全尾砂膏体充填临界质量分数

D0:10.13374h.issn1001-053x.2011.07.009 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 全尾砂膏体充填临界质量分数 翟永刚)四 吴爱祥” 王洪江） 陈琴瑞) 肖云涛》 寿震宇) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，马鞍山243004 ☒通信作者，E-mail:chaiyonggangl@126.com 摘要以全尾砂充填膏体为研究对象，利用四叶桨式旋转式流变仪测试质量分数为69%~81%的充填料浆的流变特征及 其参数，采用赫谢尔一布尔克莱模型回归得出料浆在剪切速率为0~120s条件下的流变模型.结果表明：质量分数为69%~ 81%的料浆流变模型为屈服伪塑性体，质量分数为81%的料浆为宾汉塑性体：流变性能指数n与料浆的质量分数呈线性关 系，随质量分数的增大而增大.膏体的临界质量分数为80.91%. 关键词充填采矿法：尾砂：料浆：流变学 分类号TD853.34 Threshold mass fraction of unclassified-tailings paste for backfill mining ZHAI Yong -gang,WU Ai-xiang,WANG Hongjiang",CHEN Qin-rui,XIAO Yun-tao,SHOU Zhen-yu 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.Ltd.,Manshan 243004,China Corresponding author,E-mail:zhaiyonggangl 126.com ABSTRACT The rheological characteristics and parameters of the filling slurries of 69%to 81%in mass fraction were tested with a four-bladed vane rotary rheometer taking unclassified-tailings filling paste as a research object.Based on the Herschel-Bulkley model, the rheological models were derived from regression at shear rates of 0 to 120s.It is shown that the rheological models exhibit yield- pseudoplastic for the filling slurries of 69%to 81%in mass fraction and Bingham plastic for the filling slurries of 81%in mass frac- tion.There is a good linear relationship between the flow behaviour index n and the mass fraction of filling slurries,and the flow behav- iour index n increases with the mass fraction of filling slurries increasing.Finally,the threshold mass fraction of the paste is 80.91%. KEY WORDS backfill mining:tailings:slurries:rheology 贿着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源开采强度 量分数浆体临界质量分数的有关报道较多，但对于 逐年加大，充填采矿法的应用日益广泛.根据浆体 高质量分数浆体或膏体的区分尚无可量化的界限， 质量分数的高低，充填分为低质量分数充填、高质量 只有定性的描述四.因此，本研究在实验的基础上 分数充填以及膏体充填三种，其中膏体充填近几年 运用流变学理论分析不同质量分数料浆的流变模型 发展迅速.在管道输送条件下，这三种充填方式之 及流变特征，提出并确定了膏体的临界质量分数，其 间必然存在临界质量分数.目前，国内外对低质量 结果对膏体管道输送水力坡度计算、管道设计优化 分数与高质量分数料浆的临界质量分数研究较多. 等具有现实意义 例如，刘同有提出了“临界流态浓度”的概念，对低 1全尾砂充填浆体流变模型与临界质量 质量分数和高质量分数料浆进行了区分0；陈广文 等根据浆体中细颗粒质量分数的变化提出了低质量 分数 分数和高质量分数浆体的判定依据回：Boger通过 1.1全尾砂充填浆体的流变模型及其特征 浆体在管道中由紊流到层流的转变说明了临界质量 大量研究证明，全尾砂充填浆体的流变特性复 分数的存在司.虽然国内外研究低质量分数和高质 杂，在层流状态下，它是一种典型的非牛顿体，一般 收稿日期：201005-14 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAB02A01)

第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 全尾砂膏体充填临界质量分数 翟永刚1)  吴爱祥1) 王洪江1) 陈琴瑞1) 肖云涛1) 寿震宇2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，马鞍山 243004  通信作者，E-mail: zhaiyonggang1@ 126． com 摘 要 以全尾砂充填膏体为研究对象，利用四叶桨式旋转式流变仪测试质量分数为 69% ～ 81% 的充填料浆的流变特征及 其参数，采用赫谢尔--布尔克莱模型回归得出料浆在剪切速率为 0 ～ 120 s － 1 条件下的流变模型． 结果表明: 质量分数为 69% ～ 81% 的料浆流变模型为屈服伪塑性体，质量分数为 81% 的料浆为宾汉塑性体; 流变性能指数 n 与料浆的质量分数呈线性关 系，随质量分数的增大而增大． 膏体的临界质量分数为 80. 91% ． 关键词 充填采矿法; 尾砂; 料浆; 流变学 分类号 TD853. 34 Threshold mass fraction of unclassified-tailings paste for backfill mining ZHAI Yong-gang1)  ，WU Ai-xiang1) ，WANG Hong-jiang1) ，CHEN Qin-rui 1) ，XIAO Yun-tao 1) ，SHOU Zhen-yu2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co． Ltd． ，Manshan 243004，China  Corresponding author，E-mail: zhaiyonggang1@ 126． com ABSTRACT The rheological characteristics and parameters of the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction were tested with a four-bladed vane rotary rheometer taking unclassified-tailings filling paste as a research object． Based on the Herschel-Bulkley model， the rheological models were derived from regression at shear rates of 0 to 120 s － 1 ． It is shown that the rheological models exhibit yield￾pseudoplastic for the filling slurries of 69% to 81% in mass fraction and Bingham plastic for the filling slurries of 81% in mass frac￾tion． There is a good linear relationship between the flow behaviour index n and the mass fraction of filling slurries，and the flow behav￾iour index n increases with the mass fraction of filling slurries increasing． Finally，the threshold mass fraction of the paste is 80. 91% ． KEY WORDS backfill mining; tailings; slurries; rheology 收稿日期: 2010--05--14 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目( No． 2006BAB02A01) 随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源开采强度 逐年加大，充填采矿法的应用日益广泛． 根据浆体 质量分数的高低，充填分为低质量分数充填、高质量 分数充填以及膏体充填三种，其中膏体充填近几年 发展迅速． 在管道输送条件下，这三种充填方式之 间必然存在临界质量分数． 目前，国内外对低质量 分数与高质量分数料浆的临界质量分数研究较多． 例如，刘同有提出了“临界流态浓度”的概念，对低 质量分数和高质量分数料浆进行了区分［1］; 陈广文 等根据浆体中细颗粒质量分数的变化提出了低质量 分数和高质量分数浆体的判定依据［2］; Boger 通过 浆体在管道中由紊流到层流的转变说明了临界质量 分数的存在［3］． 虽然国内外研究低质量分数和高质 量分数浆体临界质量分数的有关报道较多，但对于 高质量分数浆体或膏体的区分尚无可量化的界限， 只有定性的描述［4］． 因此，本研究在实验的基础上 运用流变学理论分析不同质量分数料浆的流变模型 及流变特征，提出并确定了膏体的临界质量分数，其 结果对膏体管道输送水力坡度计算、管道设计优化 等具有现实意义． 1 全尾砂充填浆体流变模型与临界质量 分数 1. 1 全尾砂充填浆体的流变模型及其特征 大量研究证明，全尾砂充填浆体的流变特性复 杂，在层流状态下，它是一种典型的非牛顿体，一般 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.009

·796· 北京科技大学学报 第33卷 为屈服伪塑性体，具有屈服应力.用于浆体的动 态流变模型有两参数的宾汉塑性体模型、卡森模型、 幂律体模型和三参数的赫谢尔一布尔克莱模型等。 鉴于三参数模型较两参数模型精度高以及适应范围 广回，现常采用赫谢尔一布尔克莱模型模型分析不 同剪切速率下料浆的流态性能指数，进而确定流变 模型 层流素流、 赫谢尔一布尔克莱模型通式如下： T=uy =To +Ky" (1) 剪切速索 式中：r为剪切应力，Pa;y为剪切速率，s:u为表 图1全尾砂充填料浆的流变模型曲线 观黏度，Pa·s;ro为屈服应力，Pa;K为刚度系数， Fig.I Rheological model curve of unclassified-tailings filling slurries Pas;n为流态性能指数，通常n<1 当To=0、n=1时，为牛顿流体模型；当T。=0、 n<1时，为幂律体模型；当ro>0、n<1时，为屈服伪 塑性体模型；当T。>0、n=1时为宾汉塑性体模型； 当T。>0、n>1时为膨张体模型. 式(1)变形得 u=To'y-+K.y"-1 (2) 料浆在管道输送过程中具有层流和紊流两种不 同的流动形式.当剪切速率小于某一剪切速率时， y 料浆处于层流状态，料浆的黏性主要以颗粒间及颗 剪切速率 粒与水之间的附着力为主，即由屈服应力决定.随 图2全尾砂充填料浆的剪切变稀曲线 着剪切速率的提高，料浆的黏度不断减小，当剪切速 Fig.2 Shear thinning curve of unclassified-ailings filling slurries 率大于该剪切速率时，料浆处于紊流状态，此时料浆 的交点所对应的剪切速率即是临界剪切速率.考虑 的三维网络结构已完全被破坏，黏性主要以固体颗 到膏体在管道中以层流状态输送，本文只对γy<y' 粒间及颗粒与水间的能量交换为主，屈服应力可以 条件下的流变模型进行分析. 忽略不计.该剪切速率即为层流与紊流的临界剪切 1.2全尾砂充填浆体流变模型与质量分数的关系 速率. 全尾砂充填浆体的流变模型与质量分数有直接 根据上述分析，令式(2)等号右边两项相等，计 的关系.当浆体质量分数较低时，其流变模型一般 算得出临界剪切速率为： 为牛顿体.随着质量分数的逐渐增大，当全尾砂料 (3) 浆质量分数高于“临界流态质量分数”时，料浆出现 了屈服应力.料浆在管道输送过程中受到的切应力 式中，y即为层流和紊流的临界剪切速率，s,如 随剪切速率的变化偏向于向剪切速率轴方向弯曲， 图1、图2所示. 呈现伪塑性，则料浆的流变模型为屈服伪塑性体. 结合图1和图2，式(2)表明，T。和K一定，表观 当质量分数接近饱和状态时，料浆受到的切应力随 黏度是剪切速率的函数.根据临界剪切速率，表观 剪切速率变化趋于直线，直到满足线性关系，即宾汉 黏度可利用渐近线AB和BC分成两部分) 塑性体，此时料浆的质量分数即音体的临界质量分 当剪切速率y<y时，料浆处于层流状态，此时 数.临界质量分数与浆体中所含有的黏性细颗粒大 料浆的流变模型为屈服伪塑性体，此时表观黏度主 小及含量有关.颗粒越细，流变模型的变化越复 要是由屈服应力产生，如图2所示中AB段，斜率为 杂圆.所以只要分析不同质量分数浆体的流变模 -1. 型，便可确定音体的临界质量分数 当剪切速率y>y时，料浆处于紊流状态，料浆 的结构遭到破坏，屈服应力趋于零，料浆的流变模型 2实验部分 为似牛顿体，此时表观黏度主要是由幂律体产生，如 2.1实验材料 图2所示中BC段，斜率为n-1.所以，AB与BC段 本实验以云南某铅锌矿膏体充填为背景，实验

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 为屈服伪塑性体，具有屈服应力［4--5］． 用于浆体的动 态流变模型有两参数的宾汉塑性体模型、卡森模型、 幂律体模型和三参数的赫谢尔--布尔克莱模型等． 鉴于三参数模型较两参数模型精度高以及适应范围 广［6］，现常采用赫谢尔--布尔克莱模型模型分析不 同剪切速率下料浆的流态性能指数，进而确定流变 模型． 赫谢尔--布尔克莱模型通式如下: τ = μγ = τ0 + Kγn ( 1) 式中: τ 为剪切应力，Pa; γ 为剪切速率，s － 1 ; μ 为表 观黏度，Pa·s; τ0 为屈服应力，Pa; K 为刚度系数， Pa·s; n 为流态性能指数，通常 n ＜ 1． 当 τ0 = 0、n = 1 时，为牛顿流体模型; 当 τ0 = 0、 n ＜ 1时，为幂律体模型; 当 τ0 ＞ 0、n ＜ 1 时，为屈服伪 塑性体模型; 当 τ0 ＞ 0、n = 1 时为宾汉塑性体模型; 当 τ0 ＞ 0、n ＞ 1 时为膨胀体模型． 式( 1) 变形得 μ = τ0 ·γ － 1 + K·γn － 1 ( 2) 料浆在管道输送过程中具有层流和紊流两种不 同的流动形式． 当剪切速率小于某一剪切速率时， 料浆处于层流状态，料浆的黏性主要以颗粒间及颗 粒与水之间的附着力为主，即由屈服应力决定． 随 着剪切速率的提高，料浆的黏度不断减小，当剪切速 率大于该剪切速率时，料浆处于紊流状态，此时料浆 的三维网络结构已完全被破坏，黏性主要以固体颗 粒间及颗粒与水间的能量交换为主，屈服应力可以 忽略不计． 该剪切速率即为层流与紊流的临界剪切 速率． 根据上述分析，令式( 2) 等号右边两项相等，计 算得出临界剪切速率为: γ' = ( τ0 ) K 1 n ( 3) 式中，γ'即为层流和紊流的临界剪切速率，s － 1 ，如 图 1、图 2 所示． 结合图1 和图2，式( 2) 表明，τ0 和 K 一定，表观 黏度是剪切速率的函数． 根据临界剪切速率，表观 黏度可利用渐近线 AB 和 BC 分成两部分［7］． 当剪切速率 γ ＜ γ'时，料浆处于层流状态，此时 料浆的流变模型为屈服伪塑性体，此时表观黏度主 要是由屈服应力产生，如图 2 所示中 AB 段，斜率为 － 1． 当剪切速率 γ ＞ γ'时，料浆处于紊流状态，料浆 的结构遭到破坏，屈服应力趋于零，料浆的流变模型 为似牛顿体，此时表观黏度主要是由幂律体产生，如 图 2 所示中 BC 段，斜率为 n － 1． 所以，AB 与 BC 段 图 1 全尾砂充填料浆的流变模型曲线 Fig． 1 Rheological model curve of unclassified-tailings filling slurries 图 2 全尾砂充填料浆的剪切变稀曲线 Fig． 2 Shear thinning curve of unclassified-tailings filling slurries 的交点所对应的剪切速率即是临界剪切速率． 考虑 到膏体在管道中以层流状态输送，本文只对 γ ＜ γ' 条件下的流变模型进行分析． 1. 2 全尾砂充填浆体流变模型与质量分数的关系 全尾砂充填浆体的流变模型与质量分数有直接 的关系． 当浆体质量分数较低时，其流变模型一般 为牛顿体． 随着质量分数的逐渐增大，当全尾砂料 浆质量分数高于“临界流态质量分数”时，料浆出现 了屈服应力． 料浆在管道输送过程中受到的切应力 随剪切速率的变化偏向于向剪切速率轴方向弯曲， 呈现伪塑性，则料浆的流变模型为屈服伪塑性体． 当质量分数接近饱和状态时，料浆受到的切应力随 剪切速率变化趋于直线，直到满足线性关系，即宾汉 塑性体，此时料浆的质量分数即膏体的临界质量分 数． 临界质量分数与浆体中所含有的黏性细颗粒大 小及含量有关． 颗粒越细，流变模型的变化越复 杂［8］． 所以只要分析不同质量分数浆体的流变模 型，便可确定膏体的临界质量分数． 2 实验部分 2. 1 实验材料 本实验以云南某铅锌矿膏体充填为背景，实验 ·796·

第7期 翟永刚等：全尾砂膏体充填临界质量分数 ·797· 音体按照现行工业配比，即全尾砂：水泥：水淬渣为 3 7:1:1配比配料.全尾砂和水淬渣粒级组成分别采 结果与分析 用激光粒度仪和人工筛分获得，成分分别如图3所 3.1流变特性分析 示.水泥为普通32.5R硅酸盐水泥 从13组实验音体中分别选择69%、70%、71% 的低质量分数和79%、80%、81%高质量分数两组 100H ●w 料浆.整理流变数据绘制其流变曲线及黏度一剪切 80 速率关系曲线，如图4~图7所示 60 60 ■69% 。70% B 40 50 ▲71% ◆◆◆ ·一全尾砂粒级分布曲线图 40 20 ·水淬渣粒级分布曲线图 10 102 分 0 粒径am 200" 图3充填物料粒级组成曲线 Fig.3 Grain size curve of filling materials 10 20 406080100120 全尾砂的平均粒径为75.59um,中值粒径为 剪切速率s 34.95um,全尾砂比表面积为0.5m2·cm-2,≤20μm 图4低质量分数组的流变图 的颗粒累计质量分数占37.20%，按照公认音体充 Fig.4 Rheological graph of the low mass fraction group 填料中-20m颗粒质量分数为15%~20%的要 20 求，-20μm颗粒含量偏高.通过计算，其中全尾砂 ■69% 的不均匀系数为20.668，曲率系数为0.588，按照工 16 ·70% ▲71% 程经验，全尾砂级配不良，加入一定量的粗骨料水淬 渣一定程度上弥补了这方面的不足 12.0 2.2实验装置 本实验测量仪器为R/S+SST软固体测试仪. 该仪器适用于对悬浮体和刚性膏体的测量.由于其 测量的准确性，近几年来在国外使用较流行，与传统 A 的毛细管黏度计相比，十字形转子对样品结构的破 10P 10 10 坏最小，并可以在低转速下测量流体的屈服应力：与 剪切速率/s~1 传统的圆筒流变仪相比，十字形转子最大程度地克 图5低质量分数组黏度一剪切速率关系图 服了圆柱面的滑移效应，从而大大提高了测量的精 Fig.5 Viscosity-shear rate graph of the low mass fraction group 确性D-0 图4和图5是低质量分数料浆流变特征曲线， 2.3实验方法 选择质量分数为70%的料浆为例进行说明.该曲线 目前，该矿山工业应用的膏体料浆质量分数为 可分为三段：(1)剪切速率为0~20s范围内，即 78%~80%.这里取质量分数为69%~81%从小到 OA段.随着剪切速率由零开始增大，膏体的三维絮 大顺序依次配浆，并置于500mL的烧杯中进行流变 网结构遭到破坏，表观黏度迅速减小.质量分数越 测试，共计13组.为了降低误差，多次配浆取平均 高，这种现象越明显，此时表观黏度减小，料浆表现 值.实验膏体采用控制剪切速率方法剪切测试，流 出明显的伪塑性.(2)剪切速率在20~80s范围 变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值，具 内，即AB段.膏体性能稳定，表观黏度净减值减小 体参数设置采用CSR(controlled shear rate)模式，剪 剪切应力与剪切速率呈近似线性规律.(3)剪切速 切速率范围0~120s-1,时间120s. 率继续增大，即BC段.这一阶段，表观黏度逐渐趋

第 7 期 翟永刚等: 全尾砂膏体充填临界质量分数 膏体按照现行工业配比，即全尾砂∶ 水泥∶ 水淬渣为 7∶ 1∶ 1配比配料． 全尾砂和水淬渣粒级组成分别采 用激光粒度仪和人工筛分获得，成分分别如图 3 所 示． 水泥为普通 32. 5R 硅酸盐水泥． 图 3 充填物料粒级组成曲线 Fig． 3 Grain size curve of filling materials 全尾砂的平均粒径为 75. 59 μm，中值粒径为 34. 95 μm，全尾砂比表面积为 0. 5 m2 ·cm － 2 ，≤20 μm 的颗粒累计质量分数占 37. 20% ，按照公认膏体充 填料中 － 20 μm 颗粒质量分数为 15% ～ 20% 的要 求，－ 20 μm 颗粒含量偏高． 通过计算，其中全尾砂 的不均匀系数为 20. 668，曲率系数为 0. 588，按照工 程经验，全尾砂级配不良，加入一定量的粗骨料水淬 渣一定程度上弥补了这方面的不足． 2. 2 实验装置 本实验测量仪器为 R/S + SST 软固体测试仪． 该仪器适用于对悬浮体和刚性膏体的测量． 由于其 测量的准确性，近几年来在国外使用较流行，与传统 的毛细管黏度计相比，十字形转子对样品结构的破 坏最小，并可以在低转速下测量流体的屈服应力; 与 传统的圆筒流变仪相比，十字形转子最大程度地克 服了圆柱面的滑移效应，从而大大提高了测量的精 确性［9--10］． 2. 3 实验方法 目前，该矿山工业应用的膏体料浆质量分数为 78% ～ 80% ． 这里取质量分数为 69% ～ 81% 从小到 大顺序依次配浆，并置于 500 mL 的烧杯中进行流变 测试，共计 13 组． 为了降低误差，多次配浆取平均 值． 实验膏体采用控制剪切速率方法剪切测试，流 变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值，具 体参数设置采用 CSR( controlled shear rate) 模式，剪 切速率范围 0 ～ 120 s － 1 ，时间 120 s． 3 结果与分析 3. 1 流变特性分析 从 13 组实验膏体中分别选择 69% 、70% 、71% 的低质量分数和 79% 、80% 、81% 高质量分数两组 料浆． 整理流变数据绘制其流变曲线及黏度--剪切 速率关系曲线，如图 4 ～ 图 7 所示． 图 4 低质量分数组的流变图 Fig． 4 Rheological graph of the low mass fraction group 图 5 低质量分数组黏度--剪切速率关系图 Fig． 5 Viscosity-shear rate graph of the low mass fraction group 图 4 和图 5 是低质量分数料浆流变特征曲线， 选择质量分数为 70% 的料浆为例进行说明． 该曲线 可分为三段: ( 1) 剪切速率为 0 ～ 20 s － 1 范围内，即 OA 段． 随着剪切速率由零开始增大，膏体的三维絮 网结构遭到破坏，表观黏度迅速减小． 质量分数越 高，这种现象越明显，此时表观黏度减小，料浆表现 出明显的伪塑性． ( 2) 剪切速率在 20 ～ 80 s － 1 范围 内，即 AB 段． 膏体性能稳定，表观黏度净减值减小． 剪切应力与剪切速率呈近似线性规律． ( 3) 剪切速 率继续增大，即 BC 段． 这一阶段，表观黏度逐渐趋 ·797·

·798· 北京科技大学学报 第33卷 340 流变模型分为两个过程，随剪切速率不断增大经短 300 暂剪切后表现为似宾汉体或宾汉体特征.综上所 260 述，料浆的流变过程是多个流变模型复合的结果 220 3.2流变模型回归 R180 利用式(1)，对实验结果进行非线性回归，结果 140 如表1所示. 100 表1不同质量分数料浆流变模型回归表 ■79% 60 ·80% Table 1 Rheological models of slurries with different mass fractions 20 ▲81% 质量分数/% To 20 406080100 120 69 2.315 0.143 0.968 9.961 剪切速率s 70 5.578 0.572 0.990 2.495 图6高质量分数组的流变图 71 16.354 0.370 0.984 4.339 Fig.6 Rheological graph of the high mass fraction group 72 2.641 0.466 0.991 4.643 40 73 2.672 0.460 0.975 7.312 35 ■79% 仪 1.684 0.484 0.987 5.750 ·80% 30 ▲81% 75 5.003 0.598 0.998 3.564 76 7.794 0.627 0.987 4.026 25 > 11.670 0.645 0.997 4.727 20 78 15.101 0.821 0.993 1.972 15 79 13.685 0.847 0.998 4.703 10 80 52.994 0.895 0.999 1.516 81 70.211 1.211 0.999 0.847 101 0 注：为决定性系数 剪切速率/s1 从表1得知，质量分数为69%~80%的音体料 图7高质量分数组黏度一剪切速率图 浆流变性能指数n<1,质量分数为81%的膏体料浆 Fig.7 Viscosity-shear rate graph of the high mass fraction group 所对应的n=1.211>1,表明膏体具有“剪切稠化” 于一个动态平衡值，料浆表现为牛顿体的特征，一般 的特征，与实验结果矛盾.这是由于随着剪切速率 被称为牛顿区.这主要是因为剪切速率较高，膏体 的增大，表观黏度迅速减小，当减小到某一动态平衡 内部微细颗粒不断分散、碰撞、聚集、再分散所造 黏度后，表观黏度局部小幅增大而引起的，所以视为 成的 n=1.因此，根据流变模型，质量分数为69%~80% 图6和图7是高质量分数料浆的流变模型特征 的膏体料为屈服伪塑性体，质量分数为81%的膏体 曲线.以质量分数为80%的料浆为例进行说明.该 为宾汉塑性体 曲线可以分为两个阶段：(1)y≤7.016s1,即OA 3.3临界质量分数 段.剪切速率迅速增大，料浆的三维结构在较低质 图8为膏体料浆的流变性能指数n随质量分数 量分数时破坏严重，其表观黏度值减小速度较低质 的变化分布情况.从图中看出，随着质量分数的不 量分数组料浆幅度大.(2)y≥7.016s,即AB段. 断增加，在实验范围内，流变性能指数与质量分数呈 随着剪切速率的不断增大，剪切应力呈现出单调递 线性关系.对图8散点进行线性拟合，回归方程为 增的规律，膏体的流变形态趋于稳定，并表现出线性 (相关性系数R=0.91): 的特点.此时，剪切应力和剪切速率曲线逐渐趋于 n=-4.117+6.324X (4) 稳定 式中，X为料浆质量分数.当n=1时，X=80.91% 以上证明，全尾料浆具有“剪切稀化”特征，即 音体的临界质量分数为80.91%. n≤1.在实验范围内，低质量分数组料浆流变曲线 4结论 分为三个过程，随剪切速率不断增大，表现为屈服伪 塑性体、宾汉体和牛顿体特征.高质量分数组料浆 (1)在层流状态下，质量分数为81%的浆体属

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 6 高质量分数组的流变图 Fig． 6 Rheological graph of the high mass fraction group 图 7 高质量分数组黏度--剪切速率图 Fig． 7 Viscosity-shear rate graph of the high mass fraction group 于一个动态平衡值，料浆表现为牛顿体的特征，一般 被称为牛顿区． 这主要是因为剪切速率较高，膏体 内部微细颗粒不断分散、碰撞、聚集、再分散所造 成的． 图 6 和图 7 是高质量分数料浆的流变模型特征 曲线． 以质量分数为 80% 的料浆为例进行说明． 该 曲线可以分为两个阶段: ( 1) γ≤7. 016 s － 1 ，即 OA 段． 剪切速率迅速增大，料浆的三维结构在较低质 量分数时破坏严重，其表观黏度值减小速度较低质 量分数组料浆幅度大． ( 2) γ≥7. 016 s － 1 ，即 AB 段． 随着剪切速率的不断增大，剪切应力呈现出单调递 增的规律，膏体的流变形态趋于稳定，并表现出线性 的特点． 此时，剪切应力和剪切速率曲线逐渐趋于 稳定． 以上证明，全尾料浆具有“剪切稀化”特征，即 n≤1． 在实验范围内，低质量分数组料浆流变曲线 分为三个过程，随剪切速率不断增大，表现为屈服伪 塑性体、宾汉体和牛顿体特征． 高质量分数组料浆 流变模型分为两个过程，随剪切速率不断增大经短 暂剪切后表现为似宾汉体或宾汉体特征． 综上所 述，料浆的流变过程是多个流变模型复合的结果． 3. 2 流变模型回归 利用式( 1) ，对实验结果进行非线性回归，结果 如表 1 所示． 表 1 不同质量分数料浆流变模型回归表 Table 1 Rheological models of slurries with different mass fractions 质量分数/% τ0 n R2 K 69 2. 315 0. 143 0. 968 9. 961 70 5. 578 0. 572 0. 990 2. 495 71 16. 354 0. 370 0. 984 4. 339 72 2. 641 0. 466 0. 991 4. 643 73 2. 672 0. 460 0. 975 7. 312 74 1. 684 0. 484 0. 987 5. 750 75 5. 003 0. 598 0. 998 3. 564 76 7. 794 0. 627 0. 987 4. 026 77 11. 670 0. 645 0. 997 4. 727 78 15. 101 0. 821 0. 993 1. 972 79 13. 685 0. 847 0. 998 4. 703 80 52. 994 0. 895 0. 999 1. 516 81 70. 211 1. 211 0. 999 0. 847 注: R2 为决定性系数． 从表 1 得知，质量分数为 69% ～ 80% 的膏体料 浆流变性能指数 n ＜ 1，质量分数为 81% 的膏体料浆 所对应的 n = 1. 211 ＞ 1，表明膏体具有“剪切稠化” 的特征，与实验结果矛盾． 这是由于随着剪切速率 的增大，表观黏度迅速减小，当减小到某一动态平衡 黏度后，表观黏度局部小幅增大而引起的，所以视为 n = 1． 因此，根据流变模型，质量分数为 69% ～ 80% 的膏体料为屈服伪塑性体，质量分数为 81% 的膏体 为宾汉塑性体． 3. 3 临界质量分数 图 8 为膏体料浆的流变性能指数 n 随质量分数 的变化分布情况． 从图中看出，随着质量分数的不 断增加，在实验范围内，流变性能指数与质量分数呈 线性关系． 对图 8 散点进行线性拟合，回归方程为 ( 相关性系数 R = 0. 91) : n = － 4. 117 + 6. 324X ( 4) 式中，X 为料浆质量分数． 当 n = 1 时，X = 80. 91% ． 膏体的临界质量分数为 80. 91% ． 4 结论 ( 1) 在层流状态下，质量分数为 81% 的浆体属 ·798·

第7期 翟永刚等：全尾砂膏体充填临界质量分数 ·799· (刘同有.充填采矿技术与应用.北京：治金工业出版社， 1.2 2001) 一n值拟合线 1.0 [Chen G W,Gu D S,Gao Q.The concentration of high concentra- tion slurry transport properties of laminar flow criterion.Chin Nonferrous Met,1995,5(4):35 0.6 (陈广文，古德生，高泉.高浓度浆体的浓度判据及其层流输 ■ ■■ 送特性.中国有色金属学报，1995,5(4)：35) 0.4 B]Boger D.Rheology and minerals industry.Miner Process Extr Met- 0.2 all Rev,1999,20(1):21 4]Yu R C.Mining Engineers Handbook.Beijing:Metallurgical In- 68 70727476788082 dustry Press,2009 质量分数% (于淘仓.采矿工程师手册.北京：治金工业出版社，2009) 图8m值曲线 [5] Hallbom DJ,Norwood W J.Fuzzy rheology and smooth running Fig.8 Curve of n values paste systems/Proceedings of the Tenth International Seminar on 于宾汉塑性体.质量分数为69%~80%的料浆属于 Paste and Thickened Tailings.Perth,2007:199 [6] Nehdi M,Rahman M A.Estimating rheological properties of ce- 屈服伪塑性体. ment pastes using various rheological models for different test ge- (2)全尾料浆具有“剪切稀化”特征，料浆的流 ometry,gap and surface friction.Cem Concr Res,2004,34(11): 变过程是多个流变模型复合的结果 1993 (3)在剪切速率为0~120s条件下，低质量分 7] Slatter P T.Transition velocity estimation for flow in large pipes / 数组料浆流变模型随剪切速率不断增大，表现为屈 Proceedings of the Tenth International Seminar on Paste and Thick- ened Tailings.Perth,2007:143 服伪塑性、宾汉体和牛顿体特征.高质量分数组料 8] Gan Y,George V F.Progress in the effect of the interaction be- 浆流变模型随剪切速率不断增大经短暂剪切后表现 tween particles on the particle rheological properties.Chin Sci 为似宾汉体或宾汉体特征. Bll,2009,54(1):1 (4)流变性能指数与质量分数呈线性关系，音 (甘阳，Franks G V.颗粒间作用力影响颗粒体系流变性能的 体的临界质量分数为80.91%. 研究进展.科学通报，2009,54(1)：1) [9]Nguyen Q D,Akroyd T,De Kee D C,et al.Yield stress measure- ments in suspensions:an inter-aboratory study.Korea Aust Rheol 参考文献 J,2006,18(1):15 1]Liu T Y.Technology and Application of Filling Mining.Beijing: [10]Bames H A,Nguyen Q D.Rotating vane rheometry:a review.J Metallurgical Industry Press,2001 non Newton Fluid Mech,2001,98(1):1

第 7 期 翟永刚等: 全尾砂膏体充填临界质量分数 图 8 n 值曲线 Fig． 8 Curve of n values 于宾汉塑性体． 质量分数为 69% ～ 80% 的料浆属于 屈服伪塑性体． ( 2) 全尾料浆具有“剪切稀化”特征，料浆的流 变过程是多个流变模型复合的结果． ( 3) 在剪切速率为 0 ～ 120 s － 1 条件下，低质量分 数组料浆流变模型随剪切速率不断增大，表现为屈 服伪塑性、宾汉体和牛顿体特征． 高质量分数组料 浆流变模型随剪切速率不断增大经短暂剪切后表现 为似宾汉体或宾汉体特征． ( 4) 流变性能指数与质量分数呈线性关系，膏 体的临界质量分数为 80. 91% ． 参 考 文 献 ［1］ Liu T Y． Technology and Application of Filling Mining． Beijing: Metallurgical Industry Press，2001 ( 刘同有． 充填采矿技术与应用． 北 京: 冶金工业出版社， 2001) ［2］ Chen G W，Gu D S，Gao Q． The concentration of high concentra￾tion slurry transport properties of laminar flow criterion． Chin J Nonferrous Met，1995，5( 4) : 35 ( 陈广文，古德生，高泉． 高浓度浆体的浓度判据及其层流输 送特性． 中国有色金属学报，1995，5( 4) : 35) ［3］ Boger D． Rheology and minerals industry． Miner Process Extr Met￾all Rev，1999，20( 1) : 21 ［4］ Yu R C． Mining Engineers Handbook． Beijing: Metallurgical In￾dustry Press，2009 ( 于润仓． 采矿工程师手册． 北京: 冶金工业出版社，2009) ［5］ Hallbom D J，Norwood W J． Fuzzy rheology and smooth running paste systems / / Proceedings of the Tenth International Seminar on Paste and Thickened Tailings． Perth，2007: 199 ［6］ Nehdi M，Rahman M A． Estimating rheological properties of ce￾ment pastes using various rheological models for different test ge￾ometry，gap and surface friction． Cem Concr Res，2004，34( 11) : 1993 ［7］ Slatter P T． Transition velocity estimation for flow in large pipes / / Proceedings of the Tenth International Seminar on Paste and Thick￾ened Tailings． Perth，2007: 143 ［8］ Gan Y，George V F． Progress in the effect of the interaction be￾tween particles on the particle rheological properties． Chin Sci Bull，2009，54( 1) : 1 ( 甘阳，Franks G V． 颗粒间作用力影响颗粒体系流变性能的 研究进展． 科学通报，2009，54( 1) : 1) ［9］ Nguyen Q D，Akroyd T，De Kee D C，et al． Yield stress measure￾ments in suspensions: an inter-laboratory study． Korea Aust Rheol J，2006，18( 1) : 15 ［10］ Barnes H A，Nguyen Q D． Rotating vane rheometry: a review． J non Newton Fluid Mech，2001，98( 1) : 1 ·799·