全尾砂膏体充填临界质量分数
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第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月
北
京
科
技
大
学
学
报
Vol． 33 No． 7 Jul． 2011
Journal of University of Science and Technology Beijing
全尾砂膏体充填临界质量分数
翟永刚
1）
吴爱祥
1）
王洪江
1）
陈琴瑞
1）
肖云涛
1）
寿震宇
图2 Fig． 2 全尾砂充填料浆的剪切变稀曲线 Shear thinning curve of unclassifiedtailings filling slurries
的交点所对应的剪切速率即是临界剪切速率 ． 考虑 到膏体在管道中以层流状态输送， 本文只对 γ ＜ γ' 条件下的流变模型进行分析． 1. 2 全尾砂充填浆体流变模型与质量分数的关系 全尾砂充填浆体的流变模型与质量分数有直接 的关系． 当浆体质量分数较低时， 其流变模型一般 为牛顿体． 随着质量分数的逐渐增大， 当全尾砂料 “临界流态质量分数 ” 浆质量分数高于 时， 料浆出现 了屈服应力． 料浆在管道输送过程中受到的切应力 随剪切速率的变化偏向于向剪切速率轴方向弯曲 ， 呈现伪塑性， 则料浆的流变模型为屈服伪塑性体 ． 当质量分数接近饱和状态时， 料浆受到的切应力随 剪切速率变化趋于直线， 直到满足线性关系， 即宾汉 塑性体， 此时料浆的质量分数即膏体的临界质量分 数． 临界质量分数与浆体中所含有的黏性细颗粒大 流变模型的变化越复 小及 含 量 有 关． 颗 粒 越 细， 杂 ． 所以只要分析不同质量分数浆体的流变模 型， 便可确定膏体的临界质量分数．
随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源开采强度 逐年加大， 充填采矿法的应用日益广泛． 根据浆体 质量分数的高低， 充填分为低质量分数充填、 高质量 其中膏体充填近几年 分数充填以及膏体充填三种， 发展迅速． 在管道输送条件下， 这三种充填方式之 国内外对低质量 间必然存在临界质量分数． 目前， 分数与高质量分数料浆的临界质量分数研究较多 ． 例如， 刘同有提出了“临界流态浓度 ” 的概念， 对低 质量分数和高质量分数料浆进行了区分
［8 ］
( τK )
0
1ห้องสมุดไป่ตู้n
（ 3）
s －1， 式中， γ' 即为层流和紊 流 的 临 界 剪 切 速 率， 如 图 1、 图 2 所示． 结合图 1 和图 2 ， 式（ 2 ） 表明， τ0 和 K 一定， 表观 黏度是剪切速率的函数． 根据临界剪切速率， 表观 黏度可利用渐近线 AB 和 BC 分成两部分 ． 当剪切速率 γ ＜ γ' 时， 料浆处于层流状态， 此时 料浆的流变模型为屈服伪塑性体， 此时表观黏度主 要是由屈服应力产生， 如图 2 所示中 AB 段， 斜率为 － 1． 当剪切速率 γ ＞ γ' 时， 料浆处于紊流状态， 料浆 的结构遭到破坏， 屈服应力趋于零， 料浆的流变模型 为似牛顿体， 此时表观黏度主要是由幂律体产生 ， 如 AB 与 BC 段 图 2 所示中 BC 段， 斜率为 n － 1 ． 所以，
料浆在管道输送过程中具有层流和紊流两种不 同的流动形式． 当剪切速率小于某一剪切速率时， 料浆处于层流状态， 料浆的黏性主要以颗粒间及颗 粒与水之间的附着力为主， 即由屈服应力决定． 随 着剪切速率的提高， 料浆的黏度不断减小， 当剪切速 率大于该剪切速率时， 料浆处于紊流状态， 此时料浆 黏性主要以固体颗 的三维网络结构已完全被破坏， 屈服应力可以 粒间及颗粒与水间的能量交换为主， 忽略不计． 该剪切速率即为层流与紊流的临界剪切 速率． 根据上述分析， 令式（ 2 ） 等号右边两项相等， 计 算得出临界剪切速率为： γ' =
－1
为屈服伪塑性体， 具有屈服应力
（ 1）
图1 Fig． 1 全尾砂充填料浆的流变模型曲线 Rheological model curve of unclassifiedtailings filling slurries
Pa； γ 为剪切速率， s ； μ 为表 式中： τ 为剪切应力， Pa·s； τ0 为 屈 服 应 力， Pa； K 为 刚 度 系 数， 观黏度， Pa · s； n 为流态性能指数， 通常 n ＜ 1 ． n = 1 时， 当 τ0 = 0 、 为牛顿流体模型； 当 τ0 = 0 、 n ＜ 1 时， n ＜ 1 时， 为幂律体模型； 当 τ0 ＞ 0 、 为屈服伪 n = 1 时为宾汉塑性体模型； 塑性体模型； 当 τ0 ＞ 0 、 n ＞ 1 时为膨胀体模型． 当 τ0 ＞ 0 、 式（ 1 ） 变形得 －1 n －1 · μ = τ0· γ +K γ （ 2）
［1 ］
但对于 量分数浆体临界质量分数的有关报道较多 ， 高质量分数浆体或膏体的区分尚无可量化的界限 ， 只有定性的描述
［4 ］
． 因此， 本研究在实验的基础上
运用流变学理论分析不同质量分数料浆的流变模型 及流变特征， 提出并确定了膏体的临界质量分数 ， 其 管道设计优化 结果对膏体管道输送水力坡度计算、 等具有现实意义．
Grain size curve of filling materials
全尾 砂 的 平 均 粒 径 为 75. 59 μm， 中值粒径为 2 34. 95 μm， cm － 2 ， 全尾砂比表面积为 0. 5 m · ≤20 μm 的颗粒累计质量分数占 37. 20 % ， 按照公认膏体充 填料中 － 20 μm 颗粒质量分数为 15 % ～ 20 % 的要 － 20 μm 颗粒含量偏高． 通过计算， 求， 其中全尾砂 曲率系数为 0. 588 ， 按照工 的不均匀系数为 20. 668 ， 程经验， 全尾砂级配不良， 加入一定量的粗骨料水淬 渣一定程度上弥补了这方面的不足 ． 2. 2 实验装置 本实验测量仪器为 R / S + SST 软固体测试仪． 该仪器适用于对悬浮体和刚性膏体的测量 ． 由于其 测量的准确性， 近几年来在国外使用较流行， 与传统 的毛细管黏度计相比， 十字形转子对样品结构的破 坏最小， 并可以在低转速下测量流体的屈服应力 ； 与 十字形转子最大程度地克 传统的圆筒流变仪相比， 服了圆柱面的滑移效应， 从而大大提高了测量的精 -10 ［9 ］ ． 确性 2. 3 实验方法 目前， 该矿山工业应用的膏体料浆质量分数为 78 % ～ 80 % ． 这里取质量分数为 69 % ～ 81 % 从小到 大顺序依次配浆， 并置于 500 mL 的烧杯中进行流变 测试， 共计 13 组． 为了降低误差， 多次配浆取平均 值． 实验膏体采用控制剪切速率方法剪切测试， 流 变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值 ， 具 体参数设置采用 CSR （ controlled shear rate ） 模式， 剪 －1 切速率范围 0 ～ 120 s ， 时间 120 s．
ABSTRACT
The rheological characteristics and parameters of the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction were tested with a
fourbladed vane rotary rheometer taking unclassifiedtailings filling paste as a research object． Based on the HerschelBulkley model， the rheological models were derived from regression at shear rates of 0 to 120 s － 1 ． It is shown that the rheological models exhibit yieldpseudoplastic for the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction and Bingham plastic for the filling slurries of 81% in mass fraction． There is a good linear relationship between the flow behaviour index n and the mass fraction of filling slurries， and the flow behaviour index n increases with the mass fraction of filling slurries increasing． Finally，the threshold mass fraction of the paste is 80. 91% ． KEY WORDS backfill mining； tailings； slurries； rheology
Threshold mass fraction of unclassifiedtailings paste for backfill mining
ZHAI Yonggang1） ，WU Aixiang1） ，WANG Hongjiang1） ，CHEN Qinrui1） ，XIAO Yuntao1） ，SHOU Zhenyu2）
-布尔克莱模型回归得出料浆在剪切速率为 0 ～ 120 s － 1 条件下的流变模型． 结果表明： 质量分数为 69% ～ 采用赫谢尔其参数， 81% 的料浆流变模型为屈服伪塑性体 ， 质量分数为 81% 的料浆为宾汉塑性体； 流变性能指数 n 与料浆的质量分数呈线性关 系， 随质量分数的增大而增大 ． 膏体的临界质量分数为 80. 91% ． 关键词 分类号 充填采矿法； 尾砂； 料浆； 流变学 TD 853. 34
3
3. 1
结果与分析
流变特性分析
70 % 、 71 % 从 13 组实验膏体中分别选择 69 % 、 80 % 、 81 % 高质量分数两组 的低质量分数和 79 % 、 -剪切 料浆． 整理流变数据绘制其流变曲线及黏度如图 4 ～ 图 7 所示． 速率关系曲线，
图3 Fig． 3
充填物料粒级组成曲线
全尾 砂 充 填 浆 体 流 变 模 型 与 临 界 质 量 分数
全尾砂充填浆体的流变模型及其特征 大量研究证明， 全尾砂充填浆体的流变特性复
杂， 在层流状态下， 它是一种典型的非牛顿体， 一般
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． 用于浆体的动 态流变模型有两参数的宾汉塑性体模型 、 卡森模型、 -布尔克莱模型等． 幂律体模型和三参数的赫谢尔鉴于三参数模型较两参数模型精度高以及适应范围 ［6 ］ -布尔克莱模型模型分析不 现常采用赫谢尔广 ， 同剪切速率下料浆的流态性能指数， 进而确定流变 模型． -布尔克莱模型通式如下： 赫谢尔n τ = μγ = τ0 + Kγ
1 ） School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 ，China 2 ） Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co． Ltd． ，Manshan 243004 ，China mail： zhaiyonggang1@ 126． com Corresponding author，E-
2）
1 ） 北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京 100083 Email： zhaiyonggang1@ 126． com 通信作者，
2 ） 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 马鞍山 243004
摘
要
以全尾砂充填膏体为研究对象 ， 利用四叶桨式旋转式流变仪测试质量分数为 69% ～ 81% 的充填料浆的流变特征及
； 陈广文
1
1. 1
等根据浆体中细颗粒质量分数的变化提出了低质量 ［2 ］ 分数和高质量分数浆体的判定依据 ； Boger 通过 浆体在管道中由紊流到层流的转变说明了临界质量 ［3 ］ 分数的存在 ． 虽然国内外研究低质量分数和高质
-05 -14 收稿日期： 2010 基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划资助项目 （ No． 2006BAB02A01 ）
［7 ］
2
2. 1
实验部分
实验材料 本实验以云南某铅锌矿膏体充填为背景， 实验
第7 期
翟永刚等： 全尾砂膏体充填临界质量分数
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膏体按照现行工业配比， 即全尾砂 ∶ 水泥 ∶ 水淬渣为 7∶ 1∶ 1 配比配料． 全尾砂和水淬渣粒级组成分别采 用激光粒度仪和人工筛分获得， 成分分别如图 3 所 示． 水泥为普通 32. 5R 硅酸盐水泥．
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Journal of University of Science and Technology Beijing
全尾砂膏体充填临界质量分数
翟永刚
1）
吴爱祥
1）
王洪江
1）
陈琴瑞
1）
肖云涛
1）
寿震宇
图2 Fig． 2 全尾砂充填料浆的剪切变稀曲线 Shear thinning curve of unclassifiedtailings filling slurries
的交点所对应的剪切速率即是临界剪切速率 ． 考虑 到膏体在管道中以层流状态输送， 本文只对 γ ＜ γ' 条件下的流变模型进行分析． 1. 2 全尾砂充填浆体流变模型与质量分数的关系 全尾砂充填浆体的流变模型与质量分数有直接 的关系． 当浆体质量分数较低时， 其流变模型一般 为牛顿体． 随着质量分数的逐渐增大， 当全尾砂料 “临界流态质量分数 ” 浆质量分数高于 时， 料浆出现 了屈服应力． 料浆在管道输送过程中受到的切应力 随剪切速率的变化偏向于向剪切速率轴方向弯曲 ， 呈现伪塑性， 则料浆的流变模型为屈服伪塑性体 ． 当质量分数接近饱和状态时， 料浆受到的切应力随 剪切速率变化趋于直线， 直到满足线性关系， 即宾汉 塑性体， 此时料浆的质量分数即膏体的临界质量分 数． 临界质量分数与浆体中所含有的黏性细颗粒大 流变模型的变化越复 小及 含 量 有 关． 颗 粒 越 细， 杂 ． 所以只要分析不同质量分数浆体的流变模 型， 便可确定膏体的临界质量分数．
随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源开采强度 逐年加大， 充填采矿法的应用日益广泛． 根据浆体 质量分数的高低， 充填分为低质量分数充填、 高质量 其中膏体充填近几年 分数充填以及膏体充填三种， 发展迅速． 在管道输送条件下， 这三种充填方式之 国内外对低质量 间必然存在临界质量分数． 目前， 分数与高质量分数料浆的临界质量分数研究较多 ． 例如， 刘同有提出了“临界流态浓度 ” 的概念， 对低 质量分数和高质量分数料浆进行了区分
［8 ］
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（ 3）
s －1， 式中， γ' 即为层流和紊 流 的 临 界 剪 切 速 率， 如 图 1、 图 2 所示． 结合图 1 和图 2 ， 式（ 2 ） 表明， τ0 和 K 一定， 表观 黏度是剪切速率的函数． 根据临界剪切速率， 表观 黏度可利用渐近线 AB 和 BC 分成两部分 ． 当剪切速率 γ ＜ γ' 时， 料浆处于层流状态， 此时 料浆的流变模型为屈服伪塑性体， 此时表观黏度主 要是由屈服应力产生， 如图 2 所示中 AB 段， 斜率为 － 1． 当剪切速率 γ ＞ γ' 时， 料浆处于紊流状态， 料浆 的结构遭到破坏， 屈服应力趋于零， 料浆的流变模型 为似牛顿体， 此时表观黏度主要是由幂律体产生 ， 如 AB 与 BC 段 图 2 所示中 BC 段， 斜率为 n － 1 ． 所以，
料浆在管道输送过程中具有层流和紊流两种不 同的流动形式． 当剪切速率小于某一剪切速率时， 料浆处于层流状态， 料浆的黏性主要以颗粒间及颗 粒与水之间的附着力为主， 即由屈服应力决定． 随 着剪切速率的提高， 料浆的黏度不断减小， 当剪切速 率大于该剪切速率时， 料浆处于紊流状态， 此时料浆 黏性主要以固体颗 的三维网络结构已完全被破坏， 屈服应力可以 粒间及颗粒与水间的能量交换为主， 忽略不计． 该剪切速率即为层流与紊流的临界剪切 速率． 根据上述分析， 令式（ 2 ） 等号右边两项相等， 计 算得出临界剪切速率为： γ' =
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为屈服伪塑性体， 具有屈服应力
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图1 Fig． 1 全尾砂充填料浆的流变模型曲线 Rheological model curve of unclassifiedtailings filling slurries
Pa； γ 为剪切速率， s ； μ 为表 式中： τ 为剪切应力， Pa·s； τ0 为 屈 服 应 力， Pa； K 为 刚 度 系 数， 观黏度， Pa · s； n 为流态性能指数， 通常 n ＜ 1 ． n = 1 时， 当 τ0 = 0 、 为牛顿流体模型； 当 τ0 = 0 、 n ＜ 1 时， n ＜ 1 时， 为幂律体模型； 当 τ0 ＞ 0 、 为屈服伪 n = 1 时为宾汉塑性体模型； 塑性体模型； 当 τ0 ＞ 0 、 n ＞ 1 时为膨胀体模型． 当 τ0 ＞ 0 、 式（ 1 ） 变形得 －1 n －1 · μ = τ0· γ +K γ （ 2）
［1 ］
但对于 量分数浆体临界质量分数的有关报道较多 ， 高质量分数浆体或膏体的区分尚无可量化的界限 ， 只有定性的描述
［4 ］
． 因此， 本研究在实验的基础上
运用流变学理论分析不同质量分数料浆的流变模型 及流变特征， 提出并确定了膏体的临界质量分数 ， 其 管道设计优化 结果对膏体管道输送水力坡度计算、 等具有现实意义．
Grain size curve of filling materials
全尾 砂 的 平 均 粒 径 为 75. 59 μm， 中值粒径为 2 34. 95 μm， cm － 2 ， 全尾砂比表面积为 0. 5 m · ≤20 μm 的颗粒累计质量分数占 37. 20 % ， 按照公认膏体充 填料中 － 20 μm 颗粒质量分数为 15 % ～ 20 % 的要 － 20 μm 颗粒含量偏高． 通过计算， 求， 其中全尾砂 曲率系数为 0. 588 ， 按照工 的不均匀系数为 20. 668 ， 程经验， 全尾砂级配不良， 加入一定量的粗骨料水淬 渣一定程度上弥补了这方面的不足 ． 2. 2 实验装置 本实验测量仪器为 R / S + SST 软固体测试仪． 该仪器适用于对悬浮体和刚性膏体的测量 ． 由于其 测量的准确性， 近几年来在国外使用较流行， 与传统 的毛细管黏度计相比， 十字形转子对样品结构的破 坏最小， 并可以在低转速下测量流体的屈服应力 ； 与 十字形转子最大程度地克 传统的圆筒流变仪相比， 服了圆柱面的滑移效应， 从而大大提高了测量的精 -10 ［9 ］ ． 确性 2. 3 实验方法 目前， 该矿山工业应用的膏体料浆质量分数为 78 % ～ 80 % ． 这里取质量分数为 69 % ～ 81 % 从小到 大顺序依次配浆， 并置于 500 mL 的烧杯中进行流变 测试， 共计 13 组． 为了降低误差， 多次配浆取平均 值． 实验膏体采用控制剪切速率方法剪切测试， 流 变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值 ， 具 体参数设置采用 CSR （ controlled shear rate ） 模式， 剪 －1 切速率范围 0 ～ 120 s ， 时间 120 s．
ABSTRACT
The rheological characteristics and parameters of the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction were tested with a
fourbladed vane rotary rheometer taking unclassifiedtailings filling paste as a research object． Based on the HerschelBulkley model， the rheological models were derived from regression at shear rates of 0 to 120 s － 1 ． It is shown that the rheological models exhibit yieldpseudoplastic for the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction and Bingham plastic for the filling slurries of 81% in mass fraction． There is a good linear relationship between the flow behaviour index n and the mass fraction of filling slurries， and the flow behaviour index n increases with the mass fraction of filling slurries increasing． Finally，the threshold mass fraction of the paste is 80. 91% ． KEY WORDS backfill mining； tailings； slurries； rheology
Threshold mass fraction of unclassifiedtailings paste for backfill mining
ZHAI Yonggang1） ，WU Aixiang1） ，WANG Hongjiang1） ，CHEN Qinrui1） ，XIAO Yuntao1） ，SHOU Zhenyu2）
-布尔克莱模型回归得出料浆在剪切速率为 0 ～ 120 s － 1 条件下的流变模型． 结果表明： 质量分数为 69% ～ 采用赫谢尔其参数， 81% 的料浆流变模型为屈服伪塑性体 ， 质量分数为 81% 的料浆为宾汉塑性体； 流变性能指数 n 与料浆的质量分数呈线性关 系， 随质量分数的增大而增大 ． 膏体的临界质量分数为 80. 91% ． 关键词 分类号 充填采矿法； 尾砂； 料浆； 流变学 TD 853. 34
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结果与分析
流变特性分析
70 % 、 71 % 从 13 组实验膏体中分别选择 69 % 、 80 % 、 81 % 高质量分数两组 的低质量分数和 79 % 、 -剪切 料浆． 整理流变数据绘制其流变曲线及黏度如图 4 ～ 图 7 所示． 速率关系曲线，
图3 Fig． 3
充填物料粒级组成曲线
全尾 砂 充 填 浆 体 流 变 模 型 与 临 界 质 量 分数
全尾砂充填浆体的流变模型及其特征 大量研究证明， 全尾砂充填浆体的流变特性复
杂， 在层流状态下， 它是一种典型的非牛顿体， 一般
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1 ） School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 ，China 2 ） Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co． Ltd． ，Manshan 243004 ，China mail： zhaiyonggang1@ 126． com Corresponding author，E-
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1 ） 北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京 100083 Email： zhaiyonggang1@ 126． com 通信作者，
2 ） 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 马鞍山 243004
摘
要
以全尾砂充填膏体为研究对象 ， 利用四叶桨式旋转式流变仪测试质量分数为 69% ～ 81% 的充填料浆的流变特征及
； 陈广文
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等根据浆体中细颗粒质量分数的变化提出了低质量 ［2 ］ 分数和高质量分数浆体的判定依据 ； Boger 通过 浆体在管道中由紊流到层流的转变说明了临界质量 ［3 ］ 分数的存在 ． 虽然国内外研究低质量分数和高质
-05 -14 收稿日期： 2010 基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划资助项目 （ No． 2006BAB02A01 ）
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实验部分
实验材料 本实验以云南某铅锌矿膏体充填为背景， 实验
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翟永刚等： 全尾砂膏体充填临界质量分数
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膏体按照现行工业配比， 即全尾砂 ∶ 水泥 ∶ 水淬渣为 7∶ 1∶ 1 配比配料． 全尾砂和水淬渣粒级组成分别采 用激光粒度仪和人工筛分获得， 成分分别如图 3 所 示． 水泥为普通 32. 5R 硅酸盐水泥．