絮凝剂残留与超细全尾砂似膏体管输阻力时变特性的响应机理研究

Superfine tailings have been the most widely used backfill aggregate in underground metal mines. There are usually flocculant residues in thickened superfine tailings slurry, form stable flocculent structures with fine tailings, and affect its rheological behavior and transportation characteristics. However, this complex process was often ignored, paste-like backfill was always simplified as a time-independent Bingham plastic fluid, and the existing empirical formulas of hydraulic gradient are optimal for calculating the error and for small applications. In this project, paste-like superfine tailings slurry is chosen to be the main study object, the dynamic evolution of flocculent structures, and the dynamic conversion process of free water under residual flocculants will be carried out. Then a thixotropic rheological model of paste-like backfill will be built, a feasible and high-precision solution for the calculation of the hydraulic gradient of paste-like backfill will be derived. The results can not only promote the development of the shear rheology and the pipeline transportation theory, but also perfect the thixotropic behavior and time-varying hydraulic gradient of paste-like backfill under residual flocculants. Meanwhile, this project will provide theory gist for backfill system optimization and transportation drag reduction, promote the ecological disposal of tailings, and benefit for the eco-friendly green mining.

超细全尾砂是目前地下金属矿山中应用最广泛的充填骨料，但絮凝剂通常会残留在浓缩后的超细全尾矿中，与其中的细粒径成分形成稳定的絮网结构，对浆体的流变和管输特性产生影响。由于絮凝机理和絮网结构复杂，以往的研究多将超细全尾砂似膏体简化为宾汉体，进行非时变的管输阻力经验公式推导与计算，导致经验公式适用性差、误差大。本项目以残留絮凝剂作用下的超细全尾砂似膏体为研究对象，从絮网结构微观形态入手，阐明剪切破坏和残留絮凝剂修复作用的动态演化过程，揭示自由水和毛细水的动态转化机理，构建残留絮凝剂与超细全尾砂似膏体剪切触变性和管输阻力时变性的动力学响应模型，推导可靠性和精度更高的时变性管输阻力计算经验公式。研究成果将在理论上系统地发展似膏体剪切流变和管道输送理论与方法，在实践上完善絮凝剂残留与似膏体管输阻力时变性响应模式和计算公式，为充填系统优化和管道输送降粘减阻提供理论依据，促进尾矿生态化处置和绿色矿山建设。

超细粒径尾砂沉降速度慢、浓缩效率低、溢流水浊度高，必须添加絮凝剂加速细颗粒的沉降，絮凝剂因此会残留在浓缩后的似膏体中，对其流变和管输特性产生影响。然而，现有研究主要关注的是似膏体的宏观工程特性，较少关注絮凝剂残留对其流变特性影响的微观机理。基于此，本项目综合运用理论分析、室内试验和现场工业试验等研究手段，对絮凝剂残留与超细尾砂似膏体管输阻力时变特性的响应机理进行了深入研究。主要研究工作和结果如下：（1）基于矿山常用絮凝剂的工程特性，研究了絮网结构破坏和修复作用演化机理，分析了自由水和毛细水动态转化过程；结果表明，絮凝剂修复或剪切破坏作用下，絮网结构会包罗或释放水分子引起自由水和毛细水之间的迁移和转化；研究结果为深入分析超细尾砂似膏体剪切流变特性的微观机理提供了理论依据。（2）基于超细粒径赤泥和尾砂的工程特性，开展了大量的室内剪切流变试验，分析了絮凝剂残留与似膏体屈服应力、剪切应力和黏度的响应规律和拟合函数；结果表明，絮凝剂残留量和搅拌时间会明显改变似膏体的剪切流变特性，并表现出近似线性的响应规律；研究结果为深入分析超细尾砂似膏体的剪切触变特性提供了数据支撑。（3）基于似膏体结构流的管道输送性态，辨析了其流变模型和管输阻力的时变特性，推导了似膏体管输阻力在三个不同阶段的计算公式；结果表明，残留絮凝剂的絮凝修复和管壁的剪切破坏作用是似膏体管输阻力产生时变性的根本原因，在剔除流动前和流动伊始的不稳定数据后，似膏体在管壁持续的剪切应力作用下表现出宾汉流体的特性；研究结果为指导和优化充填管路输送系统设计提供了理论依据。（4）基于某金矿的现场工业试验，验证了絮凝剂残留导致超细尾砂似膏体黏性增加、浓度偏低、易结块和管输阻力增大的试验结果，并对似膏体的定义及最佳浓度范围进行了完善；研究结果对于系统地发展似膏体剪切流变和管道输送理论与方法具有重要意义。