全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）:流变测量与展望

膏体充填是推动金属矿绿色开采发展的关键技术,并可为资源的深部开采提供安全、绿色、高效的技术支撑。全尾砂膏体流变学是膏体充填技术的基础理论,本文在综述膏体流变概念、特性与模型的基础上,进一步对流变测量技术现状进行了系统梳理,概述了现阶段常用的浆式旋转流变仪、坍落筒、L管、倾斜管及环管法进行流变测量的原理及应用,针对膏体这一屈服型非牛顿流体,重点分析了屈服应力的测量,并对以上方法的适用性进行了综合论述。流变测量深刻地影响着膏体流变理论及膏体充填工艺的发展,为此,对测量技术的关键问题进行了探讨,指出构建膏体流变测量标准及加强流变测量技术与充填工艺的结合是重点,并对膏体流变学研究的发展趋势进行了展望。      

金川全尾砂膏体物料流变特性的研究

金川公司是中国较早试验研究和生产应用管道输送胶结充填料浆进行井下充填的企业,1975年进行浆体管道输送试验时发现了高浓度料浆的管道输送特性,而后设计和建立了高浓度料浆的管道重力输送充填生产系统,20世纪80年代末期又开始试验研究新一代高浓度充填工艺－全尾砂膏体泵送系统,该项研究对多种物料组分的全尾砂膏体料浆进行了管流特性和流变特性的测试与研究,为膏体泵送系统的设计提供了可靠的依据,经过10多年的努力,现已建成尾砂膏体泵送系统,本重点介绍全尾砂膏体物料流变特性的检测方法,试验内容和取得的初步成果。     

全尾砂膏体搅拌剪切过程的触变性

膏体触变性是一种复杂的流变现象,涉及到膏体的搅拌制备、管道输送、采场流动等多方面,但是对膏体的触变性机理目前还缺乏统一的认识,对全尾砂膏体处置技术中出现的各种与触变性相关现象还难以解释.针对全尾砂膏体搅拌剪切过程中的触变行为,对某尾矿全尾砂膏体在不同条件下进行流变测试,研究全尾砂粒级、膏体中固相质量分数、水泥添加量、静置时间等因素对膏体触变的影响规律,分析全尾砂膏体触变行为及其对全尾砂膏体稳定性能的影响.研究结果表明,全尾砂颗粒以三维网状结构弥散于浆体空间,其触变性与屈服应力及膏体料浆稳定性相关,受到料浆中超细成分、灰砂比、固相质量分数等影响,膏体触变特征可划分为剪切破坏及静置恢复两个过程,其流变特性具有随时间而变化的特点.      

全尾砂高浓度充填料浆的流变特性

全尾砂高浓度（膏状）充填料浆属于高粘塑性非牛顿流体．充填料浆中材料的配比选择、料浆浓度等因素，影响料浆在外加剪切力作用下的流变性质、管路输送中的稳定程度和阻力大小．通过对试验数据的分析，研究全尾砂高浓度（膏状）充填料浆的屈服应力、触变性、流动曲线、临界雷诺数、粘度系数和输送阻力等流变特性．为我国在金属矿山应用全尾砂高浓度充填技术提供参考．     

不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化

甘肃金川铜镍矿似膏体充填料浆水化凝结时间迟缓、粗骨料离析程度大,严重影响充填浆体的质量。本文以金川二矿区全尾砂、废石和棒磨砂为实验材料,采用全面实验设计法,研究不同质量分数、粗骨料及尾骨比（全尾砂与粗骨料质量比）对膏体充填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律。实验结果表明:全尾砂–粗骨料膏体中,粗骨料的比表面积和化学成分（活性MgO和CaO）是影响凝结时间的主要因素;凝结时间随尾骨比增加而缩短,屈服应力随尾骨比增加而增加,塑性黏度（全尾砂–废石、全尾砂–棒磨砂膏体）随尾骨比增加而增加;全尾砂–废石膏体抗压强度优于全尾砂–废石–棒磨砂膏体抗压强度;最短凝结时间及最佳抗压强度（全尾砂–废石膏体、尾骨比5∶5）比矿用凝结时间和抗压强度分别缩短2.1 h和增加33%以上。最后对凝结性能进行单目标及多目标回归优化,多目标回归优化表明:全尾砂–废石–棒磨砂膏体最佳凝结时间为270～300 min、尾骨比10∶6∶6～10∶7∶7、屈服应力为167.0～169.0 Pa;全尾砂–棒磨砂膏体最佳凝结时间为300～330 min、尾骨比10∶14～10∶16、屈服应力为164.0～167.0 Pa,满足矿山生产要求。      

金属矿膏体流变行为的颗粒细观力学作用机理进展分析

金属矿膏体料浆颗粒间以及颗粒与水间的相互作用是膏体表现出复杂流变行为的根本原因。流变学是指导膏体充填工艺的重要基础理论,然而膏体作为一种多尺度、高浓度颗粒悬浮液,其流变行为十分复杂,现有流变模型难以描述膏体在剪切作用下的流变行为。通过分析传统膏体流变模型的局限性,综述国内外文献,以颗粒的表面特性以及颗粒与水的相互作用为出发点,剖析尾砂颗粒表面氢键网络结构的形成原因及其影响因素,阐述受氢键网络结构影响的剪切作用下颗粒间细观摩擦力的来源及其变化,分析剪切过程中出现的剪切条带、剪切稀化以及剪切增稠等流变行为的内在机理,归纳随剪切速率变化的膏体流变行为的摩擦耗散规律,提出准确衡量膏体体系的宏观摩擦力是分析其流变行为的关键,以便明晰膏体复杂流变行为发生的细观力学机理,从而推动金属矿膏体流变学从宏观流变向细观致因的发展。      

某金矿全尾砂高浓度充填流变特性与微观结构的分析

以小东沟金矿全尾砂为研究对象,开展了充填料浆流变性质研究,采用Brookfield RSR-SST流变仪准确测定其流变参数。实验结果表明,该矿全尾砂充填料浆流变曲线符合H-B流变模型,随着全尾砂浓度的增加,屈服应力呈典型的指数函数关系,当其浓度超过72%时,屈服应力和塑性黏度明显增大。通过对不同浓度、不同灰砂比的全尾砂进行3、7、14 d单轴抗压强度测试,获得充填体强度与充填材料配比参数的关系。通过SEM扫描电镜对充填体内部水化产物微观结构分析,得到充填体内部水化产物随灰砂比提高的演化规律,为小东沟金矿实现全尾砂高浓度充填提供理论依据。     

充填料浆流动温变性研究

为解决矿山充填料浆堵管事故频发的问题,以具有代表性的不同配比充填料浆为研究对象,通过安东帕MCR102高级流变仪获取并分析相关数据,重点研究了充填料浆的温度对高浓度充填料浆流变特性的影响,探索温度变化对充填料浆流动性能的影响。研究结果表明：（1）高浓度全尾砂充填料浆的流变性能会随着料浆的温度变化而发生变化;（2）随着温度的升高,高浓度全尾砂充填料浆黏度系数降低,屈服应力先下降再升高;（3）温度为10 ℃时高浓度全尾砂充填料浆流变性能最好。根据本研究结果,矿山在使用高浓度全尾砂充填料浆时,可适当调节充填料浆温度,使充填料浆达到流变性能最优状态,进而减少充填料浆堵管事故的发生。     

全尾砂充填材料配比及输送特性试验研究

某地下矿山采用分段空场嗣后充填采矿法回采,选用全尾砂膏体泵送充填系统。针对该矿山生产现状,开展了充填材料配比和输送特性试验研究,通过物理化学性质分析,获得了全尾砂的物理特性、化学组成和粒级组成;通过配比试验、剪切试验、坍落度和流变特性测试,得到了充填体在不同浓度、灰砂比和养护龄期条件下的单轴抗压强度、内摩擦角、内聚力、坍落度和流变特性,为矿山充填材料配比选择和充填体力学分析提供了依据。     

超细全尾砂似膏体绿色胶凝充填关键技术研究

针对中关铁矿超细全尾砂存在脱水速度慢、溢流易跑浑、黏度大和充填体强度低等问题，开展了全尾砂粒度测试和化学成分分析、全尾砂自然沉降试验、絮凝沉降试验、选充工艺协同匹配衔接、钢渣基胶凝材料研发及超细全尾砂似膏体充填工艺配置等研究工作。经现场系统调试运行，该超细全尾砂似膏体绿色胶凝充填技术及工艺合理，充填体强度在2.8～2.9 MPa,满足井下充填体强度要求。     

中国膏体技术发展现状与趋势

膏体技术能够有效解决采矿引发的环境和安全问题,是实现绿色开采的关键技术,近年来在国内矿山得到了迅速推广. 科学进步加速了膏体技术智能化控制、精准化制备和个性化采充的步伐,提升了我国膏体技术的研究水平. 介绍了膏体技术基本概念和特点并统计了膏体技术在中国的发展历程,系统性分析了我国全尾砂浓密脱水技术、结构流管输技术、采场多场影响机制、新材料开发和膏体工程化实验室建设最新研究进展,同时对膏体技术在井下充填和地表堆存领域的实践效果进行了介绍. 指出了膏体技术仍面临着严峻挑战,并将从数字化和智能化方面突破,实现浓度自适应控制、膏体精密制备、采场个性化充填和系统3D模块化设计装配,引领中国矿业绿色发展.      

浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理

针对膏体充填技术中添加絮凝剂对尾砂浓密后浓度提高有限,且屈服应力增大,流动性降低等问题,研究了絮凝剂?浓密增效剂共同作用,进一步提高全尾砂膏体充填料浆浓度,降低料浆屈服应力,并从微观角度进行机理分析. 结果表明:通过沉降与流变试验发现,最佳添加工艺为加入絮凝剂沉降完毕后再加入浓密增效剂,固相质量分数可提高8.57%～10.13%,同时屈服应力降低6.68～12.85 Pa;多组分浓密增效剂不仅能降低单耗与成本,还可以提高膏体充填材料的抗压强度;灰砂质量比1∶12并添加浓密增效剂的膏体充填材料28 d抗压强度为2.5 MPa,与灰砂质量比1∶6未添加浓密增效剂的膏体充填材料强度相差小于20%;通过总有机碳（TOC）吸附试验与Zeta电位试验发现,浓密增效剂具有吸附与分散的作用,会打开絮凝结构,释放絮团间水,从而提高尾砂浓度,并改善尾砂颗粒的流动性.      

基于扩散度的尾砂膏体流变特性

借鉴水泥净浆流动度测试方法,引入扩散度参数判别尾砂膏体的流变特性,开展试验研究分析扩散度与尾砂膏体质量分数（C_w）、灰砂比、屈服应力和黏度系数的关系,根据5个矿山的扩散度和流变参数测试结果,构建扩散度与屈服应力的经验模型,并与推导的解析模型作对比。结果表明:尾砂膏体的扩散度主要与质量分数有关,灰砂比对其影响不显著,随质量分数、屈服应力和黏度的增加而减小,质量分数为68%、70%和72%的尾砂膏体的扩散度分别为20.37、17.22和12.44 cm;尾砂膏体的扩散度与屈服应力的变化趋势相吻合,二者呈指数型函数关系,经验模型计算得到的屈服应力与测试结果误差在25%范围内,且尾砂膏体质量分数越大,二者的误差越小,达到10%以内;解析模型与经验模型计算所得的屈服应力在扩散度为12～16 cm之间结果较接近,解析模型计算结果整体上高于测试值;相比于坍落度,扩散度测试简便易操作,扩散度能有效表征尾砂膏体的流变特性,指导矿山现场充填。      

金属矿山固废充填研究现状与发展趋势

介绍了以膏体+多介质协同充填、同步充填和功能性充填为代表的新兴充填理念。系统阐述了以流变力学和固体力学为主体的矿山充填力学架构,剖析了原位多场多因素扰动作用,并介绍了最新研发的充填体多场耦合监测系统。总结了全尾砂深度浓密、固液混合搅拌以及长距离浆体输送等充填核心环节的发展特点及研究进展。分析了充填智能化发展的必要性,梳理了充填领域涉及的智能化算法,提出了充填智能化未来发展思路。通过对矿山固废充填发展趋势分析,认为未来矿山固废充填需要深度拓展绿色发展内涵,进一步探索模块化、规模化和智能化之路,积极融入并服务深地开采需求,充填采矿法或将成为深部采矿和绿色采矿未来可期的唯一解决方案。      

基于膏体稳定系数的级配表征及屈服应力预测

由于不同矿山充填材料性质千差万别,屈服应力影响因素很难统一分析.通过多个矿山尾砂试样,依次开展了级配表征及影响实验、相似密度流变实验以及基于体积分数和灰砂比的双因素流变实验,并结合细观图像分析技术,实现了屈服应力演化机理的研究.研究表明:膏体稳定系数是级配的有效表征方式,能够表现散体和流体综合特征;屈服应力随膏体稳定系数呈幂指数增长,随浓度呈指数型增长,随密度呈负指数增长,由此构建的全尾砂膏体屈服应力预测模型误差在10%以内;细观图像分析认为屈服应力主要受级配结构和絮网结构支配,级配结构构成了料浆可塑性和稳定性的基础,絮网结构将自由水转变为半稳定形态的吸附水,引起屈服应力宏观演化.      

泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理

高含泥尾矿由于其屈服应力大的特点，流动性能差，不利于管道输送.为改善流动性能，设计流变特性试验，对泵送剂影响高含泥膏体流变特性的机理进行分析.研究结果表明，膏体在不同泵送剂添加量情况下，浆体质量分数与屈服应力之间存在显著的线性关系.对该线性函数作进一步分析，发现泵送剂添加量与该函数的截距和斜率之间存在显著的指数关系.最终得出不同泵送剂添加量和浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数，能够有效表征泵送剂对高含泥膏体流变特性的影响，有利于泵送剂添加量的预测与膏体流动性能的控制.基于上述预测模型，提出泵送剂对高含泥膏体流变特性的影响机理.通过环境扫描电镜（ESEM）发现泵送剂破坏了絮团结构，添加量在1%左右时破坏最明显.泵送剂使得絮团尺寸变小，进而造成屈服应力的降低；后期由于絮团间距增加，絮团间的作用力削弱，絮团结构破坏速度放缓，与理论分析一致.      

金属矿尾砂浓密技术研究现状与展望

作为金属矿山膏体充填技术的首要环节，尾砂浓密技术能够显著提高尾砂脱水效率和尾砂利用率，是矿山绿色发展的重要组成部分。在概述了尾砂浓密脱水技术发展历程的基础上，将浓密机发展阶段分为普通浓密机阶段、高效浓密机阶段和膏体浓密机阶段，阐述了尾砂浓密工艺的应用现状和国内外几个典型的应用案例。介绍了对尾砂起捕捉作用的单一絮凝理论和多重絮凝理论，静态/动态压缩条件下的床层压缩理论与重力浓密理论，并阐述了各理论的最新研究进展。阐述了现阶段尾砂浓密静态沉降实验、小型浓密实验和半工业浓密实验等主要研究方法，介绍了聚焦光束反射测量技术、颗粒录影显微镜技术等先进的观测手段和尾砂浓密技术数值模拟研究现状。现阶段，尾砂浓密脱水技术仍处于发展阶段，存在尾砂浓密的关键参数不稳定、尾砂浓密的生产调控不及时和尾砂浓密的信息平台不健全等问题，尾砂浓密技术的发展仍面临诸多挑战。最后提出了尾砂浓密技术个性化、自动化和智能化的发展方向。      

颗粒粒径对尾砂膏体触变性的影响

高浓度尾砂料浆具有复杂的触变性,颗粒粒径是影响料浆触变性的重要因素,颗粒粒径对触变性影响的定量研究尚不丰富.为探究高浓度尾砂膏体的颗粒粒径对触变性的影响,使用同种尾砂制备了不同平均粒径的样品并制成膏体,开展恒剪切速率实验.结果表明,尾砂膏体具有显著的触变性,恒剪切速率条件下呈剪切稀化.稳态条件下,料浆静态屈服应力、动态屈服应力、宾汉姆黏度均与颗粒平均粒径平方的倒数呈线性正相关.瞬态条件下,颗粒平均粒径和相应瞬态拟合参数呈线性关联.推荐的稳态和触变性模型均表现出较高的适用性.通过数据拟合构建了稳态剪切应力和瞬态剪切应力的预测模型,定量表征颗粒平均粒径对触变性料浆稳态和瞬态流变行为的影响.