·664· 工程科学学报，第39卷，第5期 川全尾砂膏体流变参数与固相质量分数等因素间数学 2.1流变模型 关系.王星等通过试验研究，分析了不同固相含量 流体在受到外部剪切力作用时发生流动变形，内 对赤泥的流变特性的影响.刘桂华等研究了不同表 部相应产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出 面活性剂对尾矿浆体流变参数的影响.廖威林与周小 来.这是流体的一种固有物理属性，称之为黏滞性或 文[]研究了尾矿砂流变特性及其对溃坝尾砂下泄的影 黏性.根据不同的流变性能，可将流体分为牛顿流体 响.张亮等]分析了高浓度尾矿料浆的流变特性及其 和非牛顿流体.牛顿流体的剪切应力与速度梯度呈线 对管道输送阻力损失的影响. 性关系： 工程中最早通常采用环管试验模拟生产实际情 T =UY. (1) 况，分析确定料浆的流变特性参数.环管试验最大优 式中：r代表剪切应力，Paμ代表动力黏性系数，Pa·s; 点是充分考虑了浆体管道输送过程中各种因素的影 y为剪切速率，s 响，试验过程和试验结果能够与工程实际基本吻合，但 研究发现，对于固相含量较多的流体，如尾矿浆 该方法试验成本高，仅用于大型高难度管道输送系统. 体，细颗粒会相互吸引形成紊团，随着固相含量的提 坍落度法最早是用来针对混凝土的和易性进行评估， 高，紊团之间开始发生连接，形成松散的网状结构，称 其也可用于进行尾矿浆体的流变参数测定]，能比较 为紊网结构[0-].这种结构具有一定的抗剪强度，使 直观地反应浆体的流动性，但该方法适用于固相含量 得浆体具有一定的起始强度，称为屈服应力.此时，可 较高的浆体，固相较少时误差较大.沈慧明等)进一 采用Bingham模型来描述其流变特性： 步发展了利用小型圆柱坍落度检测尾矿膏体流变参数 T=To +my. (2) 的方法.本文采用目前国际上最先进的美国Brookfield 式中：r。代表屈服应力，Pa;n代表塑性黏度系数，Pa· s,是表征浆体内部结构阻碍流动变形大小的物理量 公司的RST-SST型软固体流变仪针对尾矿浆体开展 当剪切应力高于屈服应力时，浆体流动时所产生的流 流变特性试验，同时对固相含量较高段浆体进行坍落 动阻力大小由塑性黏度决定.这两个流变参数值的变 度试验，分析了尾矿浆体的流变参数与料浆的固相质 化主要受浆体的组成和浆体体系内的颗粒性质的 量分数之间的关系，并运用参数计算确定最佳的管道 影响. 输送参数，该方法试验简单，结果相对可靠，可满足常 2.2试验仪器与试验标准 规浆体输送系统设计要求. 尾矿浆流变参数测试试验、浆体剪切变稀流变特 本项目尾矿库位于墨西哥奇瓦瓦州，主要产品为 性试验采用美国Brookfield公司的RST-SST型软固体 铜精矿和钼精矿.尾矿经旋流器分级后中线法筑坝， 流变仪进行，试验按照ASTM C1752-11标准执行 溢流尾矿经浓缩至膏体状态后排往库内堆存.本文针 浆体坍落度试验采用坍落度桶尺寸为：高30cm, 对不同矿浆固相质量分数（后文中也简称质量分数） 上口直径10cm,下口直径20cm,试验按照ASTM 确定流变参数，并推导出不同固相含量下矿浆的临界 C143/C143M-12标准执行. 流速、工作流速，确定管道输送阻力，为矿山的排放设 2.3试验参数 计提供科学依据 针对不同固相质量分数的尾矿浆进行流变参数测 1尾矿料基本特性 定试验，将搅拌好的砂浆放置在RST-SST型软固体流 变仪下进行测试，剪切速率范围为0~100s.流变仪 通过对尾矿料开展密度、颗粒分析等基本性质试 由低速档开始，逐渐增大，每秒记录一个读数，然后由 验，得到尾矿料的一些基本物理性质如表1所示.表1 统计软件显示出各剪切速率下对应的剪切应力，绘制 中do、do及d。代表尾矿样品的累计粒度分布百分数 出流变曲线. 达到60%、50%和10%时所对应的粒径. 对固相质量分数为70%的浆体进行剪切变稀流 表1尾矿料基本物理性质 变特性试验，高速搅拌器的搅拌速度设置为120、240、 Table 1 Physical properties of tailings 400、600、800和1000r·min1,每次搅拌3min,流变仪 doμmdo/μmd1o/μm不均匀系数真密度/(t~m3) 剪切速率范围为0~100s1. 49.4 34.0 4.0 12.42 2.77 对固相质量分数为65%~78%的尾矿浆体进行 坍落度试验 2流变试验 2.4试验结果 (1)尾矿浆流变参数试验. 尾矿浆流变试验包括尾矿浆流变参数测试试验、 对不同质量分数的尾矿浆进行流变参数测定试 浆体剪切变稀流变特性试验及浆体坍落度试验 验，针对流变曲线进行拟合，得出尾矿浆的流变参数，工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 川全尾砂膏体流变参数与固相质量分数等因素间数学 关系. 王星等[4]通过试验研究,分析了不同固相含量 对赤泥的流变特性的影响. 刘桂华等[5]研究了不同表 面活性剂对尾矿浆体流变参数的影响. 廖威林与周小 文[6]研究了尾矿砂流变特性及其对溃坝尾砂下泄的影 响. 张亮等[7]分析了高浓度尾矿料浆的流变特性及其 对管道输送阻力损失的影响. 工程中最早通常采用环管试验模拟生产实际情 况,分析确定料浆的流变特性参数. 环管试验最大优 点是充分考虑了浆体管道输送过程中各种因素的影 响,试验过程和试验结果能够与工程实际基本吻合,但 该方法试验成本高,仅用于大型高难度管道输送系统. 坍落度法最早是用来针对混凝土的和易性进行评估, 其也可用于进行尾矿浆体的流变参数测定[8] ,能比较 直观地反应浆体的流动性,但该方法适用于固相含量 较高的浆体,固相较少时误差较大. 沈慧明等[9] 进一 步发展了利用小型圆柱坍落度检测尾矿膏体流变参数 的方法. 本文采用目前国际上最先进的美国 Brookfield 公司的 RST鄄鄄 SST 型软固体流变仪针对尾矿浆体开展 流变特性试验,同时对固相含量较高段浆体进行坍落 度试验,分析了尾矿浆体的流变参数与料浆的固相质 量分数之间的关系,并运用参数计算确定最佳的管道 输送参数,该方法试验简单,结果相对可靠,可满足常 规浆体输送系统设计要求. 本项目尾矿库位于墨西哥奇瓦瓦州,主要产品为 铜精矿和钼精矿. 尾矿经旋流器分级后中线法筑坝, 溢流尾矿经浓缩至膏体状态后排往库内堆存. 本文针 对不同矿浆固相质量分数(后文中也简称质量分数) 确定流变参数,并推导出不同固相含量下矿浆的临界 流速、工作流速,确定管道输送阻力,为矿山的排放设 计提供科学依据. 1 尾矿料基本特性 通过对尾矿料开展密度、颗粒分析等基本性质试 验,得到尾矿料的一些基本物理性质如表 1 所示. 表 1 中 d60 、d50及 d10代表尾矿样品的累计粒度分布百分数 达到 60% 、50% 和 10% 时所对应的粒径. 表 1 尾矿料基本物理性质 Table 1 Physical properties of tailings d60 / 滋m d50 / 滋m d10 / 滋m 不均匀系数 真密度/ (t·m - 3 ) 49郾 4 34郾 0 4郾 0 12郾 42 2郾 77 2 流变试验 尾矿浆流变试验包括尾矿浆流变参数测试试验、 浆体剪切变稀流变特性试验及浆体坍落度试验. 2郾 1 流变模型 流体在受到外部剪切力作用时发生流动变形,内 部相应产生对变形的抵抗,并以内摩擦的形式表现出 来. 这是流体的一种固有物理属性,称之为黏滞性或 黏性. 根据不同的流变性能,可将流体分为牛顿流体 和非牛顿流体. 牛顿流体的剪切应力与速度梯度呈线 性关系: 子 = 滋酌. (1) 式中:子 代表剪切应力,Pa;滋 代表动力黏性系数,Pa·s; 酌 为剪切速率,s - 1 . 研究发现,对于固相含量较多的流体,如尾矿浆 体,细颗粒会相互吸引形成紊团,随着固相含量的提 高,紊团之间开始发生连接,形成松散的网状结构,称 为紊网结构[10 - 12] . 这种结构具有一定的抗剪强度,使 得浆体具有一定的起始强度,称为屈服应力. 此时,可 采用 Bingham 模型来描述其流变特性: 子 = 子0 + 浊酌. (2) 式中:子0代表屈服应力,Pa;浊 代表塑性黏度系数,Pa· s,是表征浆体内部结构阻碍流动变形大小的物理量. 当剪切应力高于屈服应力时,浆体流动时所产生的流 动阻力大小由塑性黏度决定. 这两个流变参数值的变 化主要受浆体的组成和浆体体系内的颗粒性质的 影响. 2郾 2 试验仪器与试验标准 尾矿浆流变参数测试试验、浆体剪切变稀流变特 性试验采用美国 Brookfield 公司的 RST鄄鄄 SST 型软固体 流变仪进行,试验按照 ASTM C1752鄄鄄11 标准执行. 浆体坍落度试验采用坍落度桶尺寸为:高 30 cm, 上口直 径 10 cm, 下 口 直 径 20 cm, 试 验 按 照 ASTM C143 / C143M鄄鄄12 标准执行. 2郾 3 试验参数 针对不同固相质量分数的尾矿浆进行流变参数测 定试验,将搅拌好的砂浆放置在 RST鄄鄄 SST 型软固体流 变仪下进行测试,剪切速率范围为 0 ~ 100 s - 1 . 流变仪 由低速档开始,逐渐增大,每秒记录一个读数,然后由 统计软件显示出各剪切速率下对应的剪切应力,绘制 出流变曲线. 对固相质量分数为 70% 的浆体进行剪切变稀流 变特性试验,高速搅拌器的搅拌速度设置为 120、240、 400、600、800 和 1000 r·min - 1 ,每次搅拌 3 min,流变仪 剪切速率范围为 0 ~ 100 s - 1 . 对固相质量分数为 65% ~ 78% 的尾矿浆体进行 坍落度试验. 2郾 4 试验结果 (1)尾矿浆流变参数试验. 对不同质量分数的尾矿浆进行流变参数测定试 验,针对流变曲线进行拟合,得出尾矿浆的流变参数, ·664·