釋料漿，得到較低質量分數料漿，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，然后開始低質量分數的測試。重復實驗步驟4)，直到測試完成實驗設計的料漿質量分數；

6) 清洗系統，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系，稱為流型。如果在漿體上施加剪切應力為，漿體以某一個速率d/d發生應變，這個速率即為剪切速率，其絕對值為剪切應力和產生的剪切速率d/d之間存在一定的關系[15]，典型的非牛頓流體流變力學數學模型的通用表達式為[16]

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

若切變率與剪切力關系表現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出為非線性關系的均為非牛頓體(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 結果與分析

3.1 流變參數

對底流尾砂添加水泥摻量(水泥質量/固體總質量)為0，10%，15%和20%時制備質量分數分別為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種質量分數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。在較低質量分數時，流變特性指數約等于1，膏體料漿為賓漢塑性體，隨著質量分數的升高，流變特性指數小于1，越符合屈服偽塑性體，因此，采用0，和這3個參數表示的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。

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

3.2 屈服應力的影響因素

屈服應力由漿體內各顆粒之間的附著力和摩擦力產生，是阻止漿體塑性變形的最大應力[18]。膏體屈服應力的影響因素眾多，有尾砂顆粒粒徑、料漿質量分數、水泥摻量及尾砂漿的離子種類等。同一選礦廠的尾砂，離子種類和質量分數基本接近。為此，本文將研究尾砂顆粒粒徑、料漿質量分數和水泥摻量對膏體屈服應力的影響。圖5所示為3種不同粒徑尾砂制成的膏體在不同質量分數下的屈服應力變化曲線。從圖5可見：膏體料漿的屈服應力隨質量分數的增加呈現較為典型的指數增加趨勢。質量分數增加，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

由圖6可見：膏體屈服應力隨著組成尾砂表面積的增加成冪指數增加趨勢。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：在相同質量分數下，構成膏體的尾砂粒徑越小，屈服應力越大，這說明尾砂顆粒越細，達到膏體時的質量分數越低。

圖7所示為4種不同質量分數下，水泥摻量對膏體屈服應力影響的變化曲線。從圖7可以看出：在相同質量分數下，屈服應力隨水泥摻量增加呈現先增加后降低趨勢；質量分數越高水泥摻量對膏體屈服應力的影響越明顯。屈服應力產生的原因是黏性細顆粒形成絮網結構而引起的，是阻止漿體塑性變形的最大應力[18]。水泥添加初期，黏結作用使漿體的絮網機構更加結實，屈服應力增加，水泥繼續添加，細顆粒比例增加，提高潤滑效果，屈服應力降低，但是比不添加水泥是的底流尾砂屈服應力要高。

圖5 料漿質量分數與屈服應力的關系

圖6 比表面積與屈服應力的關系(料漿質量分數為40%)

料漿質量分數/%：1—68.94；2—67.40； 3—65.26；4—62.43。

3.3 塑性黏度的影響因素

塑性黏度是膏體內部結構阻礙流動的性能。圖8所示為一定的水泥摻量下膏體塑性黏度隨料漿質量分數的變化曲線。從圖8可以看出：塑性黏度隨著料漿質量分數的增加呈指數增加的趨勢，這與屈服應力表現規律一致，宏觀表現為料漿的流動性變差。

圖8 料漿質量分數與塑性黏度的關系曲線

圖9所示為一定質量分數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，與屈服應力的表現規律一致。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，料漿呈現均質性、穩定性好，有利于漿體顆粒間的相對滑動，料漿的塑性黏度開始降低。

料漿質量分數/%：1—68.94；2—67.40； 3—65.26；4—62.43。

4 結論

1) 設計了室內小型環管實驗系統，流變參數測量更為合理，更符合工程實際。且測量結果表明質量分數較高的膏體流動指數＜1，屈服應力0＞0，為典型的屈服偽塑性體，用H-B模型描述更為精確。

2) 膏體質量分數對其流變參數影響最為明顯，膏體料漿的屈服應力、塑性黏度隨著膏體料漿的質量分數增加呈指數增加。

3) 尾砂粒徑也是影響膏體流變特性的重要因素，在膏體質量分數一定的情況下，尾砂顆粒越小，其表面積越大，屈服應力隨著物料比表面積的增加呈顯著的冪指數增加，相同質量分數的情況下，細粒尾砂膏體屈服應力與塑性黏度較高。

4) 保持膏體料漿的質量分數恒定，膏體料漿的屈服應力與塑性黏度受水泥添加量的影響，表現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研究；E-mail：wuaixiang@126.com