从屈服应力角度完善膏体定义

第36卷第7期 北京科技大学学报 Vol.36 No.7 2014年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2014 从屈服应力角度完善膏体定义 王 勇1，吴爱祥2四，王洪江，杨锡祥》，周发陆》，周勃 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 2)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 3)新疆伽师铜辉矿业有限公司，喀什844000 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要为了确定适合工业应用的膏体浓度范围，从屈服应力角度完善了膏体定义：以屈服应力为(200±25)P时料浆中固 相的质量分数为恰饱和质量分数，反推饱和率为101.5%~105.3%时料浆中固相的质量分数范围，即为工业应用膏体浓度. 采用不同矿山的两种尾矿(1尾矿和2尾矿)对膏体定义分别进行室内实验和工程验证.结果表明：1尾矿室内动态压密实验 获得的底流中固相的最大质量分数为3.71%，膏体定义预测的理论膏体浓度最大值为73.89%，二者相差0.18%：2尾矿通 过深锥浓密机获得底流中固相的最大质量分数为68%，膏体定义预测的理论膏体浓度最大值为68.97%，二者相差0.97%. 完善后的膏体定义对膏体浓度预测更可靠。 关键词膏体：定义；屈服应力：浓度：饱和 分类号TD853:TD854 Further development of paste definition from the viewpoint of yield tress WANG Yong),WU Ai-xiang,WANG Hong jiang?,YANG Xi-xiang),ZHOU Fa-u,ZHOU Bo) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal (Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 3)Jiashi County Tonghui Mining Co.Lid.,Kashi 844000,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT In order to determine the suitable concentration of paste for industrial application,a further development of paste defini- tion was proposed from the viewpoint of yield stress.The slurry saturation concentration is defined at the yield stress of(200+25)Pa. The suitable concentration of paste for industrial application is the slurry concentration range at the saturation ratio of 101.5%to 105.3%by back-stepping.Two tailings samples (named as Tailings I and 2)from different mines were used to testify the paste defini- tion.Tailing I was used in laboratory experiment and Tailing 2 for engineering verification.The results show that the maximum concen- tration of Tailing 1 is 73.71%by indoor dynamic consolidation experiment,and the maximum concentration of theoretic prediction by the paste definition is 73.89%,which has the difference of 0.18%compared with the laboratory experiment.The maximum underflow concentration of Tailing 2 can reach 68%by a deep cone thickener of some mine,and the maximum concentration is 68.97%by pre- diction of the paste definition,a0.97%discrepancy in comparison with the underflow of the actual thickener.Hence,the paste defini- tion proposed in the paper has high reliability for predicting the concentration of paste. KEY WORDS paste:definition:yield stress;concentration;saturation 膏体处置技术因其优点突出，逐渐被人们所认可，且应用越来越广泛-.膏体浓度是膏体技术 收稿日期：201304-21 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB08B02,2013BAB02B05):高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20110006130003,2011000612002):国家自然科学基金资助项目(51374034,51374035) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.07.001;http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 7 期 2014 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 7 Jul． 2014 从屈服应力角度完善膏体定义 王 勇1，2) ，吴爱祥1，2) ，王洪江2) ，杨锡祥3) ，周发陆3) ，周 勃2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 新疆伽师铜辉矿业有限公司，喀什 844000  通信作者，E-mail: wuaixiang@ 126． com 摘 要 为了确定适合工业应用的膏体浓度范围，从屈服应力角度完善了膏体定义: 以屈服应力为( 200 ± 25) Pa 时料浆中固 相的质量分数为恰饱和质量分数，反推饱和率为 101. 5% ～ 105. 3% 时料浆中固相的质量分数范围，即为工业应用膏体浓度． 采用不同矿山的两种尾矿( 1# 尾矿和 2# 尾矿) 对膏体定义分别进行室内实验和工程验证． 结果表明: 1# 尾矿室内动态压密实验 获得的底流中固相的最大质量分数为 73. 71% ，膏体定义预测的理论膏体浓度最大值为 73. 89% ，二者相差 0. 18% ; 2# 尾矿通 过深锥浓密机获得底流中固相的最大质量分数为 68% ，膏体定义预测的理论膏体浓度最大值为 68. 97% ，二者相差 0. 97% ． 完善后的膏体定义对膏体浓度预测更可靠． 关键词 膏体; 定义; 屈服应力; 浓度; 饱和 分类号 TD 853; TD 854 Further development of paste definition from the viewpoint of yield tress WANG Yong1，2) ，WU Ai-xiang1，2)  ，WANG Hong-jiang2) ，YANG Xi-xiang3) ，ZHOU Fa-lu3) ，ZHOU Bo2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal ( Ministry of Education) ，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China 3) Jiashi County Tonghui Mining Co． Ltd． ，Kashi 844000，China  Corresponding author，E-mail: wuaixiang@ 126． com ABSTＲACT In order to determine the suitable concentration of paste for industrial application，a further development of paste defini￾tion was proposed from the viewpoint of yield stress． The slurry saturation concentration is defined at the yield stress of ( 200 ± 25) Pa． The suitable concentration of paste for industrial application is the slurry concentration range at the saturation ratio of 101. 5% to 105. 3% by back-stepping． Two tailings samples ( named as Tailings 1 and 2) from different mines were used to testify the paste defini￾tion． Tailing 1 was used in laboratory experiment and Tailing 2 for engineering verification． The results show that the maximum concen￾tration of Tailing 1 is 73. 71% by indoor dynamic consolidation experiment，and the maximum concentration of theoretic prediction by the paste definition is 73. 89% ，which has the difference of 0. 18% compared with the laboratory experiment． The maximum underflow concentration of Tailing 2 can reach 68% by a deep cone thickener of some mine，and the maximum concentration is 68. 97% by pre￾diction of the paste definition，a 0. 97% discrepancy in comparison with the underflow of the actual thickener． Hence，the paste defini￾tion proposed in the paper has high reliability for predicting the concentration of paste． KEY WOＲDS paste; definition; yield stress; concentration; saturation 收稿日期: 2013--04--21 基金项目: “十 二 五”国家科技支撑计划资助项目 ( 2012BAB08B02，2013BAB02B05 ) ; 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 ( 20110006130003，2011000612002) ; 国家自然科学基金资助项目( 51374034，51374035) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 07． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 膏体处置技术因其优点突出，逐渐被人们所认 可，且应用越来越广泛［1 － 4］． 膏体浓度是膏体技术

·856 北京科技大学学报 第36卷 的关键技术指标，它决定着整个充填系统设计及设 100 备参数选型，影响着膏体的流动性能和充填质量 音体临界浓度代表着音体达到饱和状态时的浓度. 80 一般来说，为了保证膏体较好的流动性，膏体的工程 60 应用浓度要略小于膏体临界浓度. 对于膏体判别方法，国内外做了大量研究.国 40 外认为，当料浆中-20m颗粒质量分数应为15%~ 20%,且料浆的屈服应力大于(200±25)PaB-时， 20 可以视为音体.其中，对于细颗粒含量的论述是经 109 验性的.工程实践验证，屈服应力在200Pa左右的 101 10 粒径/um 音体流动性差，工业应用中输送困难.国内通常采 图11#尾矿粒级组成 用塌落度和分层度指标来表征膏体，认为膏体的塌 Fig.I Size distribution of Tailing 1 落度在15~25cm、分层度小于2cm仞.其中塌落度 测量方法简单；但是根据集料构成不同，物料的扩散 1.2实验装置 度不尽相同，并不能准确表征音体流动性能 实验采用Brookfield R/S+型流变仪，如图2所 笔者曾经在《从饱和率和泌水率角度探讨膏体 示，它适用于对悬浮体和刚性膏体的测量.该设备 新定义》一文中，对音体定义进行量化，认为饱和率 用来测量1尾矿的剪应力和黏度. 在101.5%~105.3%之间，泌水率为1.3%~5%之 间的集料，即构成合格膏体).饱和率和泌水率范 围都是经过缜密推导得出的，但是界定饱和率和泌 水率的基准浓度（饱和浓度）是通过密度、容重等参 数间接求得，其中容重测量难以精准，导致饱和浓度 范围界定出现少许误差.而膏体技术在工程应用 中，对膏体浓度非常敏感，高出几个百分点，会增加 输送难度，低出几个百分点，则膏体质量大打折扣. 为此，需要寻求更加精确的饱和浓度界别方法，对膏 图2 Brookfield R/S+型流变仪 体定义进行完善. Fig.2 Brookfield R/S+rheometer 屈服应力能够直接反应膏体的流变性能，可重 将1"全尾砂和自来水在500mL的烧杯中配置 复性强.本文拟从屈服应力角度对膏体定义进行完 固相质量分数为67%~76%的10组料浆，每组料 善，并通过室内实验和工程实例对该界别方法进行 浆850g,搅拌约5min,直至均匀.将配置好的料浆 验证，确保该方法在工业应用中的可靠性. 浸没搅拌转子（十字形转子V40_20_3tol).将其放 1实验装置和方法 置于流变仪下，设置为CsR模式(controlled shear rate)按照表2进行参数设置 1.1实验材料 表2参数设置表 实验尾矿来自新疆某铜矿选厂，该尾矿称为1" Table 2 Parameters setting 尾矿，对该尾矿配置浆体流变参数测试，完善膏体定 模式 剪切速率/s1 时间/s 义.尾砂基本物理性能如表1所示，粒度筛析结果 CSR 0-120 120 如图1所示，该尾砂-200目的质量分数为 64.32%,-20um的细颗粒质量分数为29.8%，平 1.3实验结果 均粒径d为58um. 不同固相质量分数下黏度和时间关系曲线如图 表11尾矿的物理性能 3所示，不同固相质量分数下剪切力和剪切速率的 Table 1 Physical properties of Tailing I 关系曲线如图4所示. 密度/松散容重/密实容重/松散孔隙密实孔隙含水率/ 由图3和图4可知：随着剪切速率由零开始增 (tm3)(tm3)(tm3)率/% 率/% % 大，膏体的结构遭到破坏，表观黏度迅速减小，料浆 2.6621.19 1.60455.339.740.47 中固相质量分数变高，这种现象越明显，流变曲线越

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 的关键技术指标，它决定着整个充填系统设计及设 备参数选型，影响着膏体的流动性能和充填质量． 膏体临界浓度代表着膏体达到饱和状态时的浓度． 一般来说，为了保证膏体较好的流动性，膏体的工程 应用浓度要略小于膏体临界浓度． 对于膏体判别方法，国内外做了大量研究． 国 外认为，当料浆中 － 20 μm 颗粒质量分数应为 15% ～ 20% ，且料浆的屈服应力大于( 200 ± 25) Pa［5 － 6］时， 可以视为膏体． 其中，对于细颗粒含量的论述是经 验性的． 工程实践验证，屈服应力在 200 Pa 左右的 膏体流动性差，工业应用中输送困难． 国内通常采 用塌落度和分层度指标来表征膏体，认为膏体的塌 落度在 15 ～ 25 cm、分层度小于 2 cm［7］． 其中塌落度 测量方法简单; 但是根据集料构成不同，物料的扩散 度不尽相同，并不能准确表征膏体流动性能． 笔者曾经在《从饱和率和泌水率角度探讨膏体 新定义》一文中，对膏体定义进行量化，认为饱和率 在 101. 5% ～ 105. 3% 之间，泌水率为 1. 3% ～ 5% 之 间的集料，即构成合格膏体［8］． 饱和率和泌水率范 围都是经过缜密推导得出的，但是界定饱和率和泌 水率的基准浓度( 饱和浓度) 是通过密度、容重等参 数间接求得，其中容重测量难以精准，导致饱和浓度 范围界定出现少许误差． 而膏体技术在工程应用 中，对膏体浓度非常敏感，高出几个百分点，会增加 输送难度，低出几个百分点，则膏体质量大打折扣． 为此，需要寻求更加精确的饱和浓度界别方法，对膏 体定义进行完善． 屈服应力能够直接反应膏体的流变性能，可重 复性强． 本文拟从屈服应力角度对膏体定义进行完 善，并通过室内实验和工程实例对该界别方法进行 验证，确保该方法在工业应用中的可靠性． 1 实验装置和方法 1. 1 实验材料 实验尾矿来自新疆某铜矿选厂，该尾矿称为 1# 尾矿，对该尾矿配置浆体流变参数测试，完善膏体定 义． 尾砂基本物理性能如表 1 所示，粒度筛析结果 如 图 1 所 示，该 尾 砂 － 200 目的质量分数为 64. 32% ，－ 20 μm 的细颗粒质量分数为 29. 8% ，平 均粒径 d 为 58 μm． 表 1 1# 尾矿的物理性能 Table 1 Physical properties of Tailing 1 密度/ ( t·m － 3 ) 松散容重/ ( t·m － 3 ) 密实容重/ ( t·m － 3 ) 松散孔隙 率/% 密实孔隙 率/% 含水率/ % 2. 662 1. 19 1. 604 55. 3 39. 74 0. 47 图 1 1# 尾矿粒级组成 Fig． 1 Size distribution of Tailing 1 1. 2 实验装置 实验采用 Brookfield Ｒ / S + 型流变仪，如图 2 所 示，它适用于对悬浮体和刚性膏体的测量． 该设备 用来测量 1# 尾矿的剪应力和黏度． 图 2 Brookfield Ｒ / S + 型流变仪 Fig． 2 Brookfield Ｒ / S + rheometer 将 1# 全尾砂和自来水在 500 mL 的烧杯中配置 固相质量分数为 67% ～ 76% 的 10 组料浆，每组料 浆 850 g，搅拌约 5 min，直至均匀． 将配置好的料浆 浸没搅拌转子( 十字形转子 V40_20_3tol) ． 将其放 置于流变仪下，设置为 CSＲ 模式( controlled shear rate) 按照表 2 进行参数设置． 表 2 参数设置表 Table 2 Parameters setting 模式 剪切速率/ s － 1 时间/ s CSＲ 0 ～ 120 120 1. 3 实验结果 不同固相质量分数下黏度和时间关系曲线如图 3 所示，不同固相质量分数下剪切力和剪切速率的 关系曲线如图 4 所示． 由图 3 和图 4 可知: 随着剪切速率由零开始增 大，膏体的结构遭到破坏，表观黏度迅速减小，料浆 中固相质量分数变高，这种现象越明显，流变曲线越 · 658 ·

第7期 王勇等：从屈服应力角度完善膏体定义 ·857· 103 ·一67% 式中：r为剪切应力，Pa;ro为屈服应力，Pap为塑 一68% 4一69% 性黏度，Pas;y为剪切速率，sl 10P 70% 根据Bingham模型拟合方程各个系数，结果如 4一71% +一72% 表3. ◆73% 10 ◆一74% 表3 Bingham模型拟合1尾矿的流变系数 75% Table 3 Rheological coefficients of Tailing 1 fitted according to the *76% Bingham model 10 料浆中固相 复相关系数， To/Pa up/(Pa.s) 质量分数/% R2 10 10 10 可 17.5173 0.2500 0.8676 剪切时间长 68 17.7668 0.1713 0.8875 图31尾矿不同固相质量分数下剪切时间对黏度的影响 69 24.8434 0.2245 0.9230 Fig.3 Effect of shear time on the viscosity at different Tailing I slur- 70 34.4756 0.2129 0.9779 ry concentrations 小 48.2958 0.2268 0.9795 500 一67% —68% 4一69% 12 63.1556 0.2626 0.9622 ￥一70% 一71% ◆一72% 73 88.3959 0.2549 0.9398 -◆一73h ◆一7450 400 ◆一75% 76 74 122.0591 0.3113 0.9640 196.3025 0.4979 0.9207 300 75 6 273.0009 0.9545 0.9494 G 200 2.2全尾屈服应力数学模型 100 由表3可知，1"尾矿料浆中固相质量分数为 67%~76%时，屈服应力为17.52~273.00Pa.根据 40 80 120 表3数据，绘制屈服应力与固相质量分数关系图如 剪切速率s1 图5. 图41*尾矿不同固相质量分数下剪切速率对剪切力的影响 300 Fig.4 Effect of shear rate on the shear stress at different Tailing I slurry concentrations 250 偏向剪切速率轴：剪切速率继续增大，在这一阶段， 200 音体性能稳定，表观黏度减小规律趋于平缓，剪切应 力与剪切速率近似为线性关系；且在相同条件下，料 100- 浆中固相质量分数越大，表观黏度和剪应力也越大 50 2从屈服应力角度完善膏体定义 首先采用Bingham模型回归1"尾矿的屈服应 6 68 70 72 74 固相质量分数条 力.由于屈服应力反映了膏体输送性能的好坏，依 据屈服应力增量随料浆中固相质量分数的变化情 图51尾矿料浆浓度对屈服应力的影响 Fig.5 Effect of Tailing I slurry concentration on the yield stress 况，判定膏体合理的输送浓度.最后，结合浆体饱和 率对膏体的约束，对膏体定义进行完善. 遵循Power函数里的Allometric模型（异速增长 2.1 Bingham模型回归 模型)y=ax“,采用该模型回归方程如下式： 当料浆中固相质量分数接近饱和状态时，料浆 y=1.9755×10-4“x266sm,R2=0.9953. (2) 受到的切应力随剪切速率变化趋于直线，直到满足 式中：y为屈服应力，Pa;x为尾矿料浆中固相质量 线性关系，即宾汉塑性体，此时料浆中固相质量分数 分数 即为音体临界浓度.Bingham模型如下式： 由式(2)得知，当膏体达到一定浓度时，屈服应 T To +upy. (1) 力随料浆中固相质量分数增加并非线性增长，而是

第 7 期 王 勇等: 从屈服应力角度完善膏体定义 图 3 1# 尾矿不同固相质量分数下剪切时间对黏度的影响 Fig． 3 Effect of shear time on the viscosity at different Tailing 1 slur￾ry concentrations 图 4 1# 尾矿不同固相质量分数下剪切速率对剪切力的影响 Fig． 4 Effect of shear rate on the shear stress at different Tailing 1 slurry concentrations 偏向剪切速率轴; 剪切速率继续增大，在这一阶段， 膏体性能稳定，表观黏度减小规律趋于平缓，剪切应 力与剪切速率近似为线性关系; 且在相同条件下，料 浆中固相质量分数越大，表观黏度和剪应力也越大． 2 从屈服应力角度完善膏体定义 首先采用 Bingham 模型回归 1# 尾矿的屈服应 力． 由于屈服应力反映了膏体输送性能的好坏，依 据屈服应力增量随料浆中固相质量分数的变化情 况，判定膏体合理的输送浓度． 最后，结合浆体饱和 率对膏体的约束，对膏体定义进行完善． 2. 1 Bingham 模型回归 当料浆中固相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，此时料浆中固相质量分数 即为膏体临界浓度［9］． Bingham 模型如下式: τ = τ0 + μP γ． ( 1) 式中: τ 为剪切应力，Pa; τ0 为屈服应力，Pa; μP 为塑 性黏度，Pa·s; γ 为剪切速率，s － 1 ． 根据 Bingham 模型拟合方程各个系数，结果如 表 3． 表 3 Bingham 模型拟合 1# 尾矿的流变系数 Table 3 Ｒheological coefficients of Tailing 1 fitted according to the Bingham model 料浆中固相 质量分数/% τ0 /Pa μP /( Pa·s) 复相关系数， Ｒ2 67 17. 5173 0. 2500 0. 8676 68 17. 7668 0. 1713 0. 8875 69 24. 8434 0. 2245 0. 9230 70 34. 4756 0. 2129 0. 9779 71 48. 2958 0. 2268 0. 9795 72 63. 1556 0. 2626 0. 9622 73 88. 3959 0. 2549 0. 9398 74 122. 0591 0. 3113 0. 9640 75 196. 3025 0. 4979 0. 9207 76 273. 0009 0. 9545 0. 9494 2. 2 全尾屈服应力数学模型 由表 3 可知，1# 尾矿料浆中固相质量分数为 67% ～ 76% 时，屈服应力为 17. 52 ～ 273. 00 Pa． 根据 表 3 数据，绘制屈服应力与固相质量分数关系图如 图 5． 图 5 1# 尾矿料浆浓度对屈服应力的影响 Fig． 5 Effect of Tailing 1 slurry concentration on the yield stress 遵循 Power 函数里的 Allometric 模型( 异速增长 模型) y = axb ，采用该模型回归方程如下式: y = 1. 9755 × 10 － 48 x 26. 6577，Ｒ2 = 0. 9953． ( 2) 式中: y 为屈服应力，Pa; x 为尾矿料浆中固相质量 分数． 由式( 2) 得知，当膏体达到一定浓度时，屈服应 力随料浆中固相质量分数增加并非线性增长，而是 · 758 ·

·858 北京科技大学学报 第36卷 呈指数增长.计算不同固相质量分数的料浆的屈服 拌脱水，取样浓缩尾矿烘干，烘干后计算的膏体浓度 应力增量，固相质量分数为C:+:时屈服应力增量定 与定义预测音体浓度进行对比. 义为C:+!时屈服应力减去C:时屈服应力，计算方法 (1)实验装置.实验采用自制尾砂浓密装置，该 如下式.不同固相质量分数时屈服应力增量计算结 装置主要依赖一个旋转的转子对尾砂中的水分进行 果如图6 有效导出，由于转速较慢，可以较为准确地预测膏体 △T=Ti+1-T (3) 浓度 式中：△r为屈服应力增量，Pa;T+1为固相质量分数 (2)实验方法.配置25%(1"尾砂750g、水 C:1时屈服应力，Pa;r:为固相质量分数C:时屈服 2250g)的料浆，添加质量分数0.3%的絮凝剂溶液 应力，Pa 6.25g,设置转子转速0.1rmin-,进行浓密实验. 图6表明，不同固相质量分数下屈服应力增量 (3)实验结果.图7(a)、(b)和(c)分别代表尾 不同，当尾矿料浆中固相质量分数达到75%时，屈 矿不同沉降时间的沉降高度、沉降速度和压密后固 服应力由122.06Pa增加至196.30Pa,增加了74.24 相质量分数.结果显示，浓密时间达到8h,料浆中 Pa. 固相的平均质量分数达到71.74%，直至12h以上， 80 固相质量分数不变 (4)取样烘干.分别对浓缩矿浆顶部和底部料 60 浆进行取样，盛放于两个烧杯内，在95℃的烘箱中 烘干48h,测得料浆中固相质量分数分别为69.54% $ 0 和73.71%，二者平均值为71.63%.实测平均值与 观测值71.74%基本一致. (5)验证结果.实验获得底流料浆中固相的最 20 大质量分数为73.71%，膏体定义预测的膏体浓度 最大值为73.89%，二者相差0.18%.从实验角度 70 72 74 验证结果表明，音体定义是可靠的 固相质量分数/咏 3.2工程验证 图61新疆尾矿料浆中固相质量分数对屈服应力增量的影响 某矿地处极寒、干燥气候，生态脆弱，采用露天 Fig.6 Effect of Tailing I slurry concentration on the yield stress in- 开采方式，尾矿排放量大.矿山设计采用膏体堆存 crement 技术，采用深锥浓密技术对尾矿进行一段浓缩，目前 2.3从屈服应力角度完善膏体定义 运行状况良好0.尾矿排放浓度为62%~68%. 国外认为，料浆的屈服应力在(200±25)Pa时， 3.2.1实验材料 达到膏体特性，根据工程经验，该屈服应力下的膏体 实验材料来自该矿选厂排放口，该尾矿称为2” 很难进行工业应用，该屈服应力值对应的料浆中固 尾矿，-320目颗粒的质量分数为45.45%，物理性 相质量分数是料浆中的水分恰好填满孔隙、不会析 能如表4所示. 出的膏体浓度.而适合工业应用的膏体应当有少量 表42*尾矿物理性能 水分泌出，在输送时起到润滑作用. Table 4 Physical properties of Tailing 2 完善后的膏体定义如下：浆体屈服应力在(200± 真密度/(m3) 容重/(1m3) 孔隙率/% 25)Pa时的固相质量分数作为膏体临界浓度，反推 2.688 1.4 47.92 浆体饱和率为101.5%~105.3%时的料浆中固相 质量分数范围，该范围即为适合工业应用的膏体 3.2.2流变参数测量 浓度. 采用与1”尾矿屈服应力测量相同的方法，对2” 尾矿流变参数进行测量，结果如图8和图9 3膏体定义验证 3.2.3膏体浓度的确定 3.1室内实验验证 根据Bingham模型拟合方程各个系数，结果如 根据完普后的膏体定义，1"尾矿的膏体临界浓 表5，不同固相质量分数下屈服应力增量如图10. 度为75%，料浆中固相质量分数范围是71.23%~ 与1"尾矿变化规律相似，2"尾矿屈服应力增量 73.89%.为了对该范围进行验证，对尾矿进行了搅 也出现陡增现象，并且陡增后的屈服应力为213.56

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 呈指数增长． 计算不同固相质量分数的料浆的屈服 应力增量，固相质量分数为 Ci + 1时屈服应力增量定 义为 Ci + 1时屈服应力减去 Ci 时屈服应力，计算方法 如下式． 不同固相质量分数时屈服应力增量计算结 果如图 6． Δτ = τi + 1 － τi ． ( 3) 式中: Δτ 为屈服应力增量，Pa; τi + 1为固相质量分数 Ci + 1时屈服应力，Pa; τi 为固相质量分数 Ci 时屈服 应力，Pa． 图 6 表明，不同固相质量分数下屈服应力增量 不同，当尾矿料浆中固相质量分数达到 75% 时，屈 服应力由 122. 06 Pa 增加至 196. 30 Pa，增加了 74. 24 Pa． 图 6 1# 新疆尾矿料浆中固相质量分数对屈服应力增量的影响 Fig． 6 Effect of Tailing 1 slurry concentration on the yield stress in￾crement 2. 3 从屈服应力角度完善膏体定义 国外认为，料浆的屈服应力在( 200 ± 25) Pa 时， 达到膏体特性，根据工程经验，该屈服应力下的膏体 很难进行工业应用，该屈服应力值对应的料浆中固 相质量分数是料浆中的水分恰好填满孔隙、不会析 出的膏体浓度． 而适合工业应用的膏体应当有少量 水分泌出，在输送时起到润滑作用． 完善后的膏体定义如下: 浆体屈服应力在( 200 ± 25) Pa 时的固相质量分数作为膏体临界浓度，反推 浆体饱和率为 101. 5% ～ 105. 3% 时的料浆中固相 质量分数范围，该范围即为适合工业应用的膏体 浓度． 3 膏体定义验证 3. 1 室内实验验证 根据完善后的膏体定义，1# 尾矿的膏体临界浓 度为 75% ，料浆中固相质量分数范围是 71. 23% ～ 73. 89% ． 为了对该范围进行验证，对尾矿进行了搅 拌脱水，取样浓缩尾矿烘干，烘干后计算的膏体浓度 与定义预测膏体浓度进行对比． ( 1) 实验装置． 实验采用自制尾砂浓密装置，该 装置主要依赖一个旋转的转子对尾砂中的水分进行 有效导出，由于转速较慢，可以较为准确地预测膏体 浓度． ( 2) 实 验 方 法． 配 置 25% ( 1# 尾砂 750 g、水 2250 g) 的料浆，添加质量分数 0. 3% 的絮凝剂溶液 6. 25 g，设置转子转速 0. 1 r·min － 1，进行浓密实验． ( 3) 实验结果． 图 7( a) 、( b) 和( c) 分别代表尾 矿不同沉降时间的沉降高度、沉降速度和压密后固 相质量分数． 结果显示，浓密时间达到 8 h，料浆中 固相的平均质量分数达到 71. 74% ，直至 12 h 以上， 固相质量分数不变． ( 4) 取样烘干． 分别对浓缩矿浆顶部和底部料 浆进行取样，盛放于两个烧杯内，在 95 ℃ 的烘箱中 烘干 48 h，测得料浆中固相质量分数分别为 69. 54% 和 73. 71% ，二者平均值为 71. 63% ． 实测平均值与 观测值 71. 74% 基本一致． ( 5) 验证结果． 实验获得底流料浆中固相的最 大质量分数为 73. 71% ，膏体定义预测的膏体浓度 最大值为 73. 89% ，二者相差 0. 18% ． 从实验角度 验证结果表明，膏体定义是可靠的． 3. 2 工程验证 某矿地处极寒、干燥气候，生态脆弱，采用露天 开采方式，尾矿排放量大． 矿山设计采用膏体堆存 技术，采用深锥浓密技术对尾矿进行一段浓缩，目前 运行状况良好［10］． 尾矿排放浓度为 62% ～ 68% ． 3. 2. 1 实验材料 实验材料来自该矿选厂排放口，该尾矿称为 2# 尾矿，－ 320 目颗粒的质量分数为 45. 45% ，物理性 能如表 4 所示． 表 4 2# 尾矿物理性能 Table 4 Physical properties of Tailing 2 真密度/( t·m － 3 ) 容重/( t·m － 3 ) 孔隙率/% 2. 688 1. 4 47. 92 3. 2. 2 流变参数测量 采用与 1# 尾矿屈服应力测量相同的方法，对 2# 尾矿流变参数进行测量，结果如图 8 和图 9． 3. 2. 3 膏体浓度的确定 根据 Bingham 模型拟合方程各个系数，结果如 表 5，不同固相质量分数下屈服应力增量如图 10． 与 1# 尾矿变化规律相似，2# 尾矿屈服应力增量 也出现陡增现象，并且陡增后的屈服应力为 213. 56 · 858 ·

第7期 王勇等：从屈服应力角度完善膏体定义 ·859· 400 2000 350+ 150 300 250 100 200 150 50 100 500 100 200 300400 500 600 100 10 10 压密时间min 沉降时间/min 80 e 60 40 100 200300400500600 沉降时间/min 图7沉降时间对1·尾矿沉降高度(a)、沉降速度(b)和压密后固相质量分数(c)的影响 Fig.7 Effect of setting time on the setting height (a),setting velocity (b)and setting concentration (c)of Tailing I a 500 。59% 。-59%一◆-61%463% 一61% 年65% —4一67% 一◆69% 63所 一◆一70%。一71% 10 400 65% 67% 69% 300l 10 +一70% ◆-719% 109 100 10 10 10 40 80 120 剪切时间s 剪切速率s 图82尾矿不同料浆浓度下剪切时间对黏度影响 图92尾矿不同质量分数剪切速率对剪切力的影响 Fig.8 Effect of shear time on the viscosity at different Tailing 2 slur- Fig.9 Effect of shear rate on the shear stress at different Tailing 2 ry concentrations slurry concentrations Pa.根据音体定义，该屈服应力值对应的料浆中固 底流中固相质量分数会出现一定程度波动.浓密机 相质量分数值70%便是临界浓度，则适合工业应用 运行的固相最大质量分数68%与预测料浆中固相 的膏体浓度预测值为66.48%~68.97%. 质量分数最大值68.97%相比，二者相差0.97%. 3.2.4验证结果 现场深锥浓密机底流中固相质量分数62%~ 4结论 68%,下限值超出了定义预测范围.这是因为现场 (1)膏体屈服应力随固相质量分数变化遵循 生产中，受到絮凝效果、浓密时间、气候等因素影响， Power函数里的Allometric模型（异速增长模型）y=

第 7 期 王 勇等: 从屈服应力角度完善膏体定义 图 7 沉降时间对 1# 尾矿沉降高度( a) 、沉降速度( b) 和压密后固相质量分数( c) 的影响 Fig． 7 Effect of setting time on the setting height ( a) ，setting velocity ( b) and setting concentration ( c) of Tailing 1 图 8 2# 尾矿不同料浆浓度下剪切时间对黏度影响 Fig． 8 Effect of shear time on the viscosity at different Tailing 2 slur￾ry concentrations Pa． 根据膏体定义，该屈服应力值对应的料浆中固 相质量分数值 70% 便是临界浓度，则适合工业应用 的膏体浓度预测值为 66. 48% ～ 68. 97% ． 3. 2. 4 验证结果 现场深锥浓密机底流中固相质量分数 62% ～ 68% ，下限值超出了定义预测范围． 这是因为现场 生产中，受到絮凝效果、浓密时间、气候等因素影响， 图 9 2# 尾矿不同质量分数剪切速率对剪切力的影响 Fig． 9 Effect of shear rate on the shear stress at different Tailing 2 slurry concentrations 底流中固相质量分数会出现一定程度波动． 浓密机 运行的固相最大质量分数 68% 与预测料浆中固相 质量分数最大值 68. 97% 相比，二者相差 0. 97% ． 4 结论 ( 1) 膏体屈服应力随固相质量分数变化遵循 Power 函数里的 Allometric 模型( 异速增长模型) y = · 958 ·

·860· 北京科技大学学报 第36卷 表5 Bingham模型拟合2尾矿流变系数 底流中固相的最大质量分数为73.71%，膏体定义 Table 5 Rheological coefficients of Tailing 2 fitted according to the 预测的理论膏体浓度最大值为73.89%，二者相差 Bingham model 0.18%.2尾矿现场深锥浓密机底流中固相的最大 料浆中固相 复相关系数， To/Pa 凸n/(Pas) 质量分数为68%，膏体定义预测膏体浓度最大值为 质量分数/% R2 68.97%,二者相差0.97%.综上所述，完善后的膏 59 2.1592 0.3242 0.8735 体定义界定膏体浓度可信度较高. 61 11.3571 0.3137 0.9142 63 31.0392 0.2535 0.9687 部 考文献 65 58.1989 0.3108 0.9385 [Grabinsky M W.In situ monitoring for ground truthing paste back- fill designs /Proceedings of the 13th International Seminar on 67 98.5256 0.4900 0.9536 Paste and Thickened Tailings.Canada,2010:85 69 139.1900 0.4900 0.9784 2] Fall M,Nasir O.Predicting the temperature and strength develop- 70 213.5568 0.8089 0.9517 ment within cemented paste backfill structures /Proceedings of 71 242.4299 0.9684 0.9880 the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings Canada,2010:125 B] Belem T,Fourie A B,Fahey M.Time-dependent failure criterion for cemented paste backfills/Proceedings of the 13th Internation- al Seminar on Paste and Thickened Tailings.Canada,2010:147 60 4]Nasir 0,Fall M.Coupling binder hydration temperature and com- pressive strength development of underground cemented paste backfill at early ages.Tunnelling Underground Space Technol, 2010,25(1):9 [5]Fall M,Celestin J,Han F S.Potential use of densified polymer- pastefill mixture as waste containment barrier materials.Waste Manage,2010,30(12):2570 [6]Jewell R J,Fourie A B,Lord E R.Paste and Thickened Tailings a Guide.Australian Centre for Geomechanics (ACG),2002 58 60 62 646668 70 固相质量分数烧 LiuTY,Zhou C P,Jin M L,et al.The Application and Technolo- 图102乌山尾矿料浆浓度对屈服应力增量的影响 gy of Backfilling Mining.Beijing:Metallurgical Industry Press, Fig.10 Effect of Tailing 2 slurry concentration on the yield stress in- 2001 cremen (刘同有，周成浦，金铭良，等.充填采矿技术与应用.北京： 治金工业出版社，2001) ax°，当膏体达到一定浓度时，屈服应力随固相质量 ] Wang HJ,Wang Y,Wu A X,et al.Research of paste new defi- 分数变化呈指数增长.提出屈服应力增量概念，固 nition from the viewpoint of saturation ratio and bleeding rate.J 相质量分数C+时屈服应力增量定义为C:,时屈服 Wuhan Unig Technol,2011,33(8):85 应力减去C:时屈服应力，屈服应力增量反映了屈服 (王洪江，王勇，吴爱祥，等.从饱和率和泌水率角度探讨膏 体新定义.武汉理工大学学报，2011,33(6)：85) 应力的变化幅度. ] Zhai Y G,Wu A X,Wang H J,et al.Threshold mass fraction of (2)从屈服应力角度对膏体定义进行了完善： unclassified-ailings paste for backfill mining.J Unir Sci Technol 浆体屈服应力在(200±25)Pa时的料浆中固相质量 Beijing,2011,33(7）:795 分数值作为膏体临界浓度，反推浆体饱和率为 (翟永刚，吴爱祥，王洪江，等.全尾砂膏体充填临界质量分 101.5%~105.3%时的固相质量分数范围，该范围 数.北京科技大学学报，2011,33(7)：795) [10]Wang Y,Wu A X,Wang H J,et al.A method to determine 即为适合工业应用的膏体浓度. deep cone thickener volume and its application.China Unie (3)采用不同矿山的两种尾矿分别从室内实验 Min Technol,2013,42 (1)45 (1尾矿)和工程应用(2"尾矿)角度对完善后的膏 (王勇，吴爱祥，王洪江，等.深锥浓密机体积确定方法及其 体定义进行验证.1"尾矿室内动态压密实验获得的 应用.中国矿业大学学报，2013,42(1)：45)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 5 Bingham 模型拟合 2# 尾矿流变系数 Table 5 Ｒheological coefficients of Tailing 2 fitted according to the Bingham model 料浆中固相 质量分数/% τ0 /Pa μp /( Pa·s) 复相关系数， Ｒ2 59 2. 1592 0. 3242 0. 8735 61 11. 3571 0. 3137 0. 9142 63 31. 0392 0. 2535 0. 9687 65 58. 1989 0. 3108 0. 9385 67 98. 5256 0. 4900 0. 9536 69 139. 1900 0. 4900 0. 9784 70 213. 5568 0. 8089 0. 9517 71 242. 4299 0. 9684 0. 9880 图 10 2# 乌山尾矿料浆浓度对屈服应力增量的影响 Fig． 10 Effect of Tailing 2 slurry concentration on the yield stress in￾crement axb ，当膏体达到一定浓度时，屈服应力随固相质量 分数变化呈指数增长． 提出屈服应力增量概念，固 相质量分数 Ci + 1时屈服应力增量定义为 Ci + 1时屈服 应力减去 Ci 时屈服应力，屈服应力增量反映了屈服 应力的变化幅度． ( 2) 从屈服应力角度对膏体定义进行了完善: 浆体屈服应力在( 200 ± 25) Pa 时的料浆中固相质量 分数值作为膏体临界浓度，反推浆体饱和率为 101. 5% ～ 105. 3% 时的固相质量分数范围，该范围 即为适合工业应用的膏体浓度． ( 3) 采用不同矿山的两种尾矿分别从室内实验 ( 1# 尾矿) 和工程应用( 2# 尾矿) 角度对完善后的膏 体定义进行验证． 1# 尾矿室内动态压密实验获得的 底流中固相的最大质量分数为 73. 71% ，膏体定义 预测的理论膏体浓度最大值为 73. 89% ，二者相差 0. 18% ． 2# 尾矿现场深锥浓密机底流中固相的最大 质量分数为 68% ，膏体定义预测膏体浓度最大值为 68. 97% ，二者相差 0. 97% ． 综上所述，完善后的膏 体定义界定膏体浓度可信度较高． 参 考 文 献 ［1］ Grabinsky M W． In situ monitoring for ground truthing paste back￾fill designs / / Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings． Canada，2010: 85 ［2］ Fall M，Nasir O． Predicting the temperature and strength develop￾ment within cemented paste backfill structures / / Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings． Canada，2010: 125 ［3］ Belem T，Fourie A B，Fahey M． Time-dependent failure criterion for cemented paste backfills / / Proceedings of the 13th Internation￾al Seminar on Paste and Thickened Tailings． Canada，2010: 147 ［4］ Nasir O，Fall M． Coupling binder hydration temperature and com￾pressive strength development of underground cemented paste backfill at early ages． Tunnelling Underground Space Technol， 2010，25( 1) : 9 ［5］ Fall M，Célestin J，Han F S． Potential use of densified polymer￾pastefill mixture as waste containment barrier materials． Waste Manage，2010，30( 12) : 2570 ［6］ Jewell Ｒ J，Fourie A B，Lord E Ｒ． Paste and Thickened Tailings: a Guide． Australian Centre for Geomechanics ( ACG) ，2002 ［7］ Liu T Y，Zhou C P，Jin M L，et al． The Application and Technolo￾gy of Backfilling Mining． Beijing: Metallurgical Industry Press， 2001 ( 刘同有，周成浦，金铭良，等． 充填采矿技术与应用． 北京: 冶金工业出版社，2001) ［8］ Wang H J，Wang Y，Wu A X，et al． Ｒesearch of paste new defi￾nition from the viewpoint of saturation ratio and bleeding rate． J Wuhan Univ Technol，2011，33( 8) : 85 ( 王洪江，王勇，吴爱祥，等． 从饱和率和泌水率角度探讨膏 体新定义． 武汉理工大学学报，2011，33( 6) : 85) ［9］ Zhai Y G，Wu A X，Wang H J，et al． Threshold mass fraction of unclassified-tailings paste for backfill mining． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 7) : 795 ( 翟永刚，吴爱祥，王洪江，等． 全尾砂膏体充填临界质量分 数． 北京科技大学学报，2011，33( 7) : 795) ［10］ Wang Y，Wu A X，Wang H J，et al． A method to determine deep cone thickener volume and its application． J China Univ Min Technol，2013，42 ( 1) : 45 ( 王勇，吴爱祥，王洪江，等． 深锥浓密机体积确定方法及其 应用． 中国矿业大学学报，2013，42 ( 1) : 45) · 068 ·