李翠平等：时间-速率双因素下全尾砂膏体的屈服应力易变行为 ·1309· measuring protocol.By comparing and analyzing peak yield stress,dynamic yield stress,and static yield stress,the variations in yield stress of paste with measuring time and measuring velocity under certain conditions were obtained.It is observed that the peak yield stress and static yield stress are proportional to measuring velocity of paste,and the dynamic yield stress is inversely proportional to measuring time.The coefficients of variation of degree of yield stress with discreet features are evaluated.The dynamic yield stress of 74%mass fraction paste has the largest Cy,which is 27.07%,while the static yield stress of 66%mass fraction paste has the smallest Cv, which is 2.33%.Further,the variation of particle interaction force and particle network structure with measuring velocity and measuring time during paste yielding was analyzed from the mesoscopic level.The mechanism of variation in yield stress of paste was elucidated based upon the analysis and the results and the necessary values of parameters were obtained for the efficient backfill process. KEY WORDS unclassified tailings paste;yield stress;measurement protocol;variability behavior;thixotropy 全尾砂膏体具有“不分层”、“不离析”、“不脱 斜率流动和剪切条带阿等复杂流变现象，表明 水”的优良工程特性，可有效提高矿产资源的回采 其固一流转化过程是不连续的、具有固态与流态共 率及生产安全性，实现废弃尾矿资源的再利用，解 存的流变行为6-切负斜率流动与剪切条带的出 决地表尾矿库安全隐患与环境污染，具有显著的 现进一步表明固-流转化过程无法获取稳定的流 环保、安全优势山膏体充填流程中，浓密环节耙 动曲线，只有大于临界剪切速率时才会获取稳 架扭矩)、管道输送阻力B和膏体堆积坡度是 定流动曲线因此，不稳定流动现象表明理想屈 全尾砂膏体制备需要解算的重要工艺参数，而屈 服应力流体框架内定义的固态-流态连续转换假 服应力被认为是解算工艺参数的重要流变参考 设已不再成立，此时精准测量屈服应力是非常困 依据 难的0.全尾砂膏体颗粒体系分布是多尺度的6川， 对于全尾砂膏体，学术界目前多视其为理想 并且浓密后的全尾砂膏体具有高浓度特性.多尺 屈服应力流体，如Bingham流体、H-B流体和 度、高浓度膏体内部颗粒间的相互作用复杂，颗粒 Casson流体等I,认为屈服应力是判定音体料浆能 间彼此接触形成具有一定强度的三维网络结构， 否发生流动的临界剪切应力值.以理想H-B流 网络结构的生成与破坏过程使全尾砂膏体表现出 体为例，全尾砂膏体所受剪切应力小于屈服应力 一定的触变性四因此，全尾砂膏体是否属于理想 x,时，膏体料浆保持静止，大于屈服应力时膏体料 屈服应力流体，膏体屈服应力是否只受料浆材料 浆发生流动，即屈服应力是固态-流态转换时的一 配比的影响，需要开展深入的流变实验分析 个转折点.基于理想屈服应力流体观点，张连富等图 为此，本文从全尾砂膏体屈服应力测量实验 研究了膏体料浆浓度与屈服应力之间的演化规 入手，基于实验数据分析料浆不同测量速率与 律，张钦礼等为预测全尾砂膏体料浆浓度-屈服 测量时间下峰值屈服应力、动态屈服应力与静 应力建立了改进BP神经网络：刘晓辉等O以固体 态屈服应力间的变化规律，进而从细观层面分 填充率为量化指标，综合分析了全尾砂膏体体积 析测量速率与测量时间对膏体屈服应力的影响 分数、尾矿粒径、尾矿不均匀系数等因素，构建了 机理 屈服应力关于固体填充率的计算模型：程海勇等 1实验设计 以膏体稳定系数来表征不同矿山充填材料之间颗 粒级配的差异性，构建了全尾砂膏体屈服应力预 1.1实验材料与仪器 测模型.可见，以上研究多将膏体屈服应力视为料 1.1.1实验材料 浆的材料函数，分析料浆本身材料配比差异对屈 选取某铁矿全尾砂作为本次实验材料，为确 服应力的影响.开展屈服应力测量实验的核心观 定全尾砂膏体适宜浓度范围，首先采用0.I rmin 点是，一定配比条件的充填料浆存在唯一与之相 的恒定小剪切测量法（如下文1.2.2所述）估算不同 对应的屈服应力值，在理想屈服应力流体框架内， 浓度水平下膏体料浆屈服应力的大致范围，测量 认为全尾砂膏体屈服应力是料浆本身固有的一个 64%、66%、68%、70%、72%、74%、76%,7种不同 物理属性值 质量分数的全尾砂音体料浆，其屈服应力分别为 然而.近年对胶体悬浮液、软玻璃类材料等屈 30.76、70.78、95.37、172.17、313.87、625.74、1344.94Pa 服应力流体开展的流变物理学研究发现，在由固 质量分数64%的料浆屈服应力过小，在测量时出 态至流态转变的过程中，发生了黏度分叉2-]、负 现了严重的泌水分层现象，不满足膏体的“三不”measuring protocol. By comparing and analyzing peak yield stress, dynamic yield stress, and static yield stress, the variations in yield stress of paste with measuring time and measuring velocity under certain conditions were obtained. It is observed that the peak yield stress and static yield stress are proportional to measuring velocity of paste, and the dynamic yield stress is inversely proportional to measuring time. The coefficients of variation of degree of yield stress with discreet features are evaluated. The dynamic yield stress of 74% mass fraction paste has the largest Cv , which is 27.07%, while the static yield stress of 66% mass fraction paste has the smallest Cv , which is 2.33%. Further, the variation of particle interaction force and particle network structure with measuring velocity and measuring time during paste yielding was analyzed from the mesoscopic level. The mechanism of variation in yield stress of paste was elucidated based upon the analysis and the results and the necessary values of parameters were obtained for the efficient backfill process. KEY WORDS    unclassified tailings paste；yield stress；measurement protocol；variability behavior；thixotropy 全尾砂膏体具有“不分层”、“不离析”、“不脱 水”的优良工程特性，可有效提高矿产资源的回采 率及生产安全性，实现废弃尾矿资源的再利用，解 决地表尾矿库安全隐患与环境污染，具有显著的 环保、安全优势[1] . 膏体充填流程中，浓密环节耙 架扭矩[2]、管道输送阻力[3−4] 和膏体堆积坡度[5] 是 全尾砂膏体制备需要解算的重要工艺参数，而屈 服应力被认为是解算工艺参数的重要流变参考 依据. 对于全尾砂膏体，学术界目前多视其为理想 屈服应力流体 ， 如 Bingham 流体 、 H – B 流 体 和 Casson 流体等[6] ，认为屈服应力是判定膏体料浆能 否发生流动的临界剪切应力值[7] . 以理想 H–B 流 体为例，全尾砂膏体所受剪切应力小于屈服应力 τy 时，膏体料浆保持静止，大于屈服应力时膏体料 浆发生流动，即屈服应力是固态‒流态转换时的一 个转折点. 基于理想屈服应力流体观点，张连富等[8] 研究了膏体料浆浓度与屈服应力之间的演化规 律，张钦礼等[9] 为预测全尾砂膏体料浆浓度-屈服 应力建立了改进 BP 神经网络；刘晓辉等[10] 以固体 填充率为量化指标，综合分析了全尾砂膏体体积 分数、尾矿粒径、尾矿不均匀系数等因素，构建了 屈服应力关于固体填充率的计算模型；程海勇等[11] 以膏体稳定系数来表征不同矿山充填材料之间颗 粒级配的差异性，构建了全尾砂膏体屈服应力预 测模型. 可见，以上研究多将膏体屈服应力视为料 浆的材料函数，分析料浆本身材料配比差异对屈 服应力的影响. 开展屈服应力测量实验的核心观 点是，一定配比条件的充填料浆存在唯一与之相 对应的屈服应力值，在理想屈服应力流体框架内， 认为全尾砂膏体屈服应力是料浆本身固有的一个 物理属性值. 然而，近年对胶体悬浮液、软玻璃类材料等屈 服应力流体开展的流变物理学研究发现，在由固 态至流态转变的过程中，发生了黏度分叉[12−13]、负 γ˙ c 斜率流动[14] 和剪切条带[15] 等复杂流变现象，表明 其固‒流转化过程是不连续的、具有固态与流态共 存的流变行为[16−17] . 负斜率流动与剪切条带的出 现进一步表明固‒流转化过程无法获取稳定的流 动曲线[18] ，只有大于临界剪切速率 时才会获取稳 定流动曲线[19] . 因此，不稳定流动现象表明理想屈 服应力流体框架内定义的固态‒流态连续转换假 设已不再成立，此时精准测量屈服应力是非常困 难的[20] . 全尾砂膏体颗粒体系分布是多尺度的[6, 11] ， 并且浓密后的全尾砂膏体具有高浓度特性. 多尺 度、高浓度膏体内部颗粒间的相互作用复杂，颗粒 间彼此接触形成具有一定强度的三维网络结构， 网络结构的生成与破坏过程使全尾砂膏体表现出 一定的触变性[21] . 因此，全尾砂膏体是否属于理想 屈服应力流体，膏体屈服应力是否只受料浆材料 配比的影响，需要开展深入的流变实验分析. 为此，本文从全尾砂膏体屈服应力测量实验 入手，基于实验数据分析料浆不同测量速率与 测量时间下峰值屈服应力、动态屈服应力与静 态屈服应力间的变化规律，进而从细观层面分 析测量速率与测量时间对膏体屈服应力的影响 机理. 1    实验设计 1.1    实验材料与仪器 1.1.1    实验材料 选取某铁矿全尾砂作为本次实验材料，为确 定全尾砂膏体适宜浓度范围，首先采用 0.1 r∙min–1 的恒定小剪切测量法（如下文 1.2.2 所述）估算不同 浓度水平下膏体料浆屈服应力的大致范围，测量 64%、66%、68%、70%、72%、74%、76%，7 种不同 质量分数的全尾砂膏体料浆，其屈服应力分别为 30.76、70.78、95.37、172.17、313.87、625.74、1344.94Pa. 质量分数 64% 的料浆屈服应力过小，在测量时出 现了严重的泌水分层现象，不满足膏体的“三不” 李翠平等： 时间–速率双因素下全尾砂膏体的屈服应力易变行为 · 1309 ·