關(guān)鍵詞

流變性，屈服應(yīng)力，礦山，尾礦

簡介

尾礦即為從礦石的非經(jīng)濟(jì)成分（脈石）中分離有價(jià)值的成分之后余留的物質(zhì)。尾礦與覆蓋層不同，覆蓋層是在采礦期間未加處理就從礦石或礦體表層挪走的廢石或廢料 [1]。可采用兩種方法從礦石中提取礦物質(zhì)：砂礦開采，即利用水和重力提取有價(jià)值的礦物質(zhì)；或硬巖開采，即先粉碎巖石，再粉碎化學(xué)物質(zhì)。在后一種方法中，從礦石中提取礦物質(zhì)時(shí)，要求將礦石研磨成細(xì)微顆粒，這樣，尾礦通常較小，尺寸從沙粒尺寸到幾微米不等 [2]。礦山尾礦通常從漿體狀的礦屑（細(xì)微礦物顆粒和水的混合物）中得到 [2]。尾礦成分直接取決于礦石組分和施加在礦石上的采礦過程[1]。通常，多數(shù)尾礦產(chǎn)品由巖石組成，此類巖石被研磨成精細(xì)顆粒，大至粗砂，小至尺寸一致的粉末。

許多尾礦中也含有少量在容礦中發(fā)現(xiàn)的不同金屬顆粒以及提取過程中所用的添加成分。通常，尾礦堆放在尾礦池中。尾礦池即為水性廢料泵入池中的區(qū)域，在那里，固體顆粒從水中沉降。據(jù)估計(jì)，2000 年，全世界共存有約 3,500 處活躍尾礦池 [3]。尾礦池有助于堆放從巖石中分離礦物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的廢料或焦油砂開采過程中產(chǎn)生的漿料。

通常，尾礦會與其它物質(zhì)（如膨潤土）混合，減緩受影響的水釋放到環(huán)境中的速率 [1]。然而，無論尾礦含有何種成分，均需要從礦山泵送到尾礦池中。為了了解是否能夠利用現(xiàn)有泵送設(shè)備泵送（改性）尾礦，不僅需要測定粘度，還需要測定屈服應(yīng)力 τ0。屈服應(yīng)力用于描述克服給定流體彈性特性及輸入可持續(xù)流量所需的能量。

 圖 1：Thermo Scientific HAAKE Viscotester iQ 流變儀（帶適于夾持大型容器的實(shí)驗(yàn)室臺架）。

隨后可知，屈服應(yīng)力值在很大程度上取決于漿料的固體含量。只需使用 HAAKE Viscotester iQ 流變儀進(jìn)行簡單測量，即可輕易獲取屈服應(yīng)力值。

由于使用旋轉(zhuǎn)流變儀所帶的傳統(tǒng)平行板或同軸圓筒轉(zhuǎn)子時(shí)，若將樣品加載到窄隙中，則可能出現(xiàn)壁滑移及樣品過度受損，導(dǎo)致軟質(zhì)固體和料漿（如尾礦）難以處理，所以，*使用槳葉轉(zhuǎn)子。

當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)子*浸入樣品中時(shí)，屈服應(yīng)力本身可依照 Boger 公式 [4] 進(jìn)行計(jì)算：

其中，M 為扭矩，K 為取決于槳葉高度（H）和直徑（D）的槳葉參數(shù)，其表達(dá)式如下：

因此，為確定屈服應(yīng)力，則需要將扭矩（或相應(yīng)剪切應(yīng)力）作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行追蹤。然后，將zui大值代入屈服應(yīng)力公式進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

 為防止發(fā)生壁滑移，我們*使用槳葉轉(zhuǎn)子對尾礦進(jìn)行流變測試。圖 1 所示為帶有槳葉結(jié)構(gòu)及開式臺架（便于在大型容器中測試樣品）的HAAKE Viscotester iQ 流變儀。

在該項(xiàng)研究中，已對不同固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂礦尾礦進(jìn)行了測試，以便隨后獲得屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖。

圖 2：室溫（RT）條件下，尾礦固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.4 時(shí)的流動(dòng)曲線

（依照 Boger 模型自動(dòng)獲取屈服應(yīng)力）。

圖 2 所示為依照 Boger 模型確定屈服應(yīng)力的示例。該項(xiàng)測試中所用的尾礦固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4。

我們已采用這種簡單快速的方法，對固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)各不相同（介于 0.2～0.5 之間）的砂礦尾礦進(jìn)行了測試。測試結(jié)果如圖 3 所示，圖 3 顯示各屈服應(yīng)力值與固體含量的關(guān)系曲線圖。

圖 3：屈服應(yīng)力是室溫條件下砂礦尾礦固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的函數(shù)。

使用圖 3 所示的少量測試得出的數(shù)據(jù)，計(jì)算經(jīng)由管道橫截面所需的泵送壓力（巴）和屈服應(yīng)力，即可方便地預(yù)測特定尾礦的可泵性。

結(jié)論

HAAKE Viscotester iQ 流變儀中的槳葉轉(zhuǎn)子方法是用于測定礦山尾礦屈服應(yīng)力的快速、簡便且準(zhǔn)確的方法。我們可方便地將這些值與具有給定固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特定尾礦成分的可泵性相關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)

[1]See Wikipedia, Tailings, 

[2]US EPA. (1994). Technical Report: Design and Evaluation of Tailinfs Dams.

[3]Martin T.E., Davies M.P. (2000). Trends in the stewardship of tailings dams.1996, Essen

[4] Dzuy N.Q., Boger D.V. (1985). Direct yield stress measurement with the vane method. J Rheol 29:335-47.