沈慧明，吳愛祥， 姜立春，王貽明， 焦華喆，劉曉輝(.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，00083；.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，50640)

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全尾砂膏體小型圓柱塌落度檢測

沈慧明1，吳愛祥1， 姜立春2，王貽明1， 焦華喆1，劉曉輝1
(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510640)

摘要：探索礦山尾砂充填領(lǐng)域塌落度實驗的小型化，研究直徑和高度均為7.5Cm小型圓柱塌落度法的準確性和適用范圍?；诟囿w流變學原理，對物料塌落進行力學分析，建立屈服應力與塌落度關(guān)系模型，然后利用流變檢測實驗對塌落度結(jié)果的精度進行驗證，確定圓柱法的適用范圍。研究結(jié)果表明：小型圓柱法檢測結(jié)果精度比標準錐桶法的精度高3.84%；泵送膏體標準塌落度15～20Cm對應小型塌落度1.5～2.3Cm，自流輸送料漿標準塌落度23～27Cm對應小型塌落度2.9～3.6Cm；該圓柱法的適用范圍為料漿的骨料最大粒徑不大于3 mm，塌落度不小于7.5 mm。小型圓柱法可作為細粒級膏體塌落度實驗的一種新方法。

關(guān)鍵詞：全尾砂膏體；小型圓柱；塌落度檢測；屈服應力

繼 2008 年山西新塔礦業(yè)尾礦庫潰壩、2010 年福建紫金礦業(yè)尾礦庫泄漏兩大事故發(fā)生之后[1]，全社會巨大的安全、環(huán)保壓力要求對尾礦的處理更加嚴格。因此，2012年國家安監(jiān)總局等五部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于進一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導意見》(安監(jiān)總管一〔2012〕32號)的通知，明文規(guī)定：“嚴格安全許可制度，新建金屬非金屬地下礦山必須對能否采用充填采礦法進行論證并優(yōu)先推行充填采礦法……”[2]。隨著該政策的出臺，各大新建礦山紛紛采用充填法開采，對于尾砂充填技術(shù)理論研究和設(shè)計應用成為了目前的研究熱點[3?4]。在設(shè)計研究過程中，膏體料漿的流動性能是充填系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，是管道輸送系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。一般認為屈服應力為100～250 Pa，塌落度為15～27Cm時，料漿表現(xiàn)為膏體的特性[5]。在所有流動性檢測方法中塌落度法操作最簡單，且具有較強的感觀效應，易為研究人員所接受，因此應用廣泛。標準塌落度法是在混凝土理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于檢測具有石子等粗粒度集料漿體的流動性，為避免檢測結(jié)果的尺寸效應，標準塌落度儀尺寸較大。而尾礦充填的骨料粒徑遠遠小于混凝土。根據(jù)吳愛祥等[6]的研究，金屬礦山充填工藝根據(jù)粒度分可分為粗粒級充填和細粒級充填。尤其對于細粒級充填，其骨料最大粒度一般不超過5mm。此時標準塌落度儀較大的尺寸就降低了其應用的方便性和可操作性。因此針對細粒級充填，研究人員均希望尋求一種更小型化的細顆粒漿體流動性能檢測方法和裝備。本文作者基于非牛頓流變力學理論，對塌落物料進行力學分析，建立屈服應力計算方法，提出高度為7.5Cm、 直徑為 7.5Cm的小直徑圓柱塌落度法，利用流變儀驗證檢測精度，規(guī)范圓柱法的應用范圍。

1基于塌落特性的屈服應力分析

把漿體物料充滿上下開口的錐型或柱型圓桶，當桶提起后物料因自重向下塌落，塌落后物料的最高點高度與初始高度之差稱為塌落度。塌落度法用以檢測漿體物料的和易性、流動性。當圓桶提起后，物料的運動狀態(tài)決定于內(nèi)力和外力2個方面：外力為物料的重力，內(nèi)力為物料自身的黏度。塌落漿體力學模型如圖1所示。在重力的作用下，物料向下和側(cè)向流動；漿體的屈服應力抵抗?jié){體向下流動，漿體的黏度抵抗?jié){體向側(cè)向流動[7]。

高質(zhì)量分數(shù)全尾砂漿表現(xiàn)為具有屈服應力的剪切稀化漿體，尾砂質(zhì)量分數(shù)的微小變化可造成屈服應力的顯著變化。塌落度受屈服應力和物料密度的雙重影響，決定于全尾砂的化學性質(zhì)、相對密度、粒度分布。如果塌落度能夠與屈服應力建立聯(lián)系，則該方法顯然是一種簡易的屈服應力檢測方法。

圖1　塌落漿體力學模型Fig.1　Mechanical model of slumping material

1.1圓錐型標準塌落度物料受力分析

對物料在塌落過程中的受力進行分析，錐型塌落度檢測原理示意圖如圖 2所示。當塌落度儀提起后，物料在剪切應力下發(fā)生變形流動，直到剪切應力低于屈服應力，料漿停止流動。在屈服區(qū)域上方，垂直方向應力低于屈服應力，因此該區(qū)物料保持未屈服狀態(tài)。在塌落過程中，假設(shè)屈服物料與未屈服物料之間的分界是一個水平面，且該水平面在物料塌落的過程中向下運動[8]。因此，最終塌落高度由未屈服高度(h0)和已屈服高度(h1)組成。

圖2錐型塌落度檢測原理示意圖Fig.2Schematic diagram ofCone slump test

1.1.1未屈服高度與屈服應力

由于自重產(chǎn)生的垂直方向應力是作用在物料上的唯一外力。因此，某一高度 z 處物料所受的力由其上部物料的重力產(chǎn)生，其計算方法如下：

式中：H為未變形物料的初始高度，m；ρ為物料密度，t/m3；g為重力加速度，m/s2；RH為塌落度儀底部半徑，m；R0為塌落度儀上部半徑，m；z為塌落范圍的某一高度，m；p為某一高度z處物料所受的壓力，Pa。

假設(shè)物料為彈性體，因此當壓力 p 以垂直方向作用于物料上時，會產(chǎn)生值為 p/2 的最大剪切應力[9]。結(jié)果通過量綱一化表征，從而使得不同高度和直徑的塌落度筒和不同屈服應力物料的檢測標準歸一化。

塌落過程中的未屈服高度受屈服應力的影響，因此式(2)可轉(zhuǎn)化成式(3)：

1.1.2已屈服高度

對于已屈服區(qū)域，物料形狀可以被分解為塌落前厚度 dz、半徑 rz；塌落后厚度 dz1、半徑 rz1，儀器提升前后漿體厚度對比如圖3所示[10]。

圖3　儀器提升前后漿體厚度對比Fig.3　Slurry layer thicknessComparison before and after liftingCone

對于不可壓縮流體，微元體積保持不變。因此，dz1與dz的關(guān)系如下：

只有當流動截面上部物料提供的應力低于屈服應力時，物料才停止流動。因此，應力和截面直徑的乘積與上部物料的重力相等：

高度 h1可以通過求對 dz1在屈服區(qū)域的積分進行計算：

將式(3)～(5)代入式(6)得：

1.1.3屈服應力與塌落度關(guān)系

塌落度(量綱一的量)表達式為

將式(7)代入式(8)，形成塌落度(量綱一的量)與屈服應力(量綱一的量)之間的關(guān)系表達式：

對于標準塌落度儀，塌落圓錐底部半徑 RH=10Cm，頂部半徑 R0=5Cm，因此式(9)中 α=1，式(7)和式(9)可簡化為

1.2圓筒型標準塌落度物料受力分析

對于圓柱型塌落物料的力學分析，見文獻[11]，結(jié)果認為：

由式(10)和式(11)可知：漿體的屈服應力可由塌落度和未屈服高度確定，如圖4所示。

圖4圓柱塌落度檢測原理示意圖[11]Fig.4Schematic diagram ofCylinder slump test

22種塌落度檢測對比實驗

基于前述 2種塌落度檢測方法和理論分析結(jié)果，對新疆某銅尾礦全尾砂膏體流動性能進行檢測，建立2 種塌落度之間的定量關(guān)系。利用槳式流變儀檢測結(jié)果作為基準值，驗證2種塌落度法的精度。

2.1實驗材料

某黃銅礦尾砂密度為 2.662 t/m3。松散密度為1.190 t/m3。其中：粒徑＜74 μm 顆粒質(zhì)量分數(shù)為64.32%，粒徑＜45 μm顆粒質(zhì)量分數(shù)為43.1%。d30=21.3 μm，d60=71.6 μm，Cu=18.36，Cc=1.62，粒度較細，如圖5所示。d30為過篩質(zhì)量占 30%的粒徑；d60為過篩質(zhì)量占60%的粒徑；Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)。

圖5　某銅礦全尾砂粒度分布曲線Fig.5　Particle distribution profile of aCopper mine tailings

2.2實驗方案

2.2.1漿體質(zhì)量分數(shù)

配制全尾砂漿質(zhì)量分數(shù)為71%～76%，漿體密度為1.796～1.880 t/m3。

2.2.2實驗裝置

實驗器具選用2種塌落度裝置和槳式流變儀進行檢測。具體如下：

1)標準錐型塌落度儀，高度為30Cm，上口直徑為10Cm，底部直徑為20Cm；

2)小型圓柱型塌落度儀，高度為7.5Cm，直徑為7.5Cm；

3)槳式流變儀(Brookfield R/S+)，轉(zhuǎn)子直徑為2Cm，轉(zhuǎn)子高度為4Cm。

2.2.3實驗方法

參照GB/T 50080—2002“普通混凝土拌合物性能試驗方法標準”[12]和JGJ/T 70—2009“建筑砂漿基本性能試驗方法標準”[13]中關(guān)于實驗材料制備和實驗執(zhí)行步驟的要求開展實驗。每組實驗制備3個樣品，檢測3次取平均值作為結(jié)果。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1實驗結(jié)果

將表1中數(shù)據(jù)代入式(10)進行分析，計算全尾砂漿體的屈服應力，并與流變儀檢測結(jié)果進行對比。相同的料漿在不同檢測條件下具有不同的塌落度，但其剩余高度基本相同，如小型檢測剩余高度為3Cm，標準檢測剩余高度為2.5Cm。

表1　塌落度檢測實驗結(jié)果Table1　Slump test results

3.2流變參數(shù)分析

圖6所示為3種屈服應力檢測結(jié)果對比。由圖 6可知：3 種檢測方法具有相同的趨勢，即隨著尾砂質(zhì)量分數(shù)的增加，漿體的屈服應力呈指數(shù)上升。其中當尾砂質(zhì)量分數(shù)由73%增加至75%時，漿體的屈服應力激增至200 Pa以上，會導致濃密機扭矩或管道輸送阻力迅速上升。

圖6　3種屈服應力檢測結(jié)果對比Fig.6　Compare of three different yield stress tests

小型塌落度法檢測精度高于標準塌落度法的檢測精度。與流變儀檢測結(jié)果相比，小型法相對誤差為3.03%～16.66%，平均相對誤差為9.82%；而標準法相對誤差為 7.25%～17.28%，平均相對誤差為13.66%，小型法相對誤差減小了3.84%。原因有以下2個方面：1)操作方面，塌落高度受底部接觸面含水率和上提速度的影響。標準法塌落面直徑一般為40～80Cm，而本文小型法直徑僅為10～15Cm，小型法受底部接觸面的影響顯然較小。同時由于標準法單次實驗物料較多，標準法單次實驗物料達到11～13 kg，而小型法僅為1kg，標準法需要更大的外力去控制塌落度儀的穩(wěn)定和上提，因此，上提速度不穩(wěn)定的問題在標準法中更加突出。2)儀器方面，設(shè)備的表面粗糙度對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在靜置過程中，表面粗糙度越大，物料密實度越差，實驗結(jié)果越不穩(wěn)定。且質(zhì)量分數(shù)越高，物料流動性越差，越不易密實；在上提過程中，表面粗糙度越大，對物料產(chǎn)生的上向應力越大，對物料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。且在多次檢測時，塌落度儀內(nèi)部清洗不徹底時，尾礦殘留使表面粗糙度迅速增加。標準塌落度儀材質(zhì)為鑄鐵或鋼材，易生銹，本文小型塌落度儀為PVC管，表面疏水且光滑，因此檢測穩(wěn)定性更好。

3.32種塌落度對應關(guān)系

3.3.1標準塌落度指標

我國高濃度/膏體充填工藝起源于七五期間的金川鎳礦[14]和凡口鉛鋅礦[15]，成熟于冬瓜山銅礦[16]、會澤鉛鋅礦[17]、煎茶嶺鎳礦[18]，經(jīng)歷了固體質(zhì)量分數(shù)逐步升高、充填倍線逐步增加、工藝逐步減化的演化過程[19]。在長期的工業(yè)實踐中，利用塌落度表征充填料漿流動性的方法得到了廣泛的肯定。隨著充填技術(shù)的逐步推廣，研究與應用的逐步深入，學界與工業(yè)界的認識逐步統(tǒng)一，認為泵送膏體塌落度應為15～20Cm[20?21]，自流輸送料漿塌落度一般為23～27Cm[22?23]。

3.3.2對應的小型塌落度范圍

由于全尾砂高質(zhì)量分數(shù)/膏體物料存在剪切變稀的特性，不同的尾砂質(zhì)量分數(shù)可能具有相同的屈服應力，因此，屈服應力比尾砂質(zhì)量分數(shù)更能夠反應物料的內(nèi)在物理特性。對表1中的實驗數(shù)據(jù)進行分析，建立漿體屈服應力與塌落度之間的關(guān)系曲線，并對結(jié)果進行擬合，結(jié)果如圖7所示。

圖7　塌落度?屈服應力曲線與擬合Fig.7　Slump?yield stressCurve and fitting

由圖7可知：屈服應力與塌落度的關(guān)系為線性負相關(guān)，擬合精度分別達到0.98和0.95以上。根據(jù)圖7和回歸分析結(jié)果，計算相同屈服應力下2種塌落度預測值，從而建立小型圓柱塌落度的指標范圍。

由圖7還可知：與標準塌落度檢測標準相對應，小型圓柱塌落度儀的檢測指標范圍應為：泵送1.448～ 2.331Cm，自流2.859～3.567Cm。在實際操作過程中，實驗精度可降低為毫米級，因此小型圓柱塌落度指標范圍確定為：泵送為1.5～2.3Cm；自流為2.9～3.6Cm。

4　小型塌落度儀使用范圍

為了避免塌落度實驗的尺寸效應，減小大顆粒對于塌落高度的影響，防止物料成堆現(xiàn)象的發(fā)生，標準塌落度規(guī)定：本方法適用于骨料最大粒徑不大于 40 mm、坍落度不小于10 mm的混凝土拌合物稠度測定(GB/T 50080—2002 “普通混凝土拌合物性能試驗方法標準”[12])。

由于標準塌落度儀在上開口處尺寸最小(直徑為10Cm)，可知儀器最小上開口處直徑為最大粒徑的2.5倍，儀器最小上開口處直徑為小塌落度的10倍?；谙嗨圃?，對于直徑、高度均為7.5Cm的圓柱型塌落度儀，其適用的骨料最大粒徑不大于3mm，塌落度不小于7.5 mm的全尾砂漿體物料。

5　結(jié)論

1)隨尾砂質(zhì)量分數(shù)的增加，屈服應力呈指數(shù)形勢上升。其中當尾砂質(zhì)量分數(shù)由73%增加至75%時，屈服應力自100 Pa以下激增至200 Pa以上。

2)小型塌落度法檢測結(jié)果精度比標準塌落度法的高 3.84%。與流變儀檢測結(jié)果相比，小型法相對誤差為3.03%～16.66%，平均相對誤差為9.82%；而標準法相對誤差為 7.25%～17.28%，平均相對誤差為13.66%。

3)泵送膏體標準塌落度應為15～20Cm，自流輸送料漿標準塌落度一般為23～27Cm。與之對應的小型塌落度指標為：泵送為1.5～2.3cm，自流為2.9～3.6Cm。

4)本研究中的小型塌落度儀，其適用的骨料最大粒徑不大于3 mm，塌落度不小于7.5 mm的全尾砂漿體物料。

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(編輯 羅金花)

SmallCylindrical slump test for unclassified tailings paste

SHEN Huiming1, WU Aixiang1,JIANG Lichun2,WANG Yiming1,JIAO Huazhe1,LIU Xiaohui1
(1.State Key Laboratory of Ministry of Education ofChina for High-efficient Ming and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China? 2.School ofCivil Engineering and Transportation,SouthChina University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:The slump test miniaturization of tailings backfill slurry was explored,focusing on the accuracy and applicability of a miniCylinder with 7.5Cm height and 7.5Cm diameter.Firstly,based on the paste rheological theory,a model which describing the relationship of yield stress and slump was set up for the slump process.Secondly,the slump test accuracy was verified with the rheometer test result.Consequently,the application scope of the mini slumpCylinder was determined.The results show the mini slump test has 3.84% higher accuracy than the standardCone test.The pump delivery paste requires a standard slump value of15?20Cm which is equivalent to1.5?2.3Cm of the mini slump test? meanwhile,the gravity delivery requires a standard slump value of 23?27Cm which is equivalent to 2.9?3.6Cm of the mini slump test.The mini slump test is valid for slurry with particle size smaller than3mm,and standard slump more than 7.5 mm.The mini slump test becomes an alternative for the slump estimation of fine particle paste slurry.

Key words:unclassified tailings paste material? small scaleCylinder? slump test? yield stress

中圖分類號：O373；TD926；TQ177.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0204?06

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.028

收稿日期：2014?12?20；修回日期：2015?02?20

基金項目(Foundation item)：國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAB08B02)；國家自然科學基金資助項目(51574013，51374034)(Project(2012BAB08B02)supported by the National Science and Technology Pillar Program during the12th “Five-year” Plan Period? Projects(51574013,51374034)supported by the National Natural Science Foundation ofChina)

通信作者：姜立春，博士，教授，從事金屬礦山地下開采與充填理論研究；E-mail: ginger@scut.edu.cn