屈服应力与矿山尾矿可泵性的关联性

【概述】

尾矿即为从矿石的非经济成分（脉石）中分离有价值的成分 之后余留的物质。尾矿与覆盖层不同，覆盖层是在采矿期间未加 处理就从矿石或矿体表层挪走的废石或废料 [1]。 可采用两种方法从矿石中提取矿物质：砂矿开采，即利用水 和重力提取有价值的矿物质；或硬岩开采，即先粉碎岩石，再粉 碎化学物质。在后一种方法中，从矿石中提取矿物质时，要求将 矿石研磨成细微颗粒，这样，尾矿通常较小，尺寸从沙粒尺寸到 几微米不等 [2]。矿山尾矿通常从浆体状的矿屑（细微矿物颗粒 和水的混合物）中得到 [2]。 尾矿成分直接取决于矿石组分和施加在矿石上的采矿过程 [1]。 通常，多数尾矿产品由岩石组成，此类岩石被研磨成精细颗 粒，大至粗砂，小至尺寸一致的粉末。 许多尾矿中也含有少量在容矿中发现的不同金属颗粒以及 提取过程中所用的添加成分。 通常，尾矿堆放在尾矿池中。尾矿池即为水性废料泵入池中 的区域，在那里，固体颗粒从水中沉降。据估计，2000 年，全 世界共存有约 3,500 处活跃尾矿池 [3]。尾矿池有助于堆放从岩 石中分离矿物质时产生的废料或焦油砂开采过程中产生的浆料。 通常，尾矿会与其它物质（如膨润土）混合，减缓受影响的水释 放到环境中的速率 [1]。然而，无论尾矿含有何种成分，均需要 从矿山泵送到尾矿池中。为了了解是否能够利用现有泵送设备泵 送（改性）尾矿，不仅需要测定粘度，还需要测定屈服应力 τ0。 屈服应力用于描述克服给定流体弹性特性及输入可持续流量所 需的能量。

随后可知，屈服应力值在很大程度上取决于浆料的固体含 量。只需使用 HAAKE Viscotester iQ 流变仪进行简单测量， 即可轻易获取屈服应力值。

【实验/操作方法】

由于使用旋转流变仪所带的传统平行板或 同轴圆筒转子时，若将样品加载到窄隙中，则可 能出现壁滑移及样品过度受损，导致软质固体和 料浆（如尾矿）难以处理，所以，推荐使用桨叶 转子。 当桨叶转子完全浸入样品中时，屈服应力本 身可依照 Boger 公式 [4] 进行计算： 

其中，M 为扭矩，K 为取决于桨叶高度（H） 和直径（D）的桨叶参数，其表达式如下：

因此，为确定屈服应力，则需要将扭矩（或 相应剪切应力）作为时间的函数进行追踪。然后， 将Zda值代入屈服应力公式进行计算。

【实验结果/结论】

为防止发生壁滑移，我们推荐使用桨叶转子 对尾矿进行流变测试。图 1 所示为带有桨叶结构 及开式台架（便于在大型容器中测试样品）的HAAKE Viscotester iQ 流变仪。 在该项研究中，已对不同固体质量分数的砂 矿尾矿进行了测试，以便随后获得屈服应力与质 量分数关系图。 图 2 所示为依照 Boger 模型确定屈服应力 的示例。该项测试中所用的尾矿固体质量分数为 0.4。

我们已采用这种简单快速的方法，对固体质量分数 各不相同（介于 0.2～0.5 之间）的砂矿尾矿进行了测 试。测试结果如图 3 所示，图 3 显示各屈服应力值与 固体含量的关系曲线图。 使用图 3 所示的少量测试得出的数据，计算经由 管道横截面所需的泵送压力（巴）和屈服应力，即可方 便地预测特定尾矿的可泵性。

 图 1：Thermo Scientific™ HAAKE™ Viscotester™ iQ 流变 仪（带适于夹持大型容器的实验室台架）。

图 2：室温（RT）条件下，尾矿固体质量分数为 0.4 时的流动曲线（依照 Boger 模型自动获取屈服应力）。

图 3：屈服应力是室温条件下砂矿尾矿固体质量分数的函数。

结论 

HAAKE  Viscotester  iQ 流变仪中的桨叶转子方法 是用于测定矿山尾矿屈服应力的快速、简便且准确的方 法。我们可方便地将这些值与具有给定固体质量分数的 特定尾矿成分的可泵性相关联。

【仪器/耗材清单】

HAAKE Viscotester iQ 流变仪

【参考文献】

[1] See Wikipedia, Tai领s, http://en. wikipedia/wiki/Tai领s (as of July 13, 2014, 16:50 CET) 

[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 tai领s dams.1996, Essen

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