《工程科学学报》：全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 全尾砂青体流变学研究现状与展望（上)：概念、特性与模型 吴爱祥李红程海勇王贻明李翠平阮竹恩 Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings(Part 1):concepts, characteristics and models WU Ai-xiang.LI Hong.CHENG Hai-yong.WANG Yi-ming.LI Cui-ping.RUAN Zhu-en 引用本文： 吴爱祥，李红，程海勇，王贻明，李翠平，阮竹恩.全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上)：概念、特性与模型).工程科 学学报，2020,42(7)：803-813.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.001 WU Ai-xiang.LI Hong,CHENG Hai-yong,WANG Yi-ming.LI Cui-ping,RUAN Zhu-en.Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings(Part 1):concepts,characteristics and models[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(7):803-813.doi:10.13374j.issn2095-9389.2019.10.29.001 在线阅读View online::htps/ldoi.org/10.13374/.issn2095-9389.2019.10.29.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 Status and Prospects of Researches on Rheology of Paste Backfill Using Unclassified-tailings(Part 2):Rheological Measurement and Prospects 工程科学学报.优先发表htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.002 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报.2018.405)：517htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.05.001 基于扩散度的尾砂膏体流变特性研究 Rheological properties of tailings backfill paste based on the spread test 工程科学学报.优先发表https:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.02.18.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为研究 Study on flocculation and setting behavior of unclassified tailings based on measurement of the floc chord length 工程科学学报.优先发表https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.004 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报.2017,39(1)：31 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.01.004

全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 吴爱祥 李红 程海勇 王贻明 李翠平 阮竹恩 Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings (Part 1): concepts, characteristics and models WU Ai-xiang, LI Hong, CHENG Hai-yong, WANG Yi-ming, LI Cui-ping, RUAN Zhu-en 引用本文: 吴爱祥, 李红, 程海勇, 王贻明, 李翠平, 阮竹恩. 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型[J]. 工程科 学学报, 2020, 42(7): 803-813. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001 WU Ai-xiang, LI Hong, CHENG Hai-yong, WANG Yi-ming, LI Cui-ping, RUAN Zhu-en. Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings (Part 1): concepts, characteristics and models[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(7): 803-813. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 Status and Prospects of Researches on Rheology of Paste Backfill Using Unclassified-tailings (Part 2): Rheological Measurement and Prospects 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.002 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报. 2018, 40(5): 517 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001 基于扩散度的尾砂膏体流变特性研究 Rheological properties of tailings backfill paste based on the spread test 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为研究 Study on flocculation and setting behavior of unclassified tailings based on measurement of the floc chord length 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报. 2017, 39(1): 31 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.004

工程科学学报.第42卷，第7期：803-813.2020年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.7:803-813,July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001;http://cje.ustb.edu.cn 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与 模型 吴爱祥)，李红)，程海勇2)区，王贻明)，李翠平)，阮竹恩) 1)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，北京1000832)昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093 ☒通信作者，E-mail:haiker2007@163.com 摘要膏体充填为矿产资源的深部开采及可持续发展提供了安全、绿色、高效的技术保障，已成为矿业领域的研究热点和 发展趋势之一，全尾砂膏体流变学是膏体充填全套工艺流程的重要理论基础，深刻影响着膏体充填技术的发展.本文从膏体 的内涵出发，系统性地论述了膏体流变学研究的必要性、特殊性及复杂性.并以膏体流变实验结果为基础.分析了全尾砂膏 体的典型流变特性及最新研究成果.总结了常用的屈服型非牛顿流体流变模型，并探讨了常用流变本构方程对膏体料浆的 适用性，对其实际应用提出合理建议.同时对膏体流变特性的关键影响因素进行了概述.根据膏体流变学的研究现状，归纳 总结并提出了膏体流变学研究的重点与难点，指出现阶段膏体流变学须从测试标准、本构方程、微观机理及工程应用等方面 深入研究. 关键词膏体；流变：全尾砂：流变模型：充填采矿旷；发展趋势 分类号TD853 Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified- tailings (Part 1):concepts,characteristics and models WU Ai-xiang,LI Hong,CHENG Hai-yong,WANG Yi-ming,LI Cui-ping,RUAN Zhu-en) )Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:haiker2007@163.com ABSTRACT The cemented paste backfill(CPB)technology provides a safe,green and efficient access to deep underground mining and sustainable exploitation of mineral resources,and it has become one of the research focuses and development trends in the mining field.The CPB technology mainly includes four key processes,namely,the thickening of unclassified tailings,homogeneous mixing of multi-scale materials,pipeline transportation of fresh CPB,and its consolidation in the mined-out underground stopes.As a relatively new material that is comprised of various constituents,typically the tailings,cement,and water,as well as a high solid concentration, CPB tends to show complicated behaviors under the effects of surroundings.Therefore,understanding CPB behaviors is of practical significance for the development of the technology,since knowledge of CPB behavior is essential in the preliminary backfill system design and operation.It has been pointed out that the use of solid-liquid two-phase flows shows some limitations for the paste.In comparison,the rheology which targets on the flow and deformation of the paste under the influence of external shearing can provide a theoretical basis for the whole processes of paste backfill technology and deeply affect its development.Based on the characteristics of 收稿日期：2019-10-29 基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2019M663576片国家自然科学基金资助项目(51834001.51574013)片金属矿山高效开采与安全教 育部重点实验室开放基金资助项目(ustbmslab201801)

全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与 模型 吴爱祥1)，李    红1)，程海勇1,2) 苣，王贻明1)，李翠平1)，阮竹恩1) 1) 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    2) 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093 苣通信作者，E-mail: haiker2007@163.com 摘    要    膏体充填为矿产资源的深部开采及可持续发展提供了安全、绿色、高效的技术保障，已成为矿业领域的研究热点和 发展趋势之一. 全尾砂膏体流变学是膏体充填全套工艺流程的重要理论基础，深刻影响着膏体充填技术的发展. 本文从膏体 的内涵出发，系统性地论述了膏体流变学研究的必要性、特殊性及复杂性. 并以膏体流变实验结果为基础，分析了全尾砂膏 体的典型流变特性及最新研究成果. 总结了常用的屈服型非牛顿流体流变模型，并探讨了常用流变本构方程对膏体料浆的 适用性，对其实际应用提出合理建议. 同时对膏体流变特性的关键影响因素进行了概述. 根据膏体流变学的研究现状，归纳 总结并提出了膏体流变学研究的重点与难点，指出现阶段膏体流变学须从测试标准、本构方程、微观机理及工程应用等方面 深入研究. 关键词    膏体；流变；全尾砂；流变模型；充填采矿；发展趋势 分类号    TD853 Status  and  prospects  of  researches  on  rheology  of  paste  backfill  using  unclassified￾tailings (Part 1): concepts, characteristics and models WU Ai-xiang1) ，LI Hong1) ，CHENG Hai-yong1,2) 苣 ，WANG Yi-ming1) ，LI Cui-ping1) ，RUAN Zhu-en1) 1) Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 苣 Corresponding author, E-mail: haiker2007@163.com ABSTRACT    The cemented paste backfill (CPB) technology provides a safe, green and efficient access to deep underground mining and sustainable exploitation of mineral resources, and it has become one of the research focuses and development trends in the mining field. The CPB technology mainly includes four key processes, namely, the thickening of unclassified tailings, homogeneous mixing of multi-scale materials, pipeline transportation of fresh CPB, and its consolidation in the mined-out underground stopes. As a relatively new material that is comprised of various constituents, typically the tailings, cement, and water, as well as a high solid concentration, CPB tends to show complicated behaviors under the effects of surroundings. Therefore, understanding CPB behaviors is of practical significance for the development of the technology, since knowledge of CPB behavior is essential in the preliminary backfill system design  and  operation.  It  has  been  pointed  out  that  the  use  of  solid-liquid  two-phase  flows  shows  some  limitations  for  the  paste.  In comparison, the rheology which targets on the flow and deformation of the paste under the influence of external shearing can provide a theoretical basis for the whole processes of paste backfill technology and deeply affect its development. Based on the characteristics of 收稿日期: 2019−10−29 基金项目: 中国博士后科学基金资助项目 (2019M663576)；国家自然科学基金资助项目 (51834001，51574013)；金属矿山高效开采与安全教 育部重点实验室开放基金资助项目 (ustbmslab201801) 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期：803−813，2020 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 7: 803−813, July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001; http://cje.ustb.edu.cn

804 工程科学学报，第42卷，第7期 the paste materials,the necessity,particularity and complexity of the research on paste rheology were systematically discussed.Typical rheological properties of paste and the latest achievements were analyzed with the summarized results from rheological experiments.The commonly used rheological models ofyielding non-Newtonian fluids were reviewed,and the applicability of corresponding constitutive equations to paste slurry was discussed with reasonable suggestions provided for its practical application.Meanwhile,the key influence factors of paste rheological properties were summarized.According to the research status,the priorities and difficulties of research on paste rheology were summarized and proposed,with emphases on test standards,constitutive equations,microscopic mechanisms and engineering applications. KEY WORDS paste;rheology;unclassified tailings;rheological models;backfill mining;development trend 金属矿产资源是国民经济和社会发展的重要 性地叙述了膏体流变测量方法及其适用性，并对 支柱山，我国金属矿分布广泛，储量大、种类多.但 测量关键问题进行了系统梳理.针对膏体流变学 是，矿产资源的持续开发导致了大量矿山固体废 研究中的重点、难点及热点进行了跟踪总结，为推 弃物的产生，传统采矿方法遗留的采空区和尾矿 动膏体充填、绿色采矿以及深部开采理论与技术 库已成为金属矿山的两大污染源和危险源.据统 发展提供了战略思路 计，我国尾砂地表堆存量已达146亿吨回，地下采 1膏体流变学研究概述 空区总体积达12.8亿立方米间，绿色安全的采矿方 法成为矿产资源开发的必然选择.膏体充填技术 1.1膏体的基本概念 具有采场充填不泌水、接顶好、充填质量高等特 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的高浓 点，为地下采空区的治理和尾矿处置提供了安全、 度、饱和态、无泌水的非牛顿流体，具有不脱水、 绿色、高效的解决方案，可实现“一废治两害”，从 不分层、不离析的特性.受限于选矿工艺技术，全 源头管控采空区和尾矿库，正逐渐成为世界各地 尾砂颗粒体系分布具有跨多尺度特点，从微米到 地下金属矿开采的标准做法-响随着深部资源开 毫米级.细颗粒受静电相互作用易形成稳定的悬 采战略的逐步推进，在“三高一扰动”（高地应力、 浮体系，尤其是20m以下细颗粒，而粗颗粒之间 高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰 机械摩擦与碰撞作用更为显著.由于音体体系的 动)特殊复杂的力学环境下，膏体充填采矿法或将 复杂性，膏体的量化定义仍具有较大争议，国内外 成为深部资源安全、绿色开采的唯一方案. 多认为膏体的塌落度应在15~25cm之间0-叫，屈 膏体充填是将选厂排放的低浓度全尾砂料浆 服应力应在100Pa以上2,20um以下细颗粒占比 进行深度脱水，并与活性材料、改性材料和水搅拌 在15%以上较为理想1：另有学者用分层度小 均匀，制备成高浓度、流态化的膏体料浆，通过自 于2cms-1、饱和率为101.5%~105.3%与泌水率 流或泵压输送至井下采空区，实现预定充填功能 为1.5%~5刀等指标加以补充.由于膏体物料来 的过程.膏体作为一种高固含的固液混合材料，表 源与组成的复杂性，在评价膏体性能时应综合考 现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理论 虑多因素影响 在膏体特征描述及定量分析中表现出明显的局限 1.2膏体流变学研究的必要性 性膏体充填中浓密、搅拌、输送、充填各工艺 膏体流变学是膏体充填技术的理论基础，膏 环节均存在不同形式的流动与变形行为，膏体流 体充填的四个工艺环节均需基于料浆的流动与变 变学是研究膏体的流变行为、构建数学描述及指 形来开展 导工程应用的有效手段 (1)浓密阶段，需将低浓度尾砂浆（质量分数 近年来，膏体流变学得到了国内外广泛关注 通常低于20%)经膏体浓密机深度脱水，获得稳定 与深入研究，在基础科学问题上，尤其在膏体流变 的高浓度底流砂浆（质量分数通常高于60%）.压 学概念、膏体流变特性及其影响因素、流变模型 缩区料浆的流变特性直接关系到耙架转速与扭矩 以及流变测量等方面做了大量工作，并取得了重 值的设定，流变参数的分布与变化直接反映了浓 要成果.鉴于此，本文在归纳总结国内外研究成果 密机的功效8-20 的基础上，概述了膏体流变学研究的必要性、特殊 (2)搅拌阶段，需将高浓度底流砂浆与其他惰 性及复杂性，并对多种流变模型的适用性进行了 性材料、活性材料及改性材料等搅拌制备成均匀 分析；归纳了膏体流变特性的关键影响因素；系统 流态化膏体，关键在于保证膏体的均质性.理想的

the paste materials, the necessity, particularity and complexity of the research on paste rheology were systematically discussed. Typical rheological properties of paste and the latest achievements were analyzed with the summarized results from rheological experiments. The commonly used rheological models of yielding non-Newtonian fluids were reviewed, and the applicability of corresponding constitutive equations to paste slurry was discussed with reasonable suggestions provided for its practical application. Meanwhile, the key influence factors of paste rheological properties were summarized. According to the research status, the priorities and difficulties of research on paste rheology were summarized and proposed, with emphases on test standards, constitutive equations, microscopic mechanisms and engineering applications. KEY WORDS    paste；rheology；unclassified tailings；rheological models；backfill mining；development trend 金属矿产资源是国民经济和社会发展的重要 支柱[1] ，我国金属矿分布广泛，储量大、种类多. 但 是，矿产资源的持续开发导致了大量矿山固体废 弃物的产生，传统采矿方法遗留的采空区和尾矿 库已成为金属矿山的两大污染源和危险源. 据统 计，我国尾砂地表堆存量已达 146 亿吨[2] ，地下采 空区总体积达 12.8 亿立方米[3] ，绿色安全的采矿方 法成为矿产资源开发的必然选择. 膏体充填技术 具有采场充填不泌水、接顶好、充填质量高等特 点，为地下采空区的治理和尾矿处置提供了安全、 绿色、高效的解决方案，可实现“一废治两害”，从 源头管控采空区和尾矿库，正逐渐成为世界各地 地下金属矿开采的标准做法[4−6] . 随着深部资源开 采战略的逐步推进，在“三高一扰动”（高地应力、 高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰 动）特殊复杂的力学环境下，膏体充填采矿法或将 成为深部资源安全、绿色开采的唯一方案. 膏体充填是将选厂排放的低浓度全尾砂料浆 进行深度脱水，并与活性材料、改性材料和水搅拌 均匀，制备成高浓度、流态化的膏体料浆，通过自 流或泵压输送至井下采空区，实现预定充填功能 的过程. 膏体作为一种高固含的固液混合材料，表 现出典型的非牛顿流体特性，传统的两相流理论 在膏体特征描述及定量分析中表现出明显的局限 性[7−9] . 膏体充填中浓密、搅拌、输送、充填各工艺 环节均存在不同形式的流动与变形行为，膏体流 变学是研究膏体的流变行为、构建数学描述及指 导工程应用的有效手段. 近年来，膏体流变学得到了国内外广泛关注 与深入研究，在基础科学问题上，尤其在膏体流变 学概念、膏体流变特性及其影响因素、流变模型 以及流变测量等方面做了大量工作，并取得了重 要成果. 鉴于此，本文在归纳总结国内外研究成果 的基础上，概述了膏体流变学研究的必要性、特殊 性及复杂性，并对多种流变模型的适用性进行了 分析；归纳了膏体流变特性的关键影响因素；系统 性地叙述了膏体流变测量方法及其适用性，并对 测量关键问题进行了系统梳理. 针对膏体流变学 研究中的重点、难点及热点进行了跟踪总结，为推 动膏体充填、绿色采矿以及深部开采理论与技术 发展提供了战略思路. 1    膏体流变学研究概述 1.1    膏体的基本概念 膏体是多尺度散体材料与水复合而成的高浓 度、饱和态、无泌水的非牛顿流体，具有不脱水、 不分层、不离析的特性. 受限于选矿工艺技术，全 尾砂颗粒体系分布具有跨多尺度特点，从微米到 毫米级. 细颗粒受静电相互作用易形成稳定的悬 浮体系，尤其是 20 μm 以下细颗粒，而粗颗粒之间 机械摩擦与碰撞作用更为显著. 由于膏体体系的 复杂性，膏体的量化定义仍具有较大争议，国内外 多认为膏体的塌落度应在 15～25 cm 之间[10−11] ，屈 服应力应在 100 Pa 以上[12] ，20 μm 以下细颗粒占比 在 15% 以上较为理想[13−14] ；另有学者用分层度小 于 2 cm[15−16]、饱和率为 101.5%～105.3% 与泌水率 为 1.5%～5% [17] 等指标加以补充. 由于膏体物料来 源与组成的复杂性，在评价膏体性能时应综合考 虑多因素影响. 1.2    膏体流变学研究的必要性 膏体流变学是膏体充填技术的理论基础，膏 体充填的四个工艺环节均需基于料浆的流动与变 形来开展. （1）浓密阶段，需将低浓度尾砂浆（质量分数 通常低于 20%）经膏体浓密机深度脱水，获得稳定 的高浓度底流砂浆（质量分数通常高于 60%）. 压 缩区料浆的流变特性直接关系到耙架转速与扭矩 值的设定，流变参数的分布与变化直接反映了浓 密机的功效[18−20] . （2）搅拌阶段，需将高浓度底流砂浆与其他惰 性材料、活性材料及改性材料等搅拌制备成均匀 流态化膏体，关键在于保证膏体的均质性. 理想的 · 804 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期

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 ·

806 工程科学学报，第42卷，第7期 流变学的深度研究带来极大挑战.膏体流变特性 2.2膏体的剪切稀化与剪切增稠 对多种外部因素扰动敏感度高，因此，膏体流变测 不同的膏体料浆在不同剪切环境中往往表 试对仪器及测试标准提出了很高的要求.此外，基 现出不同程度的剪切稀化和剪切增稠行为.文 于上述原因，在研究宏观流变行为及微细观结构 献[25,34-36发现，膏体在剪切作用下表现出剪 演化时，单一孤立的测试与研究难以获得有说服 切稀化现象，同时剪切稀化的时变特性与剪切速 力的结果 率存在明显的相关性.文献[24,37刀进一步研究发 现，同一膏体可表现出剪切稀化或剪切增稠行为， 2膏体流变特性 与所受的剪切作用相关.剪切速率较低时，膏体表 大量实验发现，不同材料配制的膏体均表现出 现出剪切稀化行为：随着剪切速率继续增加，音体 典型的非牛顿流体特性，但在黏性、塑性、弹性、触 表观黏度趋于稳定，基本符合宾汉体特性：当剪切 变性、剪切稀化及剪切增稠等特征上各有差异 速率超过某一阈值，膏体表现出剪切增稠行为 2.1膏体的黏弹塑性 文献[37刀]认为膏体的不同流变行为与其细观结 膏体的黏弹塑性特征可通过理想的应力测试 构的演变规律有关.当膏体发生剪切稀化时，颗粒间 曲线进行阐述，如图1所示.在控制剪切速率 连接松散、无序：随着剪切速率增加，颗粒间的随机碰 (CSR)模式下，剪切应力缓慢增加.膏体在初始阶 撞逐渐在流动过程中变得有序，屈服应力与黏度逐渐 段未发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性 降低并趋于稳定；当剪切速率超过某一阈值时，强剪 关系，满足胡克定律(AB段)：剪切应力增加到某 切促使膏体内部颗粒碰撞、粘连、聚集频度增加，作 一值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特 用力增强，表现出剪切增稠现象，如图2所示 征(BC段)：剪切应力持续增加至超过某一特定值 2.3膏体的触变性 时(C点，通常将C点作为屈服点，认为膏体于此 触变性是流体在剪切、振荡等机械力作用下 点发生固-流转变行为)，膏体发生流动，主要表现 发生的一种可逆流变行为.膏体的触变性表现为： 出黏性性质(CD段) 在给定的温度等外界条件下，当受到剪切作用时， 屈服应力及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后， 屈服应力及黏度随时间逐渐增大.通常认为触变 行为反映了膏体细观结构的破坏与重建过程，即 Paste 2 ed/ssans 一定的剪切作用导致结构破坏速率大于重建速 Paste 3 率，剪切应力及黏度降低，当剪切作用撤去，结构 Paste 4 的重建速率大于破坏速率，剪切应力及黏度逐渐 恢复B8-0由于恢复需要一定的时间，故存在滞后 性，在试验中表现为应力滞后环，即触变环 Time/s 一些分析认为3，，触变环面积可以作为判断 图1典型的膏体剪切应力-时间曲线) 材料触变性强弱的依据.但膏体试验研究表明，触 Fig.1 A typical shear stress-time curve of paste 变环分析法存在明显的局限性，触变环仅能表征 剪切速率对触变性的影响，而不能有效反映时间 在整个剪切过程中，通常认为在初始阶段膏 因子的作用.如图3所示，剪切速率的峰值不同， 体中的大量颗粒形成了具有一定刚度的网状结 触变环的形态尤其是下行曲线差异显著，若采用 构，具备一定抵抗变形的能力：随着应力增加，网 下行曲线对流变参数进行回归，触变后的塑性黏 状结构中部分节点达到其弹性极限，开始发生断 度往往大于触变前塑性黏度，这与实际情况不符 裂，膏体内部体系处于黏弹性过渡；直至网状结构 因此，触变环仅能作为材料触变性的定性判别依 完全失效，此时应力达到最大值：随后，膏体发生 据，而无法定量描述触变性的大小，亦不能据此获 不可恢复且稳定的塑性流动，表现出黏塑性特征， 得真实触变参数 故在稳态流动时表现为黏塑性体 膏体的触变行为反映了内部结构对剪切作用 膏体充填料浆屈服前表现出黏弹性固体的特 及剪切时间的响应，因此膏体触变性的准确评价 性，屈服后表现为黏塑性体的特性，膏体充填料浆 也需同时考虑以上两个因素.文献24提出了一 在全生命周期内表现出复杂的黏塑性体特征 种膏体触变性的表征方法，因发现剪切速率恒定

流变学的深度研究带来极大挑战. 膏体流变特性 对多种外部因素扰动敏感度高，因此，膏体流变测 试对仪器及测试标准提出了很高的要求. 此外，基 于上述原因，在研究宏观流变行为及微细观结构 演化时，单一孤立的测试与研究难以获得有说服 力的结果. 2    膏体流变特性 大量实验发现，不同材料配制的膏体均表现出 典型的非牛顿流体特性，但在黏性、塑性、弹性、触 变性、剪切稀化及剪切增稠等特征上各有差异. 2.1    膏体的黏弹塑性 膏体的黏弹塑性特征可通过理想的应力测试 曲线进行阐述 ，如图 1 所示. 在控制剪切速率 （CSR）模式下，剪切应力缓慢增加，膏体在初始阶 段未发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性 关系，满足胡克定律（AB 段）；剪切应力增加到某 一值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特 征（BC 段）；剪切应力持续增加至超过某一特定值 时（C 点，通常将 C 点作为屈服点，认为膏体于此 点发生固−流转变行为），膏体发生流动，主要表现 出黏性性质（CD 段）. 在整个剪切过程中，通常认为在初始阶段膏 体中的大量颗粒形成了具有一定刚度的网状结 构，具备一定抵抗变形的能力；随着应力增加，网 状结构中部分节点达到其弹性极限，开始发生断 裂，膏体内部体系处于黏弹性过渡；直至网状结构 完全失效，此时应力达到最大值；随后，膏体发生 不可恢复且稳定的塑性流动，表现出黏塑性特征， 故在稳态流动时表现为黏塑性体. 膏体充填料浆屈服前表现出黏弹性固体的特 性，屈服后表现为黏塑性体的特性，膏体充填料浆 在全生命周期内表现出复杂的黏塑性体特征. 2.2    膏体的剪切稀化与剪切增稠 不同的膏体料浆在不同剪切环境中往往表 现出不同程度的剪切稀化和剪切增稠行为. 文 献 [25, 34−36] 发现，膏体在剪切作用下表现出剪 切稀化现象，同时剪切稀化的时变特性与剪切速 率存在明显的相关性. 文献 [24, 37] 进一步研究发 现，同一膏体可表现出剪切稀化或剪切增稠行为， 与所受的剪切作用相关. 剪切速率较低时，膏体表 现出剪切稀化行为；随着剪切速率继续增加，膏体 表观黏度趋于稳定，基本符合宾汉体特性；当剪切 速率超过某一阈值，膏体表现出剪切增稠行为. 文献 [37] 认为膏体的不同流变行为与其细观结 构的演变规律有关. 当膏体发生剪切稀化时，颗粒间 连接松散、无序；随着剪切速率增加，颗粒间的随机碰 撞逐渐在流动过程中变得有序，屈服应力与黏度逐渐 降低并趋于稳定；当剪切速率超过某一阈值时，强剪 切促使膏体内部颗粒碰撞、粘连、聚集频度增加，作 用力增强，表现出剪切增稠现象，如图 2 所示. 2.3    膏体的触变性 触变性是流体在剪切、振荡等机械力作用下 发生的一种可逆流变行为. 膏体的触变性表现为： 在给定的温度等外界条件下，当受到剪切作用时， 屈服应力及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后， 屈服应力及黏度随时间逐渐增大. 通常认为触变 行为反映了膏体细观结构的破坏与重建过程，即 一定的剪切作用导致结构破坏速率大于重建速 率，剪切应力及黏度降低，当剪切作用撤去，结构 的重建速率大于破坏速率，剪切应力及黏度逐渐 恢复[38−40] . 由于恢复需要一定的时间，故存在滞后 性，在试验中表现为应力滞后环，即触变环. 一些分析认为[23, 41] ，触变环面积可以作为判断 材料触变性强弱的依据. 但膏体试验研究表明，触 变环分析法存在明显的局限性，触变环仅能表征 剪切速率对触变性的影响，而不能有效反映时间 因子的作用. 如图 3 所示，剪切速率的峰值不同， 触变环的形态尤其是下行曲线差异显著，若采用 下行曲线对流变参数进行回归，触变后的塑性黏 度往往大于触变前塑性黏度，这与实际情况不符. 因此，触变环仅能作为材料触变性的定性判别依 据，而无法定量描述触变性的大小，亦不能据此获 得真实触变参数. 膏体的触变行为反映了内部结构对剪切作用 及剪切时间的响应，因此膏体触变性的准确评价 也需同时考虑以上两个因素. 文献 [24] 提出了一 种膏体触变性的表征方法，因发现剪切速率恒定 Paste 4 Paste 3 Paste 2 τy C D B Shear stress/Pa Time/s A Paste 1 图 1    典型的膏体剪切应力−时间曲线[33] Fig.1    A typical shear stress−time curve of paste · 806 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期