《工程科学学报》：全尾砂-废石膏体流变特性及阻力演化.pdf

《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.07.31.002©北京科技大学2020 全尾砂废石膏体流变特性及阻力演化尹升华12)，闫泽鹏12☒，严荣富12，李德贤)，赵国亮)，张鹏强) 1)北京科技大学土木与资源学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000833)金川集团股份有限公司镍钴资源综合利用国家重点实验室，金昌737100 ☒通信作者，E-mail:yan_zepeng@163.com 摘要粗骨料膏体充填是当今矿山发展的核心方向。为了研究全尾砂-废石膏体的管道输送特性，采用流变仪测试了不同尾废比及固体质量分数条件下膏体的流变特性，构建了综合考虑密实度、水灰比及体积浓度的输送阻力方程。将该方程代入Comsol软件中进行模拟计算并与环管实测结果进行对比验证，数值模型所测误差均在7%以内，说明该模型用于计算全尾砂废石膏体的阻力特性是合理的，还模拟了不同浓度、尾废化及初始速度条件下管道输送阻力的变化特征。实验结果表明：塑性粘度和屈服应力随着粗骨料膏体固体质量数和尾废比的增加而增大：由于颗粒间的摩擦效应导致阻力损失随尾废比的增加呈先增大后减小的趋势，单为损失在尾废比5：5处取得最小值：固体质量分数增大导致水含量的降低，使粗骨料浆体难以流动，从而导致阳为损失快速增长：初始流速增加，颗粒运动变得不稳定，摩擦加剧，并于“拐点”2.2ms处阻力损失的增4 高。研究成果对于粗骨料膏体管输系统的设计具有一定借鉴意义。关键词粗骨料：尾废比：流变特性：阻力模型：数值模拟分类号TG862.2 Rheological properties and resistance evolution of cemented unclassified tailings-waste rock paste backfill YIN Sheng-hua2 YAN Rong-ful2),LI De-xian,ZHAOGuo-liang,ZHANG Peng- qiangs) 1)School of Civila ces Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Key Laborato f High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing. Beijing 100083,Chi 3) National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization,Jinchuan Group Co Ltd,Jinchang 737100,China Corresponding author,E-mail:yan_zepeng@163.com ABSTRACT Coarse aggregate paste filling is the core direction of mine development today.The coarse aggregate filling can effectively reduce the discharge of mine solid waste,which is conducive to the realization of safe,clean,and efficient mining of the deposit,and can also reduce the production costs of infill mining and promote the coordinated development of 基金项目：国家优秀青年科学基金资助项目(51722401)：国家自然科学基金重点资助项目(51734001)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-18-003C1):山东省重大科技创新工程项目(2019SDZY05)

全尾砂-废石膏体流变特性及阻力演化1 尹升华 1,2)，闫泽鹏1,2)，严荣富 1,2)，李德贤 3)，赵国亮 3)，张鹏强 3) 1) 北京科技大学土木与资源学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 金川集团股份有限公司镍钴资源综合利用国家重点实验室，金昌 737100  通信作者，E-mail:yan_zepeng@163.com 摘要粗骨料膏体充填是当今矿山发展的核心方向。为了研究全尾砂-废石膏体的管道输送特性，采用流变仪测试了不同尾废比及固体质量分数条件下膏体的流变特性，构建了综合考虑密实度、水灰比及体积浓度的输送阻力方程。将该方程代入 Comsol 软件中进行模拟计算并与环管实测结果进行对比验证，数值模型所测误差均在 7%以内，说明该模型用于计算全尾砂-废石膏体的阻力特性是合理的，还模拟了不同浓度、尾废比及初始速度条件下管道输送阻力的变化特征。实验结果表明：塑性粘度和屈服应力随着粗骨料膏体固体质量分数和尾废比的增加而增大；由于颗粒间的摩擦效应导致阻力损失随尾废比的增加呈先增大后减小的趋势，阻力损失在尾废比 5:5 处取得最小值；固体质量分数增大导致水含量的降低，使粗骨料浆体难以流动，从而导致阻力损失快速增长；初始流速增加，颗粒运动变得不稳定，摩擦加剧，并于“拐点”-2.2 m·s-1处阻力损失的增长率大大提高。研究成果对于粗骨料膏体管输系统的设计具有一定借鉴意义。关键词粗骨料；尾废比；流变特性；阻力模型；数值模拟分类号 TG862.2 Rheological properties and resistance evolution of cemented unclassified tailings-waste rock paste backfill YIN Sheng-hua1,2) , YAN Ze-peng1,2), YAN Rong-fu1,2) , LI De-xian3) , ZHAOGuo-liang3) , ZHANG Pengqiang3) 1) School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuan Group Co Ltd, Jinchang 737100, China  Corresponding author, E-mail: yan_zepeng@163.com ABSTRACT Coarse aggregate paste filling is the core direction of mine development today. The coarse aggregate filling can effectively reduce the discharge of mine solid waste, which is conducive to the realization of safe, clean, and efficient mining of the deposit, and can also reduce the production costs of infill mining and promote the coordinated development of 1基金项目: 国家优秀青年科学基金资助项目(51722401)；国家自然科学基金重点资助项目(51734001)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-18-003C1)；山东省重大科技创新工程项目（2019SDZY05）《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.31.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

green mining.To study the pipeline conveying characteristics of tailing-waste rock paste,the rheological properties of the paste were tested by rheometer under different tailing-waste rock ratios and solid content conditions.A resistance equation integrating compactness,water-cement ratio,and volume concentration is constructed.And it was brought into Comsol software for simulations and compared with the actual measurement results of the ring pipe to verify that the errors measured by the numerical model were all within 7%,indicating that the model is reasonable for calculating the resistance characteristics of the tailing-waste rock paste.The variation characteristics of pipeline conveying resistance under different solid content,tailing-waste rock ratio,and initial velocity conditions were also simulated.The experimental results show that the plastic viscosity and yield stress increase with the solid content and the tailing-waste rock ratio.Due to the friction effect between the particles,the resistance loss tends to increase and then decrease with the tailing-waste rock ratio.The increase in solid content leads to a decrease in the water content of the paste,which leads to difficulty in the flow of coarse aggregate slurry and a rapid increase in resistance loss.The initial flow rate increases,the particle motion becomes unstable,friction increases,and the growth rate of drag loss increases greatly after the "inflection point"of 2.2 m It is recommended that the mine should be filled with a tailing-waste rock ratio of 5:5 and an initial flow rate of 2.2 m The fesearch results have certain reference significance for the design of coarse aggregate paste pipeline conveying system,which helps the development of coarse aggregate paste conveying technology,and also has a positie on reducing the pipeline conveying resistance and extending the conveying distance. KEY WORDS coarse aggregate;tailing-waste rock ratio;rheological characteristi model;numerical simulation 全尾砂废石膏体充填是矿山发展的核心方向。它能够有效地降低矿山固体废物的排放，有利于矿床安全清洁高效开采的实现，也能够降低充填彩的生产成本，促进矿山绿色开采与矿山经济的协调发展3。膏体通常是在充填站进行制备，然通过管道系统输送到地下采空区。为了保证矿山生产效率与管道输送稳定性，膏体通常应满足一定的流动性要求，常见的流动性评价指标为流变特性参数（屈服应力和塑性粘度）。目、国内外专家学者针对膏体的流变特性进行了大量的实验研究。如，蔡嗣经等o引入Papanastasiou模型对充填料浆的黏度和切应力变化过程进行表征，并证明该模型对于流体性质预测的可行性。Boyu山等研究了颗粒的粒度分布对水煤浆流变学的影响。 Ptt四等对两种不同种类砂浆的屈服应力值随时间和温度变化的耦合影响进行了评估。可以看出，前述研究的对象均为细粒级浆体：得结果并不适用于全尾砂废石膏体。阻力特性也是评价膏体管道输送可行性的重要依据1。传统的膏体管道输送阻力的研究一般分为两种方式。一种方法是阻损失经验公式，如金川公式、鞍山矿院公式等。但是，其仅适用于特定条件下的充填输送，不冥视性。另一种方法是相似实验，采用小管径装置进行实验，然后将计算结果折算到大管伦管道。虽然这种方法为管道输送的研究提供了思路，但是由于现场条件的多变性，导致结果输送情况相差较大。近年来，计算流体力学(C℉D)模拟成为研究膏体阻力特性的一种有效的方法1。如杨天雨等应用Fluent软件按照矿山的实际充填管路进行等比建模，研究了不同影响因素对阻力损失的影响规律。张钦礼劉等建立了长距离的二维管道模型，发现料浆自流输送需腰满足重力产生的压力值大于阻力损失值。吴迪等采用模拟手段分析了某矿充填管道输送过程中弯管的受力情况，为充填系统的顺利运行提供了理论支撑。王新民2等基于LOW 3D综合多种影响因素研究发现西部某膏体充填站的最佳输送倍线为3.0。然而，还没有一种可以有效预测全尾砂废石音体流动特征的模型。本实验的主要目的是考察全尾砂-废石膏体的流变特性及阻力演化行为。研究了粗骨料膏体的流变参数变化特性，构建了考虑体积浓度、堆积密度及水灰比的输送阻力数值模型。并基于Comsol软件分析了不同尾废比、入口速度、及浓度对输送阻力的影响规律。本文的研究成果对于粗骨料膏体输送技术的发展及减小管输阻力、延长输送距离具有积极意义。 1实验材料

green mining. To study the pipeline conveying characteristics of tailing-waste rock paste, the rheological properties of the paste were tested by rheometer under different tailing-waste rock ratios and solid content conditions. A resistance equation integrating compactness, water-cement ratio, and volume concentration is constructed. And it was brought into Comsol software for simulations and compared with the actual measurement results of the ring pipe to verify that the errors measured by the numerical model were all within 7%, indicating that the model is reasonable for calculating the resistance characteristics of the tailing-waste rock paste. The variation characteristics of pipeline conveying resistance under different solid content, tailing-waste rock ratio, and initial velocity conditions were also simulated. The experimental results show that the plastic viscosity and yield stress increase with the solid content and the tailing-waste rock ratio. Due to the friction effect between the particles, the resistance loss tends to increase and then decrease with the tailing-waste rock ratio. The increase in solid content leads to a decrease in the water content of the paste, which leads to difficulty in the flow of coarse aggregate slurry and a rapid increase in resistance loss. The initial flow rate increases, the particle motion becomes unstable, friction increases, and the growth rate of drag loss increases greatly after the "inflection point" of 2.2 m·s-1 . It is recommended that the mine should be filled with a tailing-waste rock ratio of 5:5 and an initial flow rate of 2.2 m·s-1 . The research results have certain reference significance for the design of coarse aggregate paste pipeline conveying system, which helps the development of coarse aggregate paste conveying technology, and also has a positive effect on reducing the pipeline conveying resistance and extending the conveying distance. KEY WORDS coarse aggregate; tailing-waste rock ratio; rheological characteristics; resistance model; numerical simulation 全尾砂-废石膏体充填是矿山发展的核心方向[1-2]。它能够有效地降低矿山固体废物的排放，有利于矿床安全清洁高效开采的实现，也能够降低充填采矿的生产成本，促进矿山绿色开采与矿山经济的协调发展[3-6]。膏体通常是在充填站进行制备，然后通过管道系统输送到地下采空区[7-8]。为了保证矿山生产效率与管道输送稳定性，膏体通常应满足一定的流动性要求，常见的流动性评价指标为流变特性参数[9]（屈服应力和塑性粘度）。目前，国内外专家学者针对膏体的流变特性进行了大量的实验研究。如，蔡嗣经等[10]引入 Papanastasiou 模型对充填料浆的黏度和切应力变化过程进行表征，并证明该模型对于流体性质预测的可行性。Boylu[11]等研究了颗粒的粒度分布对水煤浆流变学的影响。 Petit[12]等对两种不同种类砂浆的屈服应力值随时间和温度变化的耦合影响进行了评估。可以看出，前述研究的对象均为细粒级浆体，所得结果并不适用于全尾砂-废石膏体。阻力特性也是评价膏体管道输送可行性的重要依据[13]。传统的膏体管道输送阻力的研究一般分为两种方式。一种方法是阻力损失经验公式，如金川公式、鞍山矿院公式[14]等。但是，其仅适用于特定条件下的充填输送，不具有广泛性。另一种方法是相似实验，采用小管径装置进行实验，然后将计算结果折算到大管径管道中[15]。虽然这种方法为管道输送的研究提供了思路，但是由于现场条件的多变性，导致结果与实际输送情况相差较大。近年来，计算流体力学（CFD）模拟成为研究膏体阻力特性的一种有效的方法[16]。如杨天雨[17]等应用 Fluent 软件按照矿山的实际充填管路进行等比建模，研究了不同影响因素对阻力损失的影响规律。张钦礼[18]等建立了长距离的二维管道模型，发现料浆自流输送需要满足重力产生的压力值大于阻力损失值。吴迪[19]等采用模拟手段分析了某矿充填管道输送过程中弯管的受力情况，为充填系统的顺利运行提供了理论支撑。王新民[20]等基于 FLOW- 3D 综合多种影响因素研究发现西部某膏体充填站的最佳输送倍线为 3.0。然而，还没有一种可以有效预测全尾砂-废石膏体流动特征的模型。本实验的主要目的是考察全尾砂-废石膏体的流变特性及阻力演化行为。研究了粗骨料膏体的流变参数变化特性，构建了考虑体积浓度、堆积密度及水灰比的输送阻力数值模型。并基于 Comsol 软件分析了不同尾废比、入口速度、及浓度对输送阻力的影响规律。本文的研究成果对于粗骨料膏体输送技术的发展及减小管输阻力、延长输送距离具有积极意义。 1 实验材料录用稿件，非最终出版稿

本实验所用实验材料均取自金川公司二矿区，全尾砂和废石的物理化学性质如下： (1)全尾砂取自二矿区选厂，晾晒并烘干后测其比重（密度）为2.785gcm3,松散堆积密度和堆积密度分别为1.21gcm3和1.527gcm3。采用LMS-30型激光粒度分析仪测试全尾砂的粒度组成，粒度分布见图1(a)。可以看出，粒度小于80um的尾矿占91.31%。尾矿砂的主要化学成分采用X射线荧光(XRF)光谱分析，结果见表1。全尾砂的活性根据国家标准GB/T20491- 2006、GB203-2008、GB/T18046-2008采用用碱度、活度、质量指数等指标进行评价，如表2所示。表2 数据标明二矿区全尾砂是一种低活性的填充材料。 (2)废石取自二矿区充填站料仓。测其比重（密度）为2.876gcm3。松散堆积密度和致密堆积密度分别为1.675gcm3和1.968gcm3。用筛分法测试废石的粒度分布，粒度曲线如图1(b)所示，可见0~12mm的废石占87%，小于15mm的废石占99.9%，废石骨料粗颗粒含量较多，会对管道输送产生不利影响。废石的活性指标在表2中给出，可以看出废石同样为低活性的充填材料。 (3)堆积密实度是表征粗骨料混合性能的一个重要指标，其主要反映的是细骨料填隙效应的优劣。经实验得到的不同全尾砂-废石配比的密实度如表3所示。预实验中发现金龟砂废石配比达到 3:7后料浆稳定性降低，会严重影响料浆的阻力特性。因此，本文选取中间E组连续的配比（尾废比 4:6、5:5和64)进行实验。表1充填材料化学成分 Table 1 Chemical composition of filling material Materials SiO2 CaO MgO Al203 Fe2O3八SO3 K20 TiO2 MnO other Unclassified 42.20 3.73 32.71 4.04 37 0.39 0.33 0 0.85 tailing Waste rock 47.71 16.39 15.22 7.81 2.58 1.95 0.54 0.12 0.39 表2充填林料活性指标 Table 2 Activity index of filling material Materials Alkalinity rate Activity rate Mass index Activity Unclassified tailing 0.79 0.1 0.24 Low activity Waste rock 0.57 0.163 0.54 Low activity 囊3混合骨料的堆积密实度 Stacking compactness of mixed aggregate Density of mixed Compactness(Φ) aggregate(g.cm3) 0:1 2.826 0.476 19 2.815 0.489 2:8 2.801 0.508 3:7 2.788 0.521 4:6 2.774 0.542 2.761 0.593 6 2.752 0.614 2.743 0.589 2 2.732 0.571 2.724 0.552

本实验所用实验材料均取自金川公司二矿区，全尾砂和废石的物理化学性质如下：（1）全尾砂取自二矿区选厂，晾晒并烘干后测其比重（密度）为 2.785 g·cm-3，松散堆积密度和堆积密度分别为 1.21 g·cm-3和 1.527 g·cm-3。采用 LMS-30 型激光粒度分析仪测试全尾砂的粒度组成，粒度分布见图 1（a）。可以看出，粒度小于 80 μm 的尾矿占 91.31%。尾矿砂的主要化学成分采用 X 射线荧光（ XRF）光谱分析，结果见表 1。全尾砂的活性根据国家标准 GB/T20491- 2006、GB203-2008、GB/T18046-2008 采用用碱度、活度、质量指数等指标进行评价，如表 2 所示。表 2 数据标明二矿区全尾砂是一种低活性的填充材料。（2）废石取自二矿区充填站料仓。测其比重（密度）为 2.876 g·cm-3。松散堆积密度和致密堆积密度分别为 1.675 g·cm-3和 1.968 g·cm-3。用筛分法测试废石的粒度分布，粒度曲线如图 1（b）所示，可见 0~12 mm 的废石占 87%，小于 15 mm 的废石占 99.9%，废石骨料粗颗粒含量较多，会对管道输送产生不利影响。废石的活性指标在表 2 中给出，可以看出废石同样为低活性的充填材料。（3）堆积密实度是表征粗骨料混合性能的一个重要指标，其主要反映的是细骨料填隙效应的优劣。经实验得到的不同全尾砂-废石配比的密实度如表 3 所示。预实验中发现全尾砂-废石配比达到 3:7 后料浆稳定性降低，会严重影响料浆的阻力特性。因此，本文选取中间三组连续的配比（尾废比 4:6、5:5 和 6:4）进行实验。表 1 充填材料化学成分 Table 1 Chemical composition of filling material Materials SiO₂ CaO MgO Al O₂ ₃ Fe O₂ ₃ SO₃ K O₂ TiO₂ MnO other Unclassified tailing 42.20 3.73 32.71 4.04 12.14 3.37 0.39 0.33 0 0.85 Waste rock 47.71 16.39 15.22 7.81 7.17 2.58 1.95 0.54 0.12 0.39 表 2 充填材料活性指标 Table 2 Activity index of filling material Materials Alkalinity rate Activity rate Mass index Activity Unclassified tailing 0.79 0.1 0.24 Low activity Waste rock 0.57 0.163 0.54 Low activity 表 3 混合骨料的堆积密实度 Table 3 Stacking compactness of mixed aggregate Tailing-waste rock ratio Density of mixed aggregate(g·cm-3) Compactness(Φ) 0:1 2.826 0.476 1:9 2.815 0.489 2:8 2.801 0.508 3:7 2.788 0.521 4:6 2.774 0.542 5:5 2.761 0.593 6:4 2.752 0.614 7:3 2.743 0.589 8:2 2.732 0.571 9:1 2.724 0.552 录用稿件，非最终出版稿

1:0 2.715 0.537 1 10 100 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 (a) Differential distribution (%) Particle size (μm) Differential distribution Cumulative distribution 0 20 40 60 80 100 120 Cumulative distribution (%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Differential distribution Cumulative distribution Differential distribution (%) Particle size (mm) (b) 0 20 40 60 80 100 Cumulative distribution (%) 图 1 粒度分析结果.(a)全尾砂; (b)废石 Fig.1 Results particle size analysis: (a) unclassified tailing; (b) waste rock 2 全尾砂-废石膏体的流变特性 2.1 流变测试采用 Brookfield R/S+型流变仪对全尾砂-废石膏体的流变特性进行测试。该流变仪配备规格为 v40-20 的桨式转子，即桨叶直径 D 为 20 mm，高度 H 为 40 mm。为了避免干尾砂颗粒与水之间不充分混合所造成的测量误差，使用搅拌机以 200 r/min 的转速搅拌 2min 后再进行流变测试。采用控制剪切速率法对废石膏体的流变特性进行测试（流变实验方案如表 4 所示）。流变测试共包括两部分内容：1）固体质量分数（选择 67%-77%质量分数进行测试）对流变特性的影响；2）尾废比（尾砂和废石的质量比，选择 4:6/5:5/6:4 三组进行测试）对流变特性的影响。流变测试流程如下：首先使转子保持恒定剪切速率（220s-1）对膏体进行 2min 的恒定剪切；待膏体达到应力松弛阶段后，设置剪切速率以 0.1s-1逐渐递减，在变剪切速率测试膏体的流变特性，该阶段持续时间共 220s，流变测试剪切过程如图 2 所示。最终得到全尾砂-废石膏体的流变特性曲线，如图 3 所示。表 4 流变测试方案 Table 4 Summary of the rheological test Scheme Solid content/% Volume concentration/ % Cementsand ratio Watercement ratio Tailing-waste rock ratio Bulk density 1-3 67 55.20% 1:4 1.41 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614 4-6 69 52.39% 1:4 1.57 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614 7-9 71 49.72% 1:4 1.75 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614 10-12 73 47.19% 1:4 1.94 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614 13-15 75 44.77% 1:4 2.14 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614 16-18 77 录用稿件，非最终出版稿 42.47% 1:4 2.35 4:6/5:5/6:4 0.542/0.593/0.614