粘性细颗粒泥沙絮团发育与絮网发育临界判据的初步研究

单颗粒沉降、絮团发育沉降、絮网压缩沉降是粘性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝发育的三种不同相态,其中关于从絮团发育沉降转变到絮网压缩沉降这一临界状态的研究比较少见。本文从特征絮团的角度出发,考虑形成絮网的临界状态分别得出了静水、动水不同条件下区分絮团发育与絮网发育的临界判据,其分析结果与试验观察定性的一致。

冰浆管内流动的絮网结构设想及阻力计算模型

通过对冰浆在水平光滑管内流动与传热的试验研究 ,提出了冰浆流动的絮网结构机理和阻力计算模型 .模型计算结果与试验结果的比较显示该模型能较好地描述冰浆的流动工况 ;模型机理的提出也为冰浆流动时的传热研究提供了新的依据 .

黏性泥沙絮网结构形成过程研究

黏性泥沙的沉降和沉积过程是泥沙运动力学的一个重要研究内容。采用连云港徐圩港区航道淤积物,分别在30cm高量筒和200cm高自制沉降筒中进行了静水沉降试验,观测了清浑水交界面的形成和沉降过程,测量了沉降过程中清浑水交界面以下含沙量垂向分布。通过分析试验结果,提出了一种根据清浑水交界面沉降速度判定絮网结构形成的新方法,并据此初步解释了黏性泥沙沉降过程中制约沉降、絮网沉降和絮网密实三个不同沉降阶段絮团间作用的差异。

结构流充填料浆管道输送阻力特性

基于结构动力学理论,结合宾汉流体模型,探讨膏体充填料浆管道输送阻力特性的变化规律,并通过某铅锌矿充填膏体的泵送环管试验数据对结论进行验证。研究结果表明：随着流速v增加,管道摩阻损失im呈先减小再增大的趋势,存在一最佳流速vx,在此条件下管阻损失im（vx）有最小值;vx受浆体流变性质及管径影响,管径越大,vx越大。当采用全尾砂＋水淬渣物料配比,管径178 mm,输送流速0.7-0.8 m/s时,系统能耗较低且满足充填要求,为合理输送参数。

超细全尾砂似膏体长距离自流输送的时变特性

基于H-B流变模型和絮网结构理论,构建了考虑时变性的超细全尾砂似膏体流变模型,探究超细全尾砂似膏体长距离管道自流输送过程中的时变特性,推导了相应的管输阻力计算公式.以某深井铁矿质量分数为68%的超细全尾砂似膏体为例,进行了室内剪切试验和管输阻力计算.结果表明:不同剪切速率下的超细全尾砂似膏体表现出剪切稀化的时变特性,且剪切速率越大,达到平衡状态的时间越短,黏度值越低.在流量为80 m3/h时,管输阻力经225 s降至稳定状态的5.03 M Pa/km,为初始阻力的50.6%.超细全尾砂似膏体长距离自流输送过程中,以稳定状态的阻力损失进行计算更为经济合理.

全尾膏体触变特性实验研究

针对尾矿膏体流动过程中的触变行为,将其划分为剪切破坏及静置恢复两个过程,提出以触变量Δτ、触变时间te,结构破坏系数λ,以及结构恢复系数ξ等指标对其进行定量描述.通过不同条件下的恒定剪切速率流变试验,研究了剪切速率、膏体质量分数、絮凝剂添加量、静置时间等因素对膏体触变的影响规律.结果表明,尾矿质量分数、剪切速率,以及絮凝剂添加量对膏体触变均有不同程度的促进作用;在静置条件下,膏体质量分数越高,其絮网结构恢复速率越快.对试验现象进行了解释,并探讨了其工业应用的意义.

APAM对全尾似膏体及其管道输送流变特性的影响

为探究添加阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)前后,全尾似膏体浆料及其管道输送的流变特性,构建考虑屈服应力、稠度系数和流变指数的屈服伪塑性体流变模型,并推导管道输送的沿程阻力计算公式。以某铅锌银矿质量分数为70%的全尾似膏体浆料为例,进行6组室内恒定剪切流变试验,对比添加APAM前后浆料的切应力和表观黏度的变化,并预测沿程阻力。研究结果表明:添加APAM后,浆料的平衡切应力和平衡表观黏度均大于添加APAM前,且剪切速率越大,浆料的平衡切应力和平衡表观黏度增加比例越小;添加APAM后,浆料的沿程阻力损失比添加APAM前多13.16%。

膏体尾矿屈服应力的塌落度试验研究

屈服应力是高浓度非牛顿膏体的关键流变参数,是膏体充填输送系统设计的基础。工程应用中采用塌落度这一经验参数评判其流动性,却无法获取准确的屈服应力参数值。通过构建圆柱和圆锥2种理论模型并利用模型与流变仪的测试结果对比,明确塌落度与屈服应力的反比例关系;通过模型计算屈服应力,在较低屈服应力,圆柱比圆锥模型计算结果准确。尾砂膏体塌落度试验表明增大塌落筒的尺寸可以提高模型计算结果的准确性。添加胶结剂的塌落度试验,因胶结剂的物理化学作用,颗粒间产生絮网结构形成悬浊液,料浆更加均质,却增加了料浆的内摩擦力,屈服应力升高。不同粗砂比的塌落度试验显示:因添加的粗颗粒降低了物料整体的比表面积,物料吸附水的能力下降,使大量水分子由吸附态转变为游离态,增强料浆的可流动性使料浆屈服应力显著降低。

超塑化剂对微细粒料浆流动性的影响

全尾膏体胶结充填地下采空区成为建设环境友好、资源高效利用型地下矿山的必然选择。为解决尾矿砂粒度变细带来的全尾膏体流动性及浓度下降的问题,探索了聚羧酸系及萘系超塑化剂对水泥和微细尾砂净浆流动度的影响,并对试验产品的絮网结构进行了显微分析。结果表明:聚羧酸系超塑化剂能显著提高水泥和微细尾砂净浆的流动度;萘系超塑化剂对水泥净浆流动度也有明显提高,但对微细尾砂净浆流动度提高的幅度十分有限;显微镜下水泥和微细尾砂净浆在未掺超塑化剂时具有相似的絮网结构,由于微细尾砂粒度更细,因而其絮网结构更小、结合力更大;与基于静电斥力效应的萘系超塑化剂相比,基于空间位阻效应的聚羧酸系超塑化剂能打开结合力较强的絮网结构,释放更多自由水,使料浆流动度增大。因此,聚羧酸系超塑化剂将是制备全尾砂膏体胶结充填料浆的潜在优良外加剂。

膏体尾矿流变行为的宏细观分析及其测定方法

尾矿膏体处置技术近年来在金属矿山的应用日益广泛,膏体流变性质是工艺优化、设备选型、管路布置等工程问题的主要依据。针对目前膏体流变测试误差大、实用性差的问题,采用旋转浆式流变仪,开展了稳态剪切载荷下膏体流变行为试验,研究了膏体细观结构与其宏观流动行为的响应关系,分析了结构的剪切变化对膏体流变性质的影响,提出了一种基于结构动力学理论的流变测试方法(SDE)。研究结果表明:膏体尾矿是一种符合Bingham流变模型的结构流体,剪切载荷下存在屈服、触变及应力松弛等黏弹性行为,其屈服应力、塑性黏度随剪切作用的增强逐渐减小,最终趋于恒定值。采用SDE及常规的CSS流变测试法对某铜矿全尾膏体在管道输送中的流变性质进行了测定,相比之下SDE法获得的屈服应力及塑性黏度较小,且更符合工程实际工况。

含APAM的高浓度全尾砂料浆内部结构演化特征

矿山实际用于充填的全尾砂料浆往往低于设计浓度,且其中残留的絮凝剂对其内部结构影响甚大,全尾砂料浆的管道输送特征与之前大相径庭。为此,本文对添加和未添加阴离子聚丙烯酰胺(APAM)的全尾砂料浆开展了粒径测试、核磁共振(NMR)测试和扫描电镜(SEM)测试,综合采用计算机图像处理技术与分形理论,量化了全尾砂料浆在不同时间的结构演化特征。结果表明:1)APAM的添加增强了颗粒间的凝聚作用,更多游离的细颗粒在絮凝剂高分子长链的作用下参与形成絮团,料浆中颗粒的粒径增大;2)APAM促进了活跃的自由水逐渐转变为稳定形态的吸附水和絮团水,絮团水比自由水更加稳定而不易析出,有利于流体流动向层流发展,料浆稳定性增强;3)APAM高分子通过吸附架桥作用使颗粒排列更加紧密,随着静置时间的延长,料浆内部絮网结构不断发育,尤其未添加与添加APAM料浆的结构系数在0~20 min期间分别从0.947、0.960上升至0.984、0.998;4)APAM增大了料浆的屈服应力和塑性黏度,进而增大了沿程阻力,对于消耗部分多余的重力势能、减轻管道磨损破坏程度具有积极作用。因此,建议根据全尾砂料浆在管道内的输送时间,以添加絮凝剂后料浆屈服应力的稳定值计算沿程阻力损失。

粗细颗粒同时存在时的流动阻力

为了研究同时存在粗细颗粒的流动阻力,进行了一组专门设计的试验。分析试验资料结果表明:由细的粘土颗粒引起的粘性力与由粗颗粒引起的离散力是可以线性叠加的。离散力是由于粗颗粒相互之间的碰撞,以及粗颗粒与边壁之间的碰撞所造成的。而粘土颗粒的絮凝作用形成絮团和絮网结构,它们对粗颗粒之间的碰撞起到缓冲作用。因而当有细的粘土颗粒存在时,离散力大幅度降低。

考虑时变性的全尾膏体管输阻力计算

为探明时间因素对于全尾砂膏体管道输送阻力的影响规律,基于宾汉流变模型,结合浆体絮网结构理论,构建了考虑时变特征的五参数膏体流变模型,提出通过膏体恒定剪切率流变测试进行模型参数估算,推导了相应管输阻力的计算模型.以某铅锌矿质量分数为78%的全尾膏体为研究对象,进行了5组恒剪切率流变测试,根据结果对其管输阻力的时间变化过程进行了分析,结果表明：在60~80m3/h的系统流量下,膏体输送阻力随运行时间逐渐降低,最终达到约4.5MPa/km的稳定值,为初始阻力的46%.

膏体流变参数影响机制及计算模型

首先对膏体物料特性开展量化表征研究,通过分析膏体细观结构的物质组成,提出了一种全面描述物料特征的综合指标——固体填充率;开展膏体流变实验,基于宾汉模型对流变曲线进行拟合获得相应的屈服应力及塑性黏度,分析了体积分数、质量加权平均粒径、不均匀系数、细颗粒及水泥质量分数等因素对流变参数的影响规律,并从细观结构的角度对其影响机制进行了解释,最终构建了流变参数关于固体填充率的计算模型.研究结果表明:相同条件下,膏体屈服应力及塑性黏度随体积分数增大呈指数增大,随物料不均匀系数增大而减小,随细颗粒含量增大呈先减小再增大的变化趋势.