DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.018

APAM对全尾似膏体及其管道输送流变特性的影响

王石，张钦礼，王新民，肖崇春

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：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%。

关键词：APAM；全尾似膏体；絮网结构；屈服伪塑性体；沿程阻力

中图分类号：TD853             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)12-3271-07

Influence of APAM on rheological properties of unclassified tailings paste-like and its pipeline transportation

WANG Shi, ZHANG Qinli, WANG Xinmin, XIAO Chongchun

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: To explore rheological properties of full tailings paste-like and its pipeline transportation before and after adding anionic polyacrylamide (APAM), the rheological model of yield pseudoplastic fluid was established. Three parameters were taken into consideration, including yield stress, consistency coefficient and rheological index. Calculations of the frictional drag of pipeline transportation were deduced. Take an unclassified tailings paste-like in a Pb-Zn-Ag mine as the sample, of which the mass fraction was 70%, six groups of constant shear rate rheological tests were implemented. The shear stress and apparent viscosity of slurry before and after adding APAM were compared, and frictional drag was deduced. The results show that when APAM is added, the stabilized shear stress and apparent viscosity are both higher than those before adding APAM. As the shear rate increases, additional proportions of stabilized shear stress and apparent viscosity of slurry decrease. When APAM is added, frictional drag loss of slurry is 13.16% more than that before APAM is added.

Keywords: APAM; unclassified tailings paste-like; flocculent structure; yield pseudoplastic fluid; frictional drag

随着絮凝沉降和深锥浓度技术的迅速发展，细粒级尾砂的沉降和浓密问题得到了有效解决，高浓度全尾砂充填技术应运而生^[1-2]。全尾似膏体充填作为新型充填技术继承了一般水力充填浆料流动性能好、易于管道输送的优点，同时又兼具膏体充填浓度高、井下脱水少的优势，符合安全、环保和低能耗的无废害开采新方向^[3-4]。全尾似膏体与膏体相比，具有自流性好、较易离析的特点，2种浆料的流变特性不同，此外，添加絮凝剂后，全尾似膏体的内部结构发生变化进而会改变浆料流变性质^[5]。然而，有关全尾似膏体浆料流变特性的研究尚比较欠缺，要保证使用全尾似膏体料浆充填的矿山实现安全连续充填，必须加强此方面内容的研究。近年来，越来越多的研究表明似膏体的流变特性，更接近伪塑性体，且具有明显的剪切稀化的时变特性^[6-7]。胡文达等^[8]将屈服伪塑性流变模型运用在谦比西铜矿超细全尾浆料临界浓度的确定上；PORNILLOS^[9]发现高浓度铅锌尾浆料体的屈服应力和黏度随剪切时间的增加而逐渐减小，并最终趋于稳定。然而，这些研究并未考虑添加絮凝剂的情况。有关絮凝剂与全尾浆料的关系，诸多国内外专家已进行了广泛的研究。ESWARAIAH等^[10]发现对于超细铁矿浆料，阴离子型絮凝剂的絮凝效果远好于阳离子型和非离子型；SELOMUYA等^[11]利用光学显微镜和X线衍射，对絮团颗粒和沉淀层微观结构进行了可视化研究；王勇等^[12]分析了絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理，将絮凝剂添加量划分为低、合适、高及超高4个区间。但是，这些研究并未从流变学角度思考絮凝剂对全尾浆料的影响。为此，本文作者在考虑屈服应力、稠度系数和流变指数三参数的屈服伪塑性体流变模型的基础上，以添加APAM后浆料流变特性的变化为切入点，结合全尾似膏体管道输送沿程阻力计算公式的推导，旨在获取添加APAM前后浆料流变行为的信息，最终探明APAM对全尾似膏体及其管道输送流变特性的影响程度。

1  基于絮网结构的屈服伪塑性体流变模型

1.1  高分子絮凝剂对絮网结构的影响

全尾似膏体浆料不添加高分子絮凝剂时，由于全尾浆料包含大量的细粒径成分，单位体积内固体颗粒的表面积较大，相互作用较强，细颗粒尾砂极易在水中吸附异性离子，形成双电子层的带电颗粒，进而在表面电场的作用下互相吸引絮凝成团^[13]。此时，絮凝机理为双电层压缩和电中和的共同作用^[14]。实际上，用于采场充填的全尾似膏体浆料一般是添加高分子絮凝剂进行絮凝沉降后制成的浆料。高分子絮凝剂经水解和缩聚反应后形成具有线性结构的高分子聚合物，分子链上的活性基团与胶体之间通过离子键、氢键和静电引力等方式结合，以此通过架桥的方式将多个胶体粒子吸附在活性基团上，使颗粒逐渐变大形成絮  团^[15]。此时，桥连作用对浆料内部结构的变化影响程度最大。双电层压缩、电中和及桥连3者复合作用形成的絮网结构比不添加高分子絮凝剂时，初始屈服应力更大，破坏所需外力更强，破坏与修复过程机理更复杂。

1.2  絮网结构动态变化的数学描述

絮网结构在受到机械搅拌等外力作用下时会不断被拉伸、破坏，同时颗粒间的相互吸引及活性集团的吸附作用又导致絮网结构不断被搭接、修复，表现出动态变化过程^[16-17]。该过程的数学描述为

       (1)

式中：为剪切速率，s^-1；k₁为修复系数，添加絮凝剂单耗相同的一定配比和浓度的浆料其值恒定；k₂为破坏系数，与成正比；λ为絮网的结构系数，用于衡量絮网结构的完整程度，λ_min=0表示絮网结构完全破坏，λ_min=1表示絮网结构发育完全。

当时，破坏速率大于恢复速率，絮网结构正在被破坏，反之则表示絮网结构正在恢复。絮网结构达到动态平衡时，结构系数λ₀为

            (2)

对式(1)两边积分可得到λ随时间和剪切速率的变化规律

  (3)

由式(3)可知，固定絮凝剂单耗、组成配比和质量浓度的全尾似膏体具有明显的时变性：在一定的剪切速率条件下，λ随着剪切时间t的增加而逐渐减小，并最终趋于平衡值λ₀。

1.3  全尾似膏体流变模型的构建

全尾似膏体的流变特性符合屈服伪塑形体^[18]，该流变模型的表达式为

               (4)

式中：τ为剪切应力，Pa；τ_B为屈服应力，Pa；K为稠度系数，Pa·s；n为流变指数，浆料为伪塑性体，n＜1，呈现剪切稀化状态。

文献[17]提出了τ_B，K及n随絮网结构变化的数学模型：

，，       (5)

式中：τ₀和n₀分别为浆料结构未被破坏时的屈服应力和流变指数；K₀为浆料结构完全破坏时的黏度；k₃为浆料絮网结构的黏度系数。将式(5)代入式(4)可得全尾似膏体流变的时变模型：

(6)

2  基于絮网结构的全尾似膏体管道输送沿程阻力预测模型

2.1  全尾似膏体管道输送的沿程阻力损失

全尾似膏体在外力的作用下，克服屈服应力，在管道内流动，管道与浆料间的相对运动是管壁切应力和沿程阻力损失产生的根本原因^[19]。浆料流速越高，管壁与流体间剪切速率越大，对应的切应力和沿程阻力损失越高。文献[20]进行了与时间无关的屈服伪塑性体平均速度U的计算。

                        (7)

式中：U为平均流速，m·s^-1；D为管径，m；τ_W为管壁处所受切应力，Pa。将式(7)化简可得：

     (8)

考虑在高应力区τ_B＜＜τ_W，且n＜1，式(8)中的高次项(，，)可以忽略，则可得式(9)

      (9)

由文献[17]可得τ_W与管道沿程阻力损失i₀(Pa·m^-1)的关系

             (10)

将式(10)代入式(9)可得i₀的计算公式为

     (11)

2.2  基于絮网结构的沿程阻力预测模型

全尾似膏体管输过程中，由于输送距离较长(数百米至数千米)，似膏体与管壁之间发生持续的剪切作用，τ_B，K及n会随絮网结构变化而变化，

，，            (12)

         (13)

            (14)

式中：a和b为量纲一的参数。联合式(11)~(14)，可得基于絮网结构的全尾似膏体管道输送阻力预测模型

，         (15)

式中：Θ为与λ₀和t有关的函数。由式(11)~(15)可知：在固定流速对应的剪切率条件下，τ_B，K，n及i₀均是关于时间t的减函数。随着运行时间的增加，浆料逐渐由不稳定流态向稳定流态过渡，并在某一时刻达到稳定输送的状态，此时浆料内絮网结构达到动态平衡，黏度和管道输送阻力亦达到稳定值。在长距离管道输送过程中，全尾似膏体在管道内持续流动的时间较长，而浆料达到稳定平衡状态的时间相对较短，因此，在计算全尾似膏体管道沿程阻力损失时，应以达到稳定状态后的阻力损失作为设计依据，才能减小误差，降低设备能耗。

3  流变性能试验

3.1  试验材料

试验用尾砂为某铅锌银矿的全尾砂。该矿设计采用深锥浓密机将全尾砂浆絮凝沉降和活化造浆，制成质量分数为70%的似膏体(浆料密度为1.84 t/m³)，自流输送至采场空区。管道内径为160 mm，系统流量为100 m³/h。似膏体中全尾砂颗粒的粒径组成见表1，尾砂中粒径0.075 mm以下颗粒占69.1%，中值粒径仅为0.049 mm，不均匀系数为12.7，属于细粒级浆料。试验中选用P.O.32.5水泥作为胶结剂。

表1  某铅锌银全尾砂粒径组成

Table 1  Particle size composition of total tailings in a Pb-Zn-Ag mine

3.2  浆料配制

经试验，单耗为20 g/t的相对分子质量为8×10⁶的APAM对该矿全尾砂快速絮凝沉降具有良好的适配性。为对比分析添加高分子絮凝剂后絮网结构的变化对全尾似膏体浆料的流变特性影响程度，制备以下2种浆料。

1) 不添加高分子絮凝剂的浆料(记为浆料SJ-1)。将全尾砂、水泥及水按一定比例混合搅拌均匀，配置成质量分数为70%、灰砂比为1:6的全尾似膏体浆料。

2) 添加相对分子质量为8×10⁶的APAM的浆料(记为浆料SJ-2)。工程中，用深锥浓密机对全尾浆料进行动态压密，造出所需的高浓度浆料。为模拟该造浆过程，用动态浓密沉降试验装置制备浆料，造浆过程中加入单耗为20 g/t相对分子质量为8×10⁶的APAM。造浆后，测出浆料的质量分数，据此质量分数反推似膏体浆料的水泥及水的添加量，配料后搅拌均匀，制成质量分数为70%、灰砂比为1:6的浆料。

3.3  试验仪器

用动态浓密沉降试验装置配制浆料SJ-2，该装置采用4个蠕动泵，分别用于泵送稀释水、絮凝剂、尾矿矿样进入浓密试验装置的给料系统，以及从试验装置底部泵出底流矿样。

室内剪切试验采用哈克VT550型旋转流变仪。相对于传统的旋转黏度计，十字形转子对样品的絮网结构破坏较小，有效地克服了圆柱面的滑移效应，大大提高了测量的精度。

3.4  试验过程

量取400 mL的浆料SJ-1和SJ-2分别盛入500 mL的烧杯。将2个烧杯依次放置于流变仪下，剪应力从0 Pa开始缓慢加载，至转子开始转动时的剪切应力即为屈服应力。根据该矿管道输送的实际剪切速率，设定恒定剪切试验的6组剪切速率分别为10，20，30，40，50和60 s^-1，测定不同剪切速率下似膏体的表观黏度和切应力的变化，测试时长600 s。

4  APAM对流变行为的影响分析

4.1  流变试验结果及分析

由6组恒定剪切试验结果可得浆料SJ-1和SJ-2的切应力变化与时间的关系，分别如图1和图2所示。

由6组恒定剪切试验结果可得浆料SJ-1和SJ-2的表观黏度变化与时间的关系，如图3和图4所示。

由图1~4可知：不同剪切速率条件下，浆料SJ-1和SJ-2均表现出明显的剪切稀化的时变特性，其切应力和表观黏度均随着剪切时间的增加而逐渐减小，并逐渐趋于稳定值。以剪切速率为40 s^-1为例，当剪切时间为0 s时，浆料SJ-2的切应力比浆料SJ-1的大23.21 Pa，浆料SJ-2的表观黏度比浆料SJ-1的大1.30 Pa·s，当达到平衡状态时，浆料SJ-2的切应力比浆料SJ-1的大13.68 Pa，浆料SJ-2的表观黏度比浆料SJ-1的大0.62 Pa·s。其他剪切速率下亦有同样的性质。由此可知，添加APAM后浆料形成的絮网结构更加稳固，需更大的力才能将其破坏。

图1  浆料SJ-1切应力的变化

Fig. 1  Changes of shear stress of SJ-1 sample

图2  浆料SJ-2切应力的变化

Fig. 2  Changes of shear stress of SJ-2 sample

图3  浆料SJ-1表观黏度的变化

Fig. 3  Changes of apparent viscosity of SJ-1 sample

图4  浆料SJ-2表观黏度的变化

Fig. 4  Changes of apparent viscosity of SJ-2 sample

此外，当剪切速率为10 s^-1时，经过411 s浆料SJ-1的切应力达到平衡状态的稳定值127.1 Pa，当剪切速率增大到60 s^-1时，仅需217 s浆料SJ-1即可达到稳定值187.6 Pa，而剪切速率分别为10 s^-1和60 s^-1时，浆料SJ-1的表观黏度达到平衡状态的稳定值分别为8.06 Pa·s和1.97 Pa·s。浆料SJ-2在不同剪切速率下的平衡时间与浆料SJ-1的大致相同。即剪切速率越大，浆料达到平衡状态的时间越短，平衡切应力越大，平衡黏度越小。这是因为剪切速率越大，浆料所受外力搅拌作用越强，浆料内部絮网结构破坏越严重，剪切稀化的时变特性就越明显。絮网结构会阻碍浆料的管道输送，可在浆料输送前加强搅拌，充分破坏絮网结构，降低浆料动力黏度，从而降低输送的能耗损失，增强浆料输送性能。

浆料SJ-1和SJ-2的平衡切应力及平衡表观黏度与剪切速率的关系如图5和图6所示。

由图5~6可得：不同剪切速率下，浆料SJ-2的平衡切应力及平衡表观黏度均比浆料SJ-1的大。当剪切速率为10 s^-1时，浆料SJ-2的平衡切应力和平衡表观黏度分别比浆料SJ-1的大13.6%和27.7%，而当剪切速率为60 s^-1时，浆料SJ-2的平衡切应力和平衡表观黏度仅分别比浆料SJ-1的大6.5%和14.7%。即随着剪切速率的增大，添加APAM浆料的平衡切应力和平衡表观黏度值的增加幅度逐渐减小。这是因为当剪切速率较大时，絮网结构破坏程度加大，其碎片结构对切应力的影响程度变小。此外，在相同剪切速率下，添加APAM浆料的表观黏度增大幅度大于切应力的增大幅度。

图5  平衡切应力随剪切速率的变化

Fig. 5  Stabilized shear stress at different shear rates

图6  平衡表观黏度随剪切速率的变化

Fig. 6  Stabilized apparent viscosity at different shear rates

4.2  管道输送阻力对比分析

浆料SJ-1和SJ-2在不同剪切速率下的试验结果见表2。

将表2中试验数据代入式(6)中，可得一个六元非线性方程组。采用非线性最小二乘法中的阻尼最小二乘法和线性回归优化^[21]计算得各时变参数的最优解

                   (16)

                    (17)

式中：τ₁和τ₂分别为试样SJ-1和SJ-2的最优解。

表2  流变性能试验结果

Table 2  Experimental results for rheological property

根据该矿浆料的管道输送实际情况，按式(18)计算系统流量Q为100 m³/h时浆料的流速，由式(19)计算对应的剪切速率，再结合式(12)~(14)计算各参数值，最后代入式(15)计算出随时间变化的全尾似膏体管道输送阻力。计算结果见表3。浆料SJ-1和SJ-2管道输送阻力随时间变化的特性见图7。

               (18)

                 (19)

由图7可得：全尾似膏体管道输送过程中的沿程阻力损失随着输送时间的增加而逐渐降低。SJ-2在管道输送过程中，阻力损失最大值比SJ-1的大1.41 MPa/km，达到平衡状态时，其沿程阻力损失比SJ-1的多13.16%。即添加APAM后，絮网结构的变化增加了浆料的屈服应力和黏度，进而增大了沿程阻力，从而增强了浆料的输送难度。浆料SJ-1和SJ-2分别经225 s和229 s即可达到稳定的输送状态，当浆料输送距离较长时，应以管道输送的稳定值计算沿程阻力损失。

表3  流变模型参数计算

Table 3  Parameters calculation of rheological model

图7  管道输送阻力随时间的变化

Fig. 7  Changes of transport resistance at different transport times

5  结论

1) 全尾似膏体浆料内添加絮凝剂后，由于桥连作用的影响，其内部絮网结构的动态变化特征比不添加絮凝剂更加复杂。考虑屈服应力、稠度系数和流变指数的时变特性，将全尾似膏体浆料视为屈服伪塑性体构建流变模型，并推导沿程阻力损失公式。

2) 添加APAM前后，浆料均表现出相同的性质：剪切速率越大，浆料达到稳定状态的时间越短，平衡切应力越大，平衡黏度越小。添加APAM后，浆料的平衡切应力和平衡表观黏度均比添加APAM前的大，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在相同剪切速率下，表观黏度增大幅度大于切应力。

3) 对添加APA前后浆料的管道输送沿程阻力进行预测，当管道输送达到平衡状态时，添加APAM后浆料的沿程阻力损失比添加APAM前的多13.16%。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-12-02；修回日期：2017-03-08

基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2013BAB02B05) (Project (2013BAB02B05) supported by the National Key Technology R&D Program)

通信作者：王石，博士研究生，从事采矿工艺与充填技术研究；E-mail：stonersxx@126.com