寇云鹏，齐兆军，盛宇航，杜加法，荆晓东，宋泽普，杨纪光

(1.山东黄金矿业股份有限公司，济南 250100；2.山东黄金集团充填工程实验室，山东 莱州 261441)

流变特性作为尾砂胶结料浆的基本参数，直接决定着矿山充填的成分配比、管道输送设计[1-3]，也间接影响着充填后充填体的工程性能。料浆中的胶结料(水泥)遇水后会发生一系列化学反应，导致料浆的组分与比例、化学成分等都发生变化，必然会引起料浆流变参数的变化。因此，料浆流变参数将处于不断演化的状态(即流变参数具有时变性)。近年来，针对料浆流变参数，各研究者开展了大量的研究工作，取得了许多有益的成果。刘超[4]等以细粒级全尾砂为研究对象，借助Brookfield R/S+型流变仪分析了不同浓度下的料浆流变特性，得出了一定剪切速率范围内的流变模型。翟永刚等[5]研究了质量浓度、灰砂比和淬尾比三因素对流变参数的影响规律。刘桂华等[6]研究了不同表面活性剂对尾矿浆体流变特性的影响。张钦礼等[7]探讨了絮凝剂添加前后对似膏体流变参数的影响。然而在实际生产中，料浆在管道输送过程中始终受到剪切作用处于运动状态，以往料浆流变参数的研究往往在静止状态下进行。因此，本文利用搅拌作用来模拟料浆的受剪运动状态，借助美国Brookfield流变仪对不同质量浓度和不同灰砂比的料浆流变参数进行测试，得到了运动状态下料浆流变参数的时变性，研究成果可为充填管路输送系统的设计提供一定的依据。

1 试验

1.1 试验材料

1)尾砂

试验所用物料为某金矿浮选全尾砂。经测定，全尾砂平均密度为2.65 t/m3，堆密度为1.39 t/m3，孔隙率为47.54%。采用Mastersizer 3000激光粒度仪对全尾砂粒级组成进行分析，结果如图1所示。全尾砂平均粒径为82.80μm，中值粒径为36.60μm，全尾砂中粒径<74μm的含量为61.33%，粒径<37μm的含量为51.15%。全尾砂的不均匀系数为19.13，曲率系数为0.30，属于细粒级尾砂。通过XRD分析，全尾砂主要矿物成分为石英、长石、云母和蒙脱石。

2)胶凝材料与拌合水

试验选用P.O.42.5号普通硅酸盐水泥作胶凝材料，拌合水为自来水。

1.2 试样制备

为模拟料浆运动，料浆持续性搅拌采用NJ-160型水泥净浆搅拌机完成。根据试验设计的料浆质量浓度和灰砂比，定量称取所需的全尾砂、水泥和水，放入搅拌机容器中搅拌，搅拌时间分别设定为5 min、15 min、30 min和60 min。每测量一次需重新配置料浆。

1.3 测试方法

采用美国Brookfeild RST-SST型流变仪测量料浆流变参数，转子采用四叶桨式，转子直径为20 mm，高度为40 mm，如图2所示。为消除壁面滑移效应对测量结果的影响，试验所用烧杯尺寸和转子插入料浆的深度参照文献[8]提供的方法。试验所用烧杯容积为500 mL。

图2 流变仪测试图与流变参数测试程序Fig.2 Brookfield rheometer and the test program of rheological parameters

准确描述料浆流变特性是十分困难的。但在层流状态下，料浆属于典型的非牛顿流体，可近似采用宾汉姆模型进行描述。考虑实际生产中料浆制备和管路输送情况，本次试验采用控制剪切速率模式(CSR)进行流变参数测试，程序如图2所示。T1阶段为剪切速率增大阶段，时间2 min；T2阶段为剪切速率恒定阶段，时间1 min；T3阶段为剪切速率减小阶段，时间2 min。其中，前3 min为施加的预剪切，对T3下降段测量数据采用宾汉姆模型进行拟合分析得出流变方程，如式(1)所示，从而得到料浆流变参数：屈服应力(τ0)和黏性系数(η)。

(1)

2 结果与讨论

2.1 不同质量浓度下搅拌时间对料浆流变参数的影响

灰砂比1∶5，质量浓度为72%、74%与76%时，料浆流变曲线测试结果如图3所示。

图3 不同质量浓度下料浆流变曲线变化Fig.3 Changes of rheological curves of slurry under different mass concentrations

由图3可以看出，在不同质量浓度下，料浆剪切应力随剪切速率的增加而逐渐增大，剪切应力和剪切速率之间呈线性关系，具有较好的相关性，属于宾汉姆流体模型，通过拟合可得到相应流变方程以及屈服应力与黏性系数。当料浆质量浓度为72%时(图3a)，搅拌时间从5 min增加至60 min的过程中，料浆流变曲线呈现“向上移动”，搅拌时间越长，料浆流变曲线与搅拌5 min时料浆流变曲线距离越远，其在纵坐标上的截距随之增大，料浆屈服应力增大，表明料浆的屈服应力随搅拌时间的增加而增大。另一方面，料浆流变曲线的斜率也随搅拌时间的增加而增大，表明料浆的黏度系数同样随搅拌时间的增加而增大。料浆质量浓度为74%和76%时也表现出同样规律。从而可以得出：不同质量浓度下，料浆的屈服应力和黏性系数均随搅拌时间的增加而增大。

由图3可得出不同质量浓度下搅拌时间与料浆流变参数之间的关系，如图4所示。随着搅拌时间的增加，不同质量浓度的料浆其屈服应力和黏性系数均表现出增加趋势。质量浓度为72%的料浆，料浆搅拌时间为60 min时屈服应力比搅拌5 min的增大了3.63 Pa；质量浓度为74%和76%的料浆，则分别增大了4.08 Pa和9.10 Pa。搅拌时间对料浆黏性系数也存在同样的影响，料浆质量浓度为72%时，搅拌时间60 min时料浆的黏性系数比搅拌5 min的增大了10.28%；质量浓度为74%和76%的料浆，相应增大了11.34%和14.33%。所以料浆质量浓度越大，搅拌时间的增加对料浆流变参数影响越明显。当料浆搅拌5 min时，质量浓度72%、74%与76%的料浆，其屈服应力分别为33.14 Pa、51.02 Pa和83.60 Pa，黏性系数分别为0.236 Pa·s、0.324 Pa·s和0.526 Pa·s；而在搅拌时间为60 min时，质量浓度72%、74%与76%的料浆，其屈服应力分别为36.77 Pa、55.10 Pa和92.70 Pa，黏性系数分别为0.260 Pa·s、0.360 Pa·s和0.602 Pa·s，显然，在相同的搅拌时间下，料浆的流变参数也随质量浓度的增加而增大。

2.2 不同灰砂比下搅拌时间对料浆流变参数的影响

质量浓度74%，灰砂比为1∶10和1∶15时，料浆流变曲线测试结果如图5所示。

由图5和图3(b)可以看出，在不同灰砂比下，料浆剪切应力同样随剪切速率的增加而逐渐增大，剪切应力和剪切速率之间呈线性关系，仍属于宾汉姆流体模型，通过拟合可得到相应流变方程以及屈服应力与黏性系数。3种不同灰砂比的料浆其流变参数表现出一致的规律性，即当搅拌时间从5 min增加到60 min时，料浆流变曲线也呈现“向上移动”且流变曲线斜率增大，说明在不同灰砂比下料浆的屈服应力和黏性系数也随搅拌时间的增加而增大。

(a)搅拌时间对料浆屈服应力的影响 (b)搅拌时间对料浆黏性系数的影响图4 不同质量浓度下搅拌时间对料浆流变参数的影响Fig.4 Impact of stirring time on rheological parameters under different mass concentrations

图5 不同灰砂比下料浆流变曲线变化Fig.5 Changes of rheological curves of slurry under different cement-sand ratios

同理根据图5和图3(b)可得不同灰砂比下搅拌时间与料浆流变参数之间的关系，如图6所示。随着搅拌时间的延长，灰砂比为1∶5料浆，搅拌时间60 min时其屈服应力比搅拌5 min时增大了4.08 Pa；灰砂比为1∶10和为1∶15的料浆，则分别增大了5.57 Pa和3.88 Pa。搅拌时间对料浆黏性系数也存在同样的影响，灰砂比为1∶5，搅拌时间60 min时黏性系数比搅拌5 min时增大了11.34%；灰砂比为1∶10和1∶15时，黏性系数相应增大了5.50%和12.18%。

在相同的搅拌时间下，与质量浓度对料浆流变参数的影响相比，灰砂比对料浆流变参数的影响有所不同，主要表现在随搅拌时间的增加，料浆黏性系数的增加幅度不同。如图6(b)所示，在搅拌时间不超过15 min时，料浆黏性系数随料浆中水泥含量的增加(灰砂比提高)而增加；当搅拌时间超过15 min时，在相同搅拌时间下，灰砂比为1∶15时料浆黏性系数增加量却大于灰砂比为1∶10时料浆黏性系数增加量。但随搅拌时间的增加，不同灰砂比的料浆的黏性系数随之增加的规律没有改变。

2.3 搅拌时间对流变参数作用机理分析

全尾砂料浆中含有大量的细粒级尾砂和细颗粒水泥，这些细颗粒在内聚力和其他力的共同作用下，产生“自絮凝”作用，形成三维絮网结构，使料浆呈现出一定的屈服应力和黏度。水泥遇水发生水化反应，在搅拌的过程中随着水泥水化时间的持续进行，具有凝聚网络结构的凝胶成分含量也不断增加[9]，料浆则从整体上表现出屈服应力和黏度系数的增大。由于处于搅拌状态下，料浆中的凝胶网络结构也处于破坏与重建的动态过程中，使得料浆流变参数增加幅度有限。

为保障料浆安全、低耗的输送以及料浆在采空区的流动性，在选择料浆输送管路时要尽量缩短管路长度，从而降低长距离输送带来的料浆流变参数增加量，减小料浆管路输送时的阻力，扩大料浆的流动范围。

(a)搅拌时间对料浆屈服应力的影响 (b)搅拌时间对料浆黏性系数的影响图6 不同灰砂比下搅拌时间对料浆流变参数的影响Fig.6 Effects of stirring time on rheological parameters under different cement-sand ratios

3 结论

本文以连续搅拌方式模拟料浆运动状态，试验研究了不同质量浓度和灰砂比条件下全尾砂胶结料浆流变参数的时变性。

1)对灰砂比1∶5，质量浓度分别为72%、74%和76%的全尾砂胶结料浆进行了流变参数测量试验。对测量数据运用宾汉姆模型拟合分析表明：料浆的屈服应力和黏性系数均随搅拌时间的增加而增大，且料浆质量浓度越大，搅拌时间的增加对料浆流变参数影响越明显。同样，也进行了质量浓度为74%、灰砂比为1∶10和1∶15的全尾砂胶结料浆流变试验，试验结果表明在不同的灰砂比条件下，料浆的屈服应力和黏性系数也随搅拌时间的增加而增大。

2)讨论了搅拌时间对料浆流变参数的影响机理。水泥水化反应随搅拌时间的增加持续进行，使料浆中具有凝聚网络结构的凝胶成分含量也不断增加，从而使料浆表现出流变参数值的增大趋势。同时，由于料浆一直处于运动状态，料浆中的凝胶网络结构也处在破坏与重建的动态过程中，致使料浆流变参数值增加幅度有限。