吴爱祥等：全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 805· 颗粒分散效果及活化搅拌质量与料浆所受剪切作 颗粒间的摩擦碰撞效应及细颗粒间的静电作用形 用历程息息相关，搅拌方式及搅拌参数的确定需 成的非牛顿悬浮基质流变行为，原有两相流理论 要考虑物料在搅拌过程中的流变行为规律，流变 很难进行解释.高固含膏体管输流动模型的建立， 学特征是评估搅拌效果的关键指标2-2] 不能忽视颗粒的剪切诱导迁移及输送时粗颗粒径 (3)输送阶段，需将制备好的膏体料浆稳定连 向运动规律等因素20 续地输送至地下采空区，关键在于低阻、稳定以及 (3)工程需求特殊 连续输送，膏体的满管流动调节、管道输送阻力 膏体需具备不脱水、不分层、不离析的“三 计算、输送方式选择，以及防堵、防爆，均与料浆 不”特性，训其中，不脱水指膏体中自由水含量 流变行为存在高度关联24-2 低、内部孔隙多闭合，水分很难自由流动，在采场 (4)充填阶段，需将膏体料浆充入采空区直至 内泌水率极低，无明显脱水现象；不分层指垂直方 接顶并凝结固化，膏体在采场应具有良好的自流 向上无明显粗细颗粒分层现象，充填体固化后垂 平效果、质量均匀、无明显的分层离析现象.膏体 直方向上强度分布均匀：不离析指膏体料浆流入 在采场内的流动、固结以及充填体的蠕变行为，亦 采场后，水平方向上粗骨料分布均匀，在流入口附 与料浆流变特性演化规律息息相关-28 近无粗骨料堆积现象，充填体固化后水平方向上 因此，全尾砂膏体充填的整个工艺流程的需 强度分布均匀 求响应均以料浆的流变行为演化为基础 “三不”特性使多组分、高固含的膏体料浆进 1.3膏体流变学研究的特殊性 ·步区别于工程中常见的固液两相流，凸显了膏 膏体流变学研究的特殊性主要体现在三方 体流变学研究的必要性与特殊性.此外，一些极端 面：组分复杂多样、高固含及工程需求特殊 的工程应用环境，如热带地区与严寒地区（温度）、 (1)组分复杂多样 干旱地区与湿润地区（水分蒸发）、深部开采（三高 膏体各组分的物化性质具有明显差异，体现 一扰动)等，也对膏体流变学研究提出了特殊的工 在固体颗粒尺度、外形及表面性质等复杂多样 程需求 音膏体料浆中颗粒粒径在微米至毫米级之间跨尺度 1.4膏体流变学研究的复杂性 分布：且受选矿工艺影响，尾砂颗粒并非规则的球 膏体流变学研究的复杂性具体到理论研究与 形或椭球形，而呈现较大的几何外形差异：此外， 实验研究层面，表现为： 不同矿山及矿山不同时期的尾砂，其化学成分差 (1)理论研究方面 异亦十分显著，导致颗粒表面性质复杂，大量细颗 膏体具有黏、弹、塑以及时变等特性.在不同 粒的存在进一步加剧了化学成分差异对料浆流变 剪切作用与剪切时间下，膏体流变行为复杂多变 特性的影响 研究发现.在低剪切速率下，某些膏体表现出剪切 膏体各组分之间存在长时间的复杂相互作 稀化特征：而在高剪切速率下，表现出剪切增稠特 用，包括水化反应等.胶凝材料进行水化反应生成 征4-25刘膏体流变特性的复杂性，导致构建数学 水化产物，或二者与尾砂组分间的化学作用，增加 描述十分困难，通过建立流变本构方程来准确地 了膏体料浆组成体系的复杂性；此外，为改善颗粒 描述膏体流变特性，已成为膏体充填技术发展的 沉降特性、料浆流动性以及充填体力学特性等而 首要问题，也是膏体流变学的核心问题. 添加的改性材料，如絮凝剂、泵送剂、早强剂等， 膏体料浆的流变行为是其微细观结构演化的 引起化学反应及微细观三维结构的改变，亦会对 宏观表现，膏体流变学基础理论的突破，离不开对 膏体料浆的流变特性产生影响 微细观结构演化规律及机理的研究.由于膏体组 (2)高固含. 分复杂，且具有高固含及“三不”特点，在进行理论 膏体中固体颗粒占比高，表现出高黏性及塑性 分析时，涉及固体颗粒表征、分散介质假设、多级 (存在显著的屈服应力)行为，流动形态为典型的 粒径颗粒迁移等问题，增加了膏体流变学基础理 非牛顿流体，具有明显的柱塞流动特点，固体颗粒 论研究的难度 分散在水介质中的两相流假设显然不适用.高固 (2)实验研究方面. 含膏体料浆中存在不可忽视的三维絮网，颗粒与 由于膏体成分复杂，难以保证膏体流变测试 水以及颗粒与颗粒之间的相互作用难以通过两相 的可重复性、测试样品成分分布的均匀性等，单次 流模型中的阻力及升力等公式进行有效分析8 或有限数量的研究难以获得普适性结论，给膏体颗粒分散效果及活化搅拌质量与料浆所受剪切作 用历程息息相关，搅拌方式及搅拌参数的确定需 要考虑物料在搅拌过程中的流变行为规律，流变 学特征是评估搅拌效果的关键指标[21−23] . （3）输送阶段，需将制备好的膏体料浆稳定连 续地输送至地下采空区，关键在于低阻、稳定以及 连续输送. 膏体的满管流动调节、管道输送阻力 计算、输送方式选择，以及防堵、防爆，均与料浆 流变行为存在高度关联[24−25] . （4）充填阶段，需将膏体料浆充入采空区直至 接顶并凝结固化，膏体在采场应具有良好的自流 平效果、质量均匀、无明显的分层离析现象. 膏体 在采场内的流动、固结以及充填体的蠕变行为，亦 与料浆流变特性演化规律息息相关[26−28] . 因此，全尾砂膏体充填的整个工艺流程的需 求响应均以料浆的流变行为演化为基础. 1.3    膏体流变学研究的特殊性 膏体流变学研究的特殊性主要体现在三方 面：组分复杂多样、高固含及工程需求特殊. （1）组分复杂多样. 膏体各组分的物化性质具有明显差异，体现 在固体颗粒尺度、外形及表面性质等复杂多样. 膏体料浆中颗粒粒径在微米至毫米级之间跨尺度 分布；且受选矿工艺影响，尾砂颗粒并非规则的球 形或椭球形，而呈现较大的几何外形差异；此外， 不同矿山及矿山不同时期的尾砂，其化学成分差 异亦十分显著，导致颗粒表面性质复杂，大量细颗 粒的存在进一步加剧了化学成分差异对料浆流变 特性的影响. 膏体各组分之间存在长时间的复杂相互作 用，包括水化反应等. 胶凝材料进行水化反应生成 水化产物，或二者与尾砂组分间的化学作用，增加 了膏体料浆组成体系的复杂性；此外，为改善颗粒 沉降特性、料浆流动性以及充填体力学特性等而 添加的改性材料，如絮凝剂、泵送剂、早强剂等， 引起化学反应及微细观三维结构的改变，亦会对 膏体料浆的流变特性产生影响. （2）高固含. 膏体中固体颗粒占比高，表现出高黏性及塑性 （存在显著的屈服应力）行为，流动形态为典型的 非牛顿流体，具有明显的柱塞流动特点，固体颗粒 分散在水介质中的两相流假设显然不适用. 高固 含膏体料浆中存在不可忽视的三维絮网，颗粒与 水以及颗粒与颗粒之间的相互作用难以通过两相 流模型中的阻力及升力等公式进行有效分析[8−9] . 颗粒间的摩擦碰撞效应及细颗粒间的静电作用形 成的非牛顿悬浮基质流变行为，原有两相流理论 很难进行解释. 高固含膏体管输流动模型的建立， 不能忽视颗粒的剪切诱导迁移及输送时粗颗粒径 向运动规律等因素[7, 29−30] . （3）工程需求特殊. 膏体需具备不脱水、不分层、不离析的“三 不”特性[17, 31] . 其中，不脱水指膏体中自由水含量 低、内部孔隙多闭合，水分很难自由流动，在采场 内泌水率极低，无明显脱水现象；不分层指垂直方 向上无明显粗细颗粒分层现象，充填体固化后垂 直方向上强度分布均匀；不离析指膏体料浆流入 采场后，水平方向上粗骨料分布均匀，在流入口附 近无粗骨料堆积现象，充填体固化后水平方向上 强度分布均匀. “三不”特性使多组分、高固含的膏体料浆进 一步区别于工程中常见的固液两相流，凸显了膏 体流变学研究的必要性与特殊性. 此外，一些极端 的工程应用环境，如热带地区与严寒地区（温度）、 干旱地区与湿润地区（水分蒸发）、深部开采（三高 一扰动）等，也对膏体流变学研究提出了特殊的工 程需求. 1.4    膏体流变学研究的复杂性 膏体流变学研究的复杂性具体到理论研究与 实验研究层面，表现为： （1）理论研究方面. 膏体具有黏、弹、塑以及时变等特性. 在不同 剪切作用与剪切时间下，膏体流变行为复杂多变. 研究发现，在低剪切速率下，某些膏体表现出剪切 稀化特征；而在高剪切速率下，表现出剪切增稠特 征[24−25, 32] . 膏体流变特性的复杂性，导致构建数学 描述十分困难. 通过建立流变本构方程来准确地 描述膏体流变特性，已成为膏体充填技术发展的 首要问题，也是膏体流变学的核心问题. 膏体料浆的流变行为是其微细观结构演化的 宏观表现，膏体流变学基础理论的突破，离不开对 微细观结构演化规律及机理的研究. 由于膏体组 分复杂，且具有高固含及“三不”特点，在进行理论 分析时，涉及固体颗粒表征、分散介质假设、多级 粒径颗粒迁移等问题，增加了膏体流变学基础理 论研究的难度. （2）实验研究方面. 由于膏体成分复杂，难以保证膏体流变测试 的可重复性、测试样品成分分布的均匀性等，单次 或有限数量的研究难以获得普适性结论，给膏体 吴爱祥等： 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 · 805 ·