含水率對庫存干尾砂流動性影響的試驗*

閆其盼 吳愛祥 王貽明 孫 偉 李公成 吳建勛

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

·材料·裝備·

含水率對庫存干尾砂流動性影響的試驗*

閆其盼 吳愛祥 王貽明 孫 偉 李公成 吳建勛

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

庫存干尾砂作為充填料回填時，經(jīng)常在料倉中堵塞、結(jié)拱。由于干尾砂細(xì)粒級含量高，屬于超細(xì)粉狀物料，含水率是影響其流動性的一個重要因素。運用散體動力學(xué)的理論知識，以抗剪強(qiáng)度為判斷依據(jù)，通過試驗探索庫存干尾砂力學(xué)性質(zhì)與含水率之間的關(guān)系，進(jìn)而確定其在不同含水率情況下的流動性，找出保證庫存干尾砂流動性能最佳的含水率。試驗結(jié)果表明：當(dāng)垂直載荷為100 k，200 k，300 k，400 kPa時，對應(yīng)的最佳含水率分別為11%，7%，7%，12%，此時庫存干尾砂的流動性最好，為干尾砂充填配比提供了參考。

庫存干尾砂 抗剪強(qiáng)度 含水率 流動特性

尾礦庫是礦區(qū)的事故易發(fā)設(shè)施，不僅占用大量的土地，改變和破壞原有生態(tài)環(huán)境，污染周圍的土地、水體，還有可能發(fā)生潰壩事故[1-3]?；谖驳V庫上述的種種劣勢，將尾礦庫內(nèi)尾砂進(jìn)行井下回填是實現(xiàn)庫存干尾砂回收利用的有效方式，同時也解決了一些礦山尾砂產(chǎn)率低，不能滿足井下充填需求的問題，是當(dāng)代充填采礦法的一個重要研究方向。

1 研究現(xiàn)狀

目前，礦山回收利用干尾砂進(jìn)行造漿充填的基本工藝：首先將干尾砂和膠凝材料以及粗骨料儲存在各自的料倉內(nèi)，然后分別將其通過螺旋給料機(jī)或其他計量裝置輸送至攪拌桶，在攪拌桶內(nèi)加水充分?jǐn)嚢?，制成符合充填要求的料漿。尾砂來源主要是地表堆存尾砂以及尾礦庫內(nèi)尾砂，無論是何種尾砂，在料倉內(nèi)進(jìn)行儲存及計量時，都面臨物料流動性是否合適的問題，即應(yīng)避免尾砂在砂倉及螺旋給料機(jī)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)拱、堵塞等現(xiàn)象，影響礦山的正常生產(chǎn)。為此，粉狀干尾砂物料的流動性有待于進(jìn)一步研究。

國內(nèi)外對散體流動性及剪切特性的研究主要集中在放礦、泥石流、土石混合體等方面，吳愛祥等應(yīng)用振動直剪儀對礦巖散體的剪切特性以及含水率對散體流動性的影響做了大量的試驗研究，分析了散體動態(tài)剪切時的微分動力模型[4-7]。庫存干尾砂作為粉體物料，影響其流動性的因素有很多，主要包括粉體的粒度與粒度分布、含水率、顆粒形態(tài)及本身物質(zhì)成分等[8-10]。本文基于前人散體動力學(xué)的理論研究，針對庫存干尾砂細(xì)粒級(-20 μm)含量高的特性，近一步研究含水率對其流動特性的影響規(guī)律。

2 試驗方案

2.1 試驗研究目的

本試驗在散體動力學(xué)的基礎(chǔ)上，針對庫存超細(xì)全尾砂，在不同垂直載荷下，以抗剪強(qiáng)度為判斷依據(jù)，研究含水率對庫存干尾砂流動性的影響，為庫存干尾砂的現(xiàn)場添加提供理論依據(jù)。

2.2 試驗儀器與材料

試驗設(shè)備為SDJ-Ⅱ型三速電動等應(yīng)變直剪儀，采用云南某礦山的庫存干尾砂，其粒徑級配見圖1。

由圖1可知，該庫存干尾砂中-20 μm尾砂含量達(dá)到了40%，屬于超細(xì)全尾砂。

圖1 庫存干尾砂粒級分布

2.3 試驗過程

試驗過程：試樣制備→加料→加載→剪切→卸載→試樣清理。分別配制含水率為4%，8%，12%，16%和20%的庫存干尾砂試樣，并保證試樣的密實度一致，浸潤過夜。同一含水率的庫存干尾砂試樣不少于4個，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性。每個試樣豎向壓力σ分別在100 k、200 k、300 k、400 kPa下加載破壞。試樣在垂直壓力施加后立即進(jìn)行快速剪切，試驗過程中不允許有排水現(xiàn)象，剪切速率為0.8 mm/min,即4 r/min。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系

各試樣在不同含水率、不同壓力條件下的剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線見圖2。

圖2 不同含水率、不同壓力條件下剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖2可以看出，無論含水率多少，隨著壓力的增加，剪切力均表現(xiàn)出不同程度增加的趨勢，表明尾砂在不同的含水率條件下未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，均為應(yīng)變硬化型。曲線初始段線性程度和切線斜率均較大，并且隨著垂直荷載的增大，曲線的線性程度和切線斜率也會隨之變大，呈現(xiàn)出較為明顯的似彈性。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著試樣剪切位移的增大，剪應(yīng)力的變化趨于平緩，呈近似水平發(fā)展。

尾砂試樣的快剪過程可大致分為3個階段：尾砂壓實→顆粒摩擦→剪切破壞。在低剪應(yīng)力區(qū)間，剪切位移呈線性變化，內(nèi)部以尾砂壓實變形為主；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到一定值后，試樣已被完全壓實，顆粒之間的摩擦阻礙著剪切位移的發(fā)展，特別在σ為300 k，400 kPa時較為顯著；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到試樣的屈服強(qiáng)度后，尾砂樣失去了抵抗變形的能力，剪切位移速率急劇變大并趨于穩(wěn)定，此時試樣結(jié)構(gòu)完全破壞。

3.2 含水率對抗剪強(qiáng)度的影響

在不同壓力條件下，含水率與抗剪強(qiáng)度存在緊密關(guān)系。礦山生產(chǎn)實踐證明，含水率的變化將對尾砂流動性產(chǎn)生顯著影響。在某一含水率時，尾砂能夠順利地放出；而在另一含水率時，物料經(jīng)常結(jié)拱和堵塞[7]。試驗中庫存干尾砂含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系見圖3。

圖3 不同壓力條件下含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖3可以看出，當(dāng)壓力為100 k，200 k，300 k，400 kPa時，對應(yīng)的最佳含水率為11%，7%，7%，12%，此時可以保證庫存干尾砂的抗剪強(qiáng)度值較低，意味著其具有較好的流動性，可以降低堵塞事故發(fā)生的幾率。

抗剪強(qiáng)度在不同垂直壓力下與內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系可用庫倫公式表達(dá)，即

τf=c+σtanφ,

(1)

式中,τf為抗剪強(qiáng)度，kPa；c為黏聚力，kPa；σ為垂直壓力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，( °)。

理論上分析可知，尾砂抗剪強(qiáng)度由內(nèi)摩擦角、黏聚力、垂直壓力所決定。

3.2.1 對摩擦系數(shù)的影響

散體中的水分可分為3種：分子水、毛細(xì)水和重力水[7]，均對尾砂料的流動性有影響。分子水被顆粒所帶電荷形成的電場緊密地吸附于顆粒表面，并在顆粒之間形成分子水膜；毛細(xì)水和重力水統(tǒng)稱為自由水，顆粒間較小的孔隙中的水稱為毛細(xì)水，顆粒間較大的孔隙中的水稱為重力水。

由含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線可以看出，庫存干尾砂整體表現(xiàn)出隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度先降低后升高的趨勢。研究表明，庫存干尾砂含水率不同，外摩擦系數(shù)差異很大，內(nèi)摩擦系數(shù)也有一定的波動[11]。初始時，水分被尾砂顆粒所吸收，顆粒與容器之間的吸附力增大，顆粒與容器間的摩擦力增大，即外摩擦系數(shù)增大，同時顆粒表面形成一層水膜，在尾砂顆粒間起到潤滑的作用，使內(nèi)摩擦力降低，即內(nèi)摩擦系數(shù)減小；庫存干尾砂隨著含水率的提高，外摩擦系數(shù)相應(yīng)增大，當(dāng)含水率增加到某一限度時，即達(dá)到最大分子結(jié)合水，外摩擦系數(shù)出現(xiàn)最大值；隨后，庫存干尾砂含水率超過限度后，就不再為物料顆粒所吸收，多余水分以自由水的形式存在，在顆粒和容器之間起到潤滑作用，使顆粒容易發(fā)生流動，外摩擦系數(shù)開始隨水分的增加呈下降趨勢，內(nèi)摩擦系數(shù)會隨著含水率的增加而一直減小。

3.2.2 對黏聚力的影響

顆粒間的黏聚力是指垂直應(yīng)力為零時剪切破壞對應(yīng)的極限應(yīng)力，物料的黏聚力主要由顆粒間水膜的氣水界面上所產(chǎn)生的表面張力及散體中顆粒間膠結(jié)物的膠結(jié)作用力所組成，粉體顆粒間分子水膜對顆粒間的黏聚力有重要影響[12]。

實踐表明，當(dāng)尾砂的含水量在4%～6%時，黏性最大，流動性差，容易結(jié)團(tuán)、結(jié)拱；當(dāng)含水量為零時，顆粒間沒有水膜，此時黏聚力為零，物料的流動阻力主要是細(xì)顆粒間的吸引力和摩擦力；隨著水分的增加，此時顆粒間的水主要表現(xiàn)為分子水，在顆粒間形成水膜，從而在氣水界面上產(chǎn)生表面張力，同時顆粒間產(chǎn)生水化結(jié)晶物，起到黏結(jié)作用；當(dāng)黏聚力達(dá)到極值后，再增加含水量，多余的水分以自由水的形式存在于尾砂中，破壞了顆粒間的水膜和表面壓力，使黏聚力又有所降低。

4 結(jié) 論

(1)在不同含水率條件下，隨著壓力值的升高，庫存干尾砂的剪切力均表現(xiàn)出增加的趨勢，即尾砂在不同的含水率條件下未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，均為應(yīng)變硬化型。

(2)隨著含水率的增加，庫存干尾砂的流動性呈現(xiàn)出先變強(qiáng)后變?nèi)醯内厔荩瑢τ谀骋惶囟壟涞奈采?，存在使其流動性最好的最佳含水率?/p>

(3)當(dāng)垂直荷載超過300 kPa后，庫存干尾砂的抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律發(fā)生了突變，其轉(zhuǎn)折點明顯向右發(fā)生了移動，即此時對應(yīng)的最佳含水率明顯變大，具體原因還有待研究。

(4)根據(jù)礦山現(xiàn)場實際情況，在原有設(shè)備條件下，庫存干尾砂可以獲得的最大壓力值為300 kPa左右，故推薦其最佳含水率為7%～10%。

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Experiment on the influence of Moisture Content to the Liquidity of Inventory Dry Backfilling

Yan Qipan Wu Aixiang Wang Yiming Sun Wei Li Gongcheng Wu Jianxun

(Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing)

When the inventory dry backfilling is regarded as the backfilling materials to conduct filling, the jams and arch in the bins often occur. Due to the high contents of fine grained backfilling, so, it belongs to the ultrafine power materials, the moisture content is the important factor affecting the liquidity of inventory dry backfilling. The shear strength is taken as judgment criterion, based on the theory of mechanics of granular media, the relationship between mechanical properties and moisture content is analyzed by experiments to discuss the liquidity of the inventory dry backfilling with different moisture contents so as to determine the moisture content that keep the performance of the liquidity of inventory dry backfilling in the best state. The experimental results show that when the vertical load is 100k, 200k, 300k, 400kPa, corresponding optimum moisture contents are 11%, 7%, 7%, 12% respectively ,and the liquidity of inventory dry backfilling is the best, it can provide some references for determining the ratio of backfilling materials filling.

Inventory dry backfilling, Shear strength, Moisture content, Liquidity

*國家自然科學(xué)基金重點項目(編號：50934002)；教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目(編號：IRT0950)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02)。

2015-03-18)

閆其盼(1990—)，男，碩士，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。