804 工程科学学报，第42卷，第7期 the paste materials,the necessity,particularity and complexity of the research on paste rheology were systematically discussed.Typical rheological properties of paste and the latest achievements were analyzed with the summarized results from rheological experiments.The commonly used rheological models ofyielding non-Newtonian fluids were reviewed,and the applicability of corresponding constitutive equations to paste slurry was discussed with reasonable suggestions provided for its practical application.Meanwhile,the key influence factors of paste rheological properties were summarized.According to the research status,the priorities and difficulties of research on paste rheology were summarized and proposed,with emphases on test standards,constitutive equations,microscopic mechanisms and engineering applications. KEY WORDS paste;rheology;unclassified tailings;rheological models;backfill mining;development trend 金属矿产资源是国民经济和社会发展的重要 性地叙述了膏体流变测量方法及其适用性，并对 支柱山，我国金属矿分布广泛，储量大、种类多.但 测量关键问题进行了系统梳理.针对膏体流变学 是，矿产资源的持续开发导致了大量矿山固体废 研究中的重点、难点及热点进行了跟踪总结，为推 弃物的产生，传统采矿方法遗留的采空区和尾矿 动膏体充填、绿色采矿以及深部开采理论与技术 库已成为金属矿山的两大污染源和危险源.据统 发展提供了战略思路 计，我国尾砂地表堆存量已达146亿吨回，地下采 1膏体流变学研究概述 空区总体积达12.8亿立方米间，绿色安全的采矿方 法成为矿产资源开发的必然选择.膏体充填技术 1.1膏体的基本概念 具有采场充填不泌水、接顶好、充填质量高等特 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的高浓 点，为地下采空区的治理和尾矿处置提供了安全、 度、饱和态、无泌水的非牛顿流体，具有不脱水、 绿色、高效的解决方案，可实现“一废治两害”，从 不分层、不离析的特性.受限于选矿工艺技术，全 源头管控采空区和尾矿库，正逐渐成为世界各地 尾砂颗粒体系分布具有跨多尺度特点，从微米到 地下金属矿开采的标准做法-响随着深部资源开 毫米级.细颗粒受静电相互作用易形成稳定的悬 采战略的逐步推进，在“三高一扰动”（高地应力、 浮体系，尤其是20m以下细颗粒，而粗颗粒之间 高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰 机械摩擦与碰撞作用更为显著.由于音体体系的 动)特殊复杂的力学环境下，膏体充填采矿法或将 复杂性，膏体的量化定义仍具有较大争议，国内外 成为深部资源安全、绿色开采的唯一方案. 多认为膏体的塌落度应在15~25cm之间0-叫，屈 膏体充填是将选厂排放的低浓度全尾砂料浆 服应力应在100Pa以上2,20um以下细颗粒占比 进行深度脱水，并与活性材料、改性材料和水搅拌 在15%以上较为理想1：另有学者用分层度小 均匀，制备成高浓度、流态化的膏体料浆，通过自 于2cms-1、饱和率为101.5%~105.3%与泌水率 流或泵压输送至井下采空区，实现预定充填功能 为1.5%~5刀等指标加以补充.由于膏体物料来 的过程.膏体作为一种高固含的固液混合材料，表 源与组成的复杂性，在评价膏体性能时应综合考 现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理论 虑多因素影响 在膏体特征描述及定量分析中表现出明显的局限 1.2膏体流变学研究的必要性 性膏体充填中浓密、搅拌、输送、充填各工艺 膏体流变学是膏体充填技术的理论基础，膏 环节均存在不同形式的流动与变形行为，膏体流 体充填的四个工艺环节均需基于料浆的流动与变 变学是研究膏体的流变行为、构建数学描述及指 形来开展 导工程应用的有效手段 (1)浓密阶段，需将低浓度尾砂浆（质量分数 近年来，膏体流变学得到了国内外广泛关注 通常低于20%)经膏体浓密机深度脱水，获得稳定 与深入研究，在基础科学问题上，尤其在膏体流变 的高浓度底流砂浆（质量分数通常高于60%）.压 学概念、膏体流变特性及其影响因素、流变模型 缩区料浆的流变特性直接关系到耙架转速与扭矩 以及流变测量等方面做了大量工作，并取得了重 值的设定，流变参数的分布与变化直接反映了浓 要成果.鉴于此，本文在归纳总结国内外研究成果 密机的功效8-20 的基础上，概述了膏体流变学研究的必要性、特殊 (2)搅拌阶段，需将高浓度底流砂浆与其他惰 性及复杂性，并对多种流变模型的适用性进行了 性材料、活性材料及改性材料等搅拌制备成均匀 分析；归纳了膏体流变特性的关键影响因素；系统 流态化膏体，关键在于保证膏体的均质性.理想的the paste materials, the necessity, particularity and complexity of the research on paste rheology were systematically discussed. Typical rheological properties of paste and the latest achievements were analyzed with the summarized results from rheological experiments. The commonly used rheological models of yielding non-Newtonian fluids were reviewed, and the applicability of corresponding constitutive equations to paste slurry was discussed with reasonable suggestions provided for its practical application. Meanwhile, the key influence factors of paste rheological properties were summarized. According to the research status, the priorities and difficulties of research on paste rheology were summarized and proposed, with emphases on test standards, constitutive equations, microscopic mechanisms and engineering applications. KEY WORDS    paste；rheology；unclassified tailings；rheological models；backfill mining；development trend 金属矿产资源是国民经济和社会发展的重要 支柱[1] ，我国金属矿分布广泛，储量大、种类多. 但 是，矿产资源的持续开发导致了大量矿山固体废 弃物的产生，传统采矿方法遗留的采空区和尾矿 库已成为金属矿山的两大污染源和危险源. 据统 计，我国尾砂地表堆存量已达 146 亿吨[2] ，地下采 空区总体积达 12.8 亿立方米[3] ，绿色安全的采矿方 法成为矿产资源开发的必然选择. 膏体充填技术 具有采场充填不泌水、接顶好、充填质量高等特 点，为地下采空区的治理和尾矿处置提供了安全、 绿色、高效的解决方案，可实现“一废治两害”，从 源头管控采空区和尾矿库，正逐渐成为世界各地 地下金属矿开采的标准做法[4−6] . 随着深部资源开 采战略的逐步推进，在“三高一扰动”（高地应力、 高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰 动）特殊复杂的力学环境下，膏体充填采矿法或将 成为深部资源安全、绿色开采的唯一方案. 膏体充填是将选厂排放的低浓度全尾砂料浆 进行深度脱水，并与活性材料、改性材料和水搅拌 均匀，制备成高浓度、流态化的膏体料浆，通过自 流或泵压输送至井下采空区，实现预定充填功能 的过程. 膏体作为一种高固含的固液混合材料，表 现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理论 在膏体特征描述及定量分析中表现出明显的局限 性[7−9] . 膏体充填中浓密、搅拌、输送、充填各工艺 环节均存在不同形式的流动与变形行为，膏体流 变学是研究膏体的流变行为、构建数学描述及指 导工程应用的有效手段. 近年来，膏体流变学得到了国内外广泛关注 与深入研究，在基础科学问题上，尤其在膏体流变 学概念、膏体流变特性及其影响因素、流变模型 以及流变测量等方面做了大量工作，并取得了重 要成果. 鉴于此，本文在归纳总结国内外研究成果 的基础上，概述了膏体流变学研究的必要性、特殊 性及复杂性，并对多种流变模型的适用性进行了 分析；归纳了膏体流变特性的关键影响因素；系统 性地叙述了膏体流变测量方法及其适用性，并对 测量关键问题进行了系统梳理. 针对膏体流变学 研究中的重点、难点及热点进行了跟踪总结，为推 动膏体充填、绿色采矿以及深部开采理论与技术 发展提供了战略思路. 1    膏体流变学研究概述 1.1    膏体的基本概念 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的高浓 度、饱和态、无泌水的非牛顿流体，具有不脱水、 不分层、不离析的特性. 受限于选矿工艺技术，全 尾砂颗粒体系分布具有跨多尺度特点，从微米到 毫米级. 细颗粒受静电相互作用易形成稳定的悬 浮体系，尤其是 20 μm 以下细颗粒，而粗颗粒之间 机械摩擦与碰撞作用更为显著. 由于膏体体系的 复杂性，膏体的量化定义仍具有较大争议，国内外 多认为膏体的塌落度应在 15～25 cm 之间[10−11] ，屈 服应力应在 100 Pa 以上[12] ，20 μm 以下细颗粒占比 在 15% 以上较为理想[13−14] ；另有学者用分层度小 于 2 cm[15−16]、饱和率为 101.5%～105.3% 与泌水率 为 1.5%～5% [17] 等指标加以补充. 由于膏体物料来 源与组成的复杂性，在评价膏体性能时应综合考 虑多因素影响. 1.2    膏体流变学研究的必要性 膏体流变学是膏体充填技术的理论基础，膏 体充填的四个工艺环节均需基于料浆的流动与变 形来开展. （1）浓密阶段，需将低浓度尾砂浆（质量分数 通常低于 20%）经膏体浓密机深度脱水，获得稳定 的高浓度底流砂浆（质量分数通常高于 60%）. 压 缩区料浆的流变特性直接关系到耙架转速与扭矩 值的设定，流变参数的分布与变化直接反映了浓 密机的功效[18−20] . （2）搅拌阶段，需将高浓度底流砂浆与其他惰 性材料、活性材料及改性材料等搅拌制备成均匀 流态化膏体，关键在于保证膏体的均质性. 理想的 · 804 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期