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        屈服应力与矿山尾矿可泵性的关联性

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        【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]??笊轿部笸ǔ4咏遄吹目笮迹ㄏ肝⒖笪锟帕?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: 

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        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:

        image.png

        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, 将最大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。

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         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)。

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        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)。

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        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, Tailings, http://en. wikipedia/wiki/Tailings (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 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.


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