含水率对库存干尾砂流动性影响的试验*

闫其盼 吴爱祥 王贻明 孙 伟 李公成 吴建勋

(北京科技大学土木与环境工程学院)

·材料·装备·

含水率对库存干尾砂流动性影响的试验*

闫其盼 吴爱祥 王贻明 孙 伟 李公成 吴建勋

(北京科技大学土木与环境工程学院)

库存干尾砂作为充填料回填时，经常在料仓中堵塞、结拱。由于干尾砂细粒级含量高，属于超细粉状物料，含水率是影响其流动性的一个重要因素。运用散体动力学的理论知识，以抗剪强度为判断依据，通过试验探索库存干尾砂力学性质与含水率之间的关系，进而确定其在不同含水率情况下的流动性，找出保证库存干尾砂流动性能最佳的含水率。试验结果表明：当垂直载荷为100 k，200 k，300 k，400 kPa时，对应的最佳含水率分别为11%，7%，7%，12%，此时库存干尾砂的流动性最好，为干尾砂充填配比提供了参考。

库存干尾砂 抗剪强度 含水率 流动特性

尾矿库是矿区的事故易发设施，不仅占用大量的土地，改变和破坏原有生态环境，污染周围的土地、水体，还有可能发生溃坝事故[1-3]。基于尾矿库上述的种种劣势，将尾矿库内尾砂进行井下回填是实现库存干尾砂回收利用的有效方式，同时也解决了一些矿山尾砂产率低，不能满足井下充填需求的问题，是当代充填采矿法的一个重要研究方向。

1 研究现状

目前，矿山回收利用干尾砂进行造浆充填的基本工艺：首先将干尾砂和胶凝材料以及粗骨料储存在各自的料仓内，然后分别将其通过螺旋给料机或其他计量装置输送至搅拌桶，在搅拌桶内加水充分搅拌，制成符合充填要求的料浆。尾砂来源主要是地表堆存尾砂以及尾矿库内尾砂，无论是何种尾砂，在料仓内进行储存及计量时，都面临物料流动性是否合适的问题，即应避免尾砂在砂仓及螺旋给料机内产生结拱、堵塞等现象，影响矿山的正常生产。为此，粉状干尾砂物料的流动性有待于进一步研究。

国内外对散体流动性及剪切特性的研究主要集中在放矿、泥石流、土石混合体等方面，吴爱祥等应用振动直剪仪对矿岩散体的剪切特性以及含水率对散体流动性的影响做了大量的试验研究，分析了散体动态剪切时的微分动力模型[4-7]。库存干尾砂作为粉体物料，影响其流动性的因素有很多，主要包括粉体的粒度与粒度分布、含水率、颗粒形态及本身物质成分等[8-10]。本文基于前人散体动力学的理论研究，针对库存干尾砂细粒级(-20 μm)含量高的特性，近一步研究含水率对其流动特性的影响规律。

2 试验方案

2.1 试验研究目的

本试验在散体动力学的基础上，针对库存超细全尾砂，在不同垂直载荷下，以抗剪强度为判断依据，研究含水率对库存干尾砂流动性的影响，为库存干尾砂的现场添加提供理论依据。

2.2 试验仪器与材料

试验设备为SDJ-Ⅱ型三速电动等应变直剪仪，采用云南某矿山的库存干尾砂，其粒径级配见图1。

由图1可知，该库存干尾砂中-20 μm尾砂含量达到了40%，属于超细全尾砂。

图1 库存干尾砂粒级分布

2.3 试验过程

试验过程：试样制备→加料→加载→剪切→卸载→试样清理。分别配制含水率为4%，8%，12%，16%和20%的库存干尾砂试样，并保证试样的密实度一致，浸润过夜。同一含水率的库存干尾砂试样不少于4个，以保证试验数据的可靠性。每个试样竖向压力σ分别在100 k、200 k、300 k、400 kPa下加载破坏。试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验过程中不允许有排水现象，剪切速率为0.8 mm/min,即4 r/min。

3 试验结果与分析

3.1 剪应力与剪切位移关系

各试样在不同含水率、不同压力条件下的剪切位移-剪应力关系曲线见图2。

图2 不同含水率、不同压力条件下剪切位移-剪应力关系曲线

由图2可以看出，无论含水率多少，随着压力的增加，剪切力均表现出不同程度增加的趋势，表明尾砂在不同的含水率条件下未出现应变软化现象，均为应变硬化型。曲线初始段线性程度和切线斜率均较大，并且随着垂直荷载的增大，曲线的线性程度和切线斜率也会随之变大，呈现出较为明显的似弹性。当剪应力达到峰值后，随着试样剪切位移的增大，剪应力的变化趋于平缓，呈近似水平发展。

尾砂试样的快剪过程可大致分为3个阶段：尾砂压实→颗粒摩擦→剪切破坏。在低剪应力区间，剪切位移呈线性变化，内部以尾砂压实变形为主；当剪应力达到一定值后，试样已被完全压实，颗粒之间的摩擦阻碍着剪切位移的发展，特别在σ为300 k，400 kPa时较为显著；当剪应力达到试样的屈服强度后，尾砂样失去了抵抗变形的能力，剪切位移速率急剧变大并趋于稳定，此时试样结构完全破坏。

3.2 含水率对抗剪强度的影响

在不同压力条件下，含水率与抗剪强度存在紧密关系。矿山生产实践证明，含水率的变化将对尾砂流动性产生显著影响。在某一含水率时，尾砂能够顺利地放出；而在另一含水率时，物料经常结拱和堵塞[7]。试验中库存干尾砂含水率与抗剪强度的关系见图3。

图3 不同压力条件下含水率与抗剪强度关系曲线

由图3可以看出，当压力为100 k，200 k，300 k，400 kPa时，对应的最佳含水率为11%，7%，7%，12%，此时可以保证库存干尾砂的抗剪强度值较低，意味着其具有较好的流动性，可以降低堵塞事故发生的几率。

抗剪强度在不同垂直压力下与内摩擦角和黏聚力的关系可用库伦公式表达，即

τf=c+σtanφ,

(1)

式中,τf为抗剪强度，kPa；c为黏聚力，kPa；σ为垂直压力，kPa；φ为内摩擦角，( °)。

理论上分析可知，尾砂抗剪强度由内摩擦角、黏聚力、垂直压力所决定。

3.2.1 对摩擦系数的影响

散体中的水分可分为3种：分子水、毛细水和重力水[7]，均对尾砂料的流动性有影响。分子水被颗粒所带电荷形成的电场紧密地吸附于颗粒表面，并在颗粒之间形成分子水膜；毛细水和重力水统称为自由水，颗粒间较小的孔隙中的水称为毛细水，颗粒间较大的孔隙中的水称为重力水。

由含水率与抗剪强度关系曲线可以看出，库存干尾砂整体表现出随着含水率的增加，抗剪强度先降低后升高的趋势。研究表明，库存干尾砂含水率不同，外摩擦系数差异很大，内摩擦系数也有一定的波动[11]。初始时，水分被尾砂颗粒所吸收，颗粒与容器之间的吸附力增大，颗粒与容器间的摩擦力增大，即外摩擦系数增大，同时颗粒表面形成一层水膜，在尾砂颗粒间起到润滑的作用，使内摩擦力降低，即内摩擦系数减小；库存干尾砂随着含水率的提高，外摩擦系数相应增大，当含水率增加到某一限度时，即达到最大分子结合水，外摩擦系数出现最大值；随后，库存干尾砂含水率超过限度后，就不再为物料颗粒所吸收，多余水分以自由水的形式存在，在颗粒和容器之间起到润滑作用，使颗粒容易发生流动，外摩擦系数开始随水分的增加呈下降趋势，内摩擦系数会随着含水率的增加而一直减小。

3.2.2 对黏聚力的影响

颗粒间的黏聚力是指垂直应力为零时剪切破坏对应的极限应力，物料的黏聚力主要由颗粒间水膜的气水界面上所产生的表面张力及散体中颗粒间胶结物的胶结作用力所组成，粉体颗粒间分子水膜对颗粒间的黏聚力有重要影响[12]。

实践表明，当尾砂的含水量在4%～6%时，黏性最大，流动性差，容易结团、结拱；当含水量为零时，颗粒间没有水膜，此时黏聚力为零，物料的流动阻力主要是细颗粒间的吸引力和摩擦力；随着水分的增加，此时颗粒间的水主要表现为分子水，在颗粒间形成水膜，从而在气水界面上产生表面张力，同时颗粒间产生水化结晶物，起到黏结作用；当黏聚力达到极值后，再增加含水量，多余的水分以自由水的形式存在于尾砂中，破坏了颗粒间的水膜和表面压力，使黏聚力又有所降低。

4 结 论

(1)在不同含水率条件下，随着压力值的升高，库存干尾砂的剪切力均表现出增加的趋势，即尾砂在不同的含水率条件下未出现应变软化现象，均为应变硬化型。

(2)随着含水率的增加，库存干尾砂的流动性呈现出先变强后变弱的趋势，对于某一特定级配的尾砂，存在使其流动性最好的最佳含水率。

(3)当垂直荷载超过300 kPa后，库存干尾砂的抗剪强度随含水率的变化规律发生了突变，其转折点明显向右发生了移动，即此时对应的最佳含水率明显变大，具体原因还有待研究。

(4)根据矿山现场实际情况，在原有设备条件下，库存干尾砂可以获得的最大压力值为300 kPa左右，故推荐其最佳含水率为7%～10%。

[1] 侯兴玉. 我国尾矿库现状及问题分析[J]. 现代矿业,2013(10):1-4.

[2] 门永生,柴建设. 我国尾矿库安全现状及事故防治措施[J]. 中国安全生产科学技术,2009,5(1):48-52.

[3] 郭建文,王建华,杨国华. 我国铁尾矿资源现状及综合利用[J]. 现代矿业,2009(10):23-25，60.

[4] 吴爱祥,古德生.振动场中松散矿石动态特性的研究[J].中南矿冶学院学报,1991,22(3):242-248.

[5] Wu Aixiang, Sun Yezhi. Granular dynamic theory and its applications[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press,2007.

[6] 吴爱祥,古德生,戴兴国. 含水量对散体流动性的影响[J]. 中南矿冶学院学报,1994,25(4):455-459.

[7] 吴爱祥,古德生. 振动作用下散体内外摩擦特性的研究[J]. 中南矿冶学院学报,1993,25(4):459-465.

[8] Santomaso A, Lazzaro P, Canu P. Powder flowability and density ratios: the impact of granules packing[J]. Chemical Engineering Science,2003,58(13):2857-2874.

[9] Moreno-Atanasio R, Antony S J, Ghadiri M. Analysis of flowability of cohesive powders using Distinct Element Method[J]. Powder Technology,2005,158(1):51-57.

[10] Adam M. Stoklosa, Rebecca A. Lipasek, Lynne S， et al. Effects of storage conditions, formulation, and particle size on moisture sorption and flowability of powders: A study of deliquescent ingredient blends[J]. Food Research International, 2012,49(2):783-791.

[11] 江一峰,龚平玲.矿仓储料水平压力影响的探讨[J].现代矿业,2013(8):87，89.

[12] 李 娜,王嘉骏,冯连芳,等.黏结性粗颗粒流动与流态化的研究进展[J].化工进展,2014(2):298-303.

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

*国家自然科学基金重点项目(编号：50934002)；教育部长江学者和创新团队发展计划项目(编号：IRT0950)；国家“十二五”科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B02)。

2015-03-18)

闫其盼(1990—)，男，硕士，100083 北京市海淀区学院路30号。