膏体中自流坡度经验公式检验检测方案(流变仪)

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中国矿山工程China Mine Engineering2013年2月第42卷 第1期·19. 2013年(第42卷)中国矿山工程.20· 膏体自流坡度经验公式的检验与回归 Verification and regression of empirical formula of paste gravity slope 习 泳l，杨盛凯'，尹升华? (1.中国恩菲工程技术有限公司，北京100038；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083) 摘 要：自流坡度是膏体的重要性质，本文通过使用某铜矿的全尾砂，自制自流仪器，进行了不同浓度条件下的膏体自流坡度实验；通过 Brookfield R/S+型流变仪，进行了不同浓度条件下的膏体流变实验。在此基础上检验了 Sofra & Boger膏体自流坡度公式的准确性，结果表明此式不适用于该矿山的尾矿。通过回归分析，得到了该铜矿的膏体自流坡度经验公式，误差分析表明，该公式精确度达到87.43%，有较大的可信度。 关键词：膏体；自流坡度；流变性；经验公式；回归分析 Abstract： Gravity slope is an important property of paste， by using the unclassified tailings of one copper mine and self-madeexperimental apparatus， gravity slope experiments on different density of paste tailings have been conducted， and rheologyexperiments on different density have also been conducted by using the Brookfield R/S+ Rheometer. Based on the results， theaccuracy of the Sofra & Boger paste gravity empirical formula is checked， which turns out to be that the empirical formula cannotfit the tailings from the copper mine. Through regression analysis， obtains the gravity empirical formula of the copper mine. Theerror analysis shows that the veracity of the formula reaches 87.43%， and it is convincing. Key words： paste； gravity slope； rheological behaviour； empirical formula； regression analysis 文章编号： 1672-609X(2013)01-0019-04 中图分类号：TD350.4 文献标识码：A 收稿日期：2012-10-30 作者简介：习 泳(1980-)，男，湖 南芷江人，工程师，主要从事采矿设计工作 1 前言 相比传统的尾矿排放方式，膏体排放(也叫膏体堆存)具有生态更环保、坝体稳定性更高、水资源消耗大大减少、综合成本减少等优点。目前，越来越多的矿山采用膏体排放处置地表尾矿。膏体排放的关键是工艺设计的优化，所以需从膏体的基本性质着手来研究膏体排放工艺0-2。 膏体通过管道输送至尾矿库，从管道中输送出的膏体尾矿以一定的形状在尾矿库中堆存，且形成一定的坡度。自流坡度是膏体的一个重要性质，它关系堆积体的形状、尾矿库的库容以及坝体的稳定等。因此，在膏体排放设计时，确定其自流坡度角，有利于尾矿库的安全高效运行。 2实验情况2膏体自流坡度实验 实验装置如图1所示，实验仪器为一个长1150mm、高150mm的“槽”，图中左边部分为膏体的存放区，用小门的瞬时上提来模拟膏体的排放。在小门拉上去后，膏体向右方流动，会形成一定的坡度。 分别测量不同浓度条件下膏体自流的坡度，流速等 图1 自制膏体自流坡度实验仪器图 参数，研究其流动性能-4。 2.2 膏体流变实验 如果要验证膏体的自流坡度经验公式，则需要测量不同浓度膏体的流变参数。采用 Brookfield R/S+型流变仪测量膏体尾矿的流变特性51，如图2所示。 图2 Brookfield R/S+流变仪 3 实验结果 3.1 膏体自流坡度实验 每组浓度进行3次实验，自流坡度取三者的平均值，实验结果如表1所示。 表1自流实验结果记录 调制浓度/% 自流坡度/(°) 流速/(m/s) 第一组 第二组 第三组 平均 62 0.92 0.86 0.80 0.86 0.68 63 1.26 1.09 0.92 1.09 0.65 64 1.66 1.03 1.03 1.24 0.55 65 2.46 1.49 1.66 1.87 0.52 66 2.23 1.95 2.00 2.06 0.49 67 2.29 3.55 2.63 2.82 0.40 68 2.63 3.15 3.89 3.22 0.33 69 4.40 4.12 4.35 4.29 0.28 70 5.43 5.65 4，57 5.22 0.22 71 7.69 7.24 6.39 7.11 0.15 72 8.70 10.37 9.37 9.48 0.09 73 24.66 11.48 12.35 16.16 0.06 74 29.51 15.91 28.01 24.48 0.02 浓度和自流坡度关系曲线如图3所示，将数据结果进行回归分析，得到回归方程式(1)。坡度随浓 浓度/% 图3 浓度和自流坡度关系曲线 度的增加而增加，且在62%~70%范围内坡度随浓度缓慢增加。当浓度为70%以上时，坡度增长加快，这是膏体粘度增加，流动性减小的缘故。 x——浓度，%。 公式的回归相关系数R=0.997。 浓度和流速关系曲线如图4所示，将数据结果进行回归分析，得到回归方程式(2)。由式(2)看出在实验的范围内，流速和浓度基本上呈线性关系，流速随着浓度的增大而减小，这也是浓度越大，流动性越小的缘故。 式中：x―—浓度，%； 公式复相关系数R*=0.994。 3.22膏体流变实验 根据实验数据，绘制不同浓度下的时间和粘度关系曲线，如图5所示。由图5中可看出，100秒后粘度基本保持不变，公式校验中选取平均粘度作为参考值： 绘制不同浓度下剪切速率和剪切应力的关系曲线，如图6所示。剪切应力随时间的增大而增大，屈 时间/s 图5 时间和粘度的关系曲线 图6 剪切速率和剪切应力的关系曲线 服应力为剪切应力的初始值。 由图5和图6可知，随着剪切速率由零开始增大，膏体结构遭到破坏，表观粘度迅速减小，浓度越高，这种现象越明显，流变曲线偏向剪切速率轴，如图5中AB段。剪切速率继续增大，即图5中BC段，在这一阶段，膏体性能稳定，表观粘度减小规律趋于平缓，剪切应力与剪切速率近似线性规律：且在相同条件下，浓度越大，表观粘度和剪切应力也越大。 4 膏体自流坡度经验公式检验 Sofra & Boger 公式在2000年提出16-7，如下式： 式中：0——坡度，()；——屈服应力，Pa；n——粘度，Pa·s；p——密度，kg/m'；W——流槽宽度，m；g——重力加速度， m/s；v——流速，m/s。 将流变参数和自流实验数据代人式(3)中，检验其适用性，结果如表2所示。 表2 自流公式检验数据 浓度/% 排放速度 屈服应力 粘度 实际坡度 计算坡度 m/s Pa Pa·s () () 62 0.68 5.47 0.2965 0.86 0.91 63 0.65 7.8 0.3320 1.09 1.52 64 0.55 7.37 0.3406 1.24 1.74 65 0.52 13.11 0.4363 1.87 4.20 66 0.49 13.58 0.4414 2.06 4.67 67 0.40 16.46 0.5624 2.82 8.84 68 0.33 26.37 0.7150 3.22 21.83 69 0.28 34.88 0.9354 4.29 44.52 70 0.22 39.14 1.1136 5.22 75.69 71 0.15 78.8 2.1929 7.11 440.10 Sofra & Boger从流变学、几何学、流速等角度出发，考虑了多方面因素，从而得到了 Sofra & Boger经验公式。由图7中可知，在低浓度时，浓度为62%~66%时，实测值和 Sofra & Boger公式理论值基本吻合，但浓度越高，实测值和理论值相差越大，说明Sofra & Boger公式适用性不强。 图7实测值和理论值对比 5 某铜矿膏体自流坡度经验公式的回归 Sofra & Boger 公式较全面从流变学、几何学、流速等多方面出发考虑粘度、屈服应力、斜面宽度和流速等多因素对自流坡度的影响。但是通过实际认证，Sofra & Boger公式不适用于该铜矿尾砂，所以需要对其公式进行调整。 Sofra & Boger公式中，可看出屈服应力、粘度和流速对自流坡度影响最大，且从实验数据可得出屈服应力、粘度和流速随浓度不同而呈现出较大变化，拟对这几个参数进行调整。 拟用SPSS软件对实验数据进行回归分析，回归的模型如式(4)： 相比 Sofra & Boger公式，式(4)对3个参数及系数进行了调整。对回归公式的准确性进行校验，如表3所示，图8为经验公式理论值和实际值的对比。 表3 经验公式检验数据 浓度/% 排放速度 屈服应力 粘度 实际坡度 计算坡度 m/s Pa Pa's () () 62 0.68 5.47 0.296 5 0.86 1.07 63 0.65 7.8 0.3320 1.09 1.35 64 0.55 7.37 0.340 6 1.24 1.46 65 0.52 13.11 0.4363 1.87 1.84 66 0.49 13.58 0.4414 2.06 1.92 67 0.40 16.46 0.5624 2.82 2.37 68 0.33 26.37 0.7150 3.22 3.12 69 0.28 34.88 0.9354 4.29 3.88 70 0.22 39.14 1.1136 5.22 4.71 71 0.15 78.8 2.192 9 7.11 8.05 图8 实测值和理论值对比 由图8所示，相比 Sofra & Boger公式，此验验公式的自流坡度理论值不仅在低浓度时和实测值吻合，高浓度时也达到了较高的精度。 表4为各浓度条件下自流坡度的误差分析，相对误差采用式(5)计算。经计算，该矿山经验公式的平均误差为12.57%，精确度达到87.43%，有较大的可信度。 式中：W——相对误差，%； 6 结论 通过对不同浓度的膏体料浆进行流变学实验和 表4 误差分析 浓度/% 实际坡度/(°) 计算坡度/(°) 误差/% 62 0.86 1.07 24 63 1.09 1.35 24 64 1.24 1.46 18 65 1.87 1.84 1 66 2.06 1.92 7 67 2.82 2.37 16 68 3.22 3.12 3 69 4.29 3.88 10 70 5.22 4.71 10 71 7.11 8.05 13 膏体自流模型实验，以及对 Sofra & Boger自流坡度公式的校验和某铜矿自流坡度经验公式的回归分析，得到以下结论。 (1)在相同条件下，浓度越大，表观粘度和剪应力也越大；坡度随浓度的增加而增加，且在62%~70%范围内，坡度随浓度缓慢增加，当浓度为70%以上时，坡度增长加快。流速和浓度基本呈线性关系。 (2)根据相关实验数据，对 Sofra & Boger公式进行校校，结果表明，对于该铜矿尾砂，Sofra & Boger公式在低浓度时候理论值和实测值基本吻合，当浓度>66%时，公式的误差较大。 (3)通过对 Sofra & Boger公式的改良，得到该铜矿尾砂自流坡度经验公式，此公式和实际情况较为吻合，误差分析显示，该公式的准确度达87.43%，较为可信。 ( [参考文献] ) ( |1 1 ] F. Andy. A bove ground d i sposal[A]. Paste and Thickened Tailings-A G uide (Second Edition) [C].2003： 147-163. ) ( 21 J.A. Shuttleworth， B.J.Thomson. Surface paste d isposal at bulyanhulu[A]. P roceedings of the 8" i nternational seminaron paste a nd t h ickened tailings[C]. C hile， 2005：207-229. ) ( [3] M. K wak. F l ow be h avior of tailings paste for sur face disposal[J] . Minera l Processing. 2005：201- 2 27. ) ( 4] Tim Fitton. Tailings beach slope prediction [D]. School ofCivil， Environmenta l and Chemical Engineering， RMIT University， 2007.5. ) ( 51 蒋 芸，詹晓北，李 艳，郑志永.Brookfield粘度计测定 微生物多糖发酵液流体特性参数[J].食品与生物技术学 报，2008，27(5)：73-77. ) ( [6] F. Sofra， D.V. B oger. S lope prediction for thickened t a il- ings a nd paste[A]. 8 " international conference ta i lingsand mine w aste[C]. 2000：20-31. (下转第25页) ) -B 图2 撞楔护顶工艺示意图 以免造成钢楔前端下探。出碴长度满足下一支架撞楔的需要即可。③稳扎稳打，不冒进贪多。 5 质量控制 (1)安装立柱时，根据岩石情况做牢柱基础，防止因压力过大下沉，保证其有足够的强度。 (2)所有焊接部位要满，以保持支架的整体稳定性。 (3)施工中必须严格按中腰线控制支架位置，避免在正式浇灌时支架超出设计。 (4)支架间距根据压力情况灵活掌握，顶梁的强度也据实调整。 (5)出碴时两帮及顶部不能有连续漏碴现象，四周围岩及碴堆要保持稳定。 6 效益分析和施工效果 矿山东区-340m水平上盘运输大巷612穿脉以东砾石堆积段施工长度55m，先撞楔后再永久支护， (上接第22页) ( 71 A.B. Fourie， S .K.Y. G awu. T h e v a lidity o f laboratoryflume data f o r p r edicting beach slopes of t hi c kened tail - ings d eposits[A]. C . L oan， I . M. A r tbuthout. Pr o ceedings of the 1 3" i nternational seminar on p a ste a n d thickened tailings[C]. Canada ， 2010：241-253. ) 工期2个月，工程量：18kg/m钢轨15.8t，11*矿用工字钢 26.4t，背板8.3m，钢筋混凝土155m，开挖量741m (1)所用材料均为矿山常用，可以直接采用，便于材料管理，减少资金占用。 (2)不存在不可预知的风险，按支护方案一直延续下去，便能顺利穿过塌方。 (3)所用材料计量不存在隐蔽，便于检验。 (4)在掘进断面内加设钢支架插板，支架穿楔为临时支护，通过后再进行全断面素混凝土永久支护，临时支护做为永久支护的一部分。 金山店铁矿多处巷道塌方段、穿脉粉矿接触带和砾石堆积段施工均采取了撞楔施工工艺。该工艺能够保证巷道长久稳定，不存在隐患，是一种简便实用的好方法。 ( 81 P.C. A ddis， E.J. C unningham. C o mparison of beachingslopes f rom t w o centrally discharging tailings storage facilities A]. C. Loan， I.M. A r tbuthout. P r o ceedings of the 13th i nternational seminar on p aste and t h ickenedtailings[C] . Canada， 2010： 255-264. ) ?China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net 摘 要：自流坡度是膏体的重要性质,，本文通过使用某铜矿的全尾砂, 自制自流仪器, 进行了不同浓度条件下的膏体自流坡度实验。通过Brookfield R/S +型流变仪 ,进行了不同浓度条件下的膏体流变实验。在此基础上检验了Sofra&Boger膏体自流坡度公式的准确性 , 结果表明此式不适用于该矿山的尾矿。 通过回归分析, 得到了该铜矿的膏体自流坡度经验公式 , 误差分析表明 ,该公式精确度达到87.43% ,有较大的可信度。 关键词：膏体;自流坡; 流变性;经验公式;回归分析   1、前言 相比传统的尾矿排放方式，膏体排放也（叫膏体堆存） 具有生态更环保、坝体稳定性更高、水资源消耗大大减少、综合成本减少等优点。 目前 ,越来越多的矿山采用膏体排放处置地表尾矿。 膏体排放的关键是工艺设计的优化 ,所以需从膏体的基本性质着手来研究膏体排放工艺[1-2]。   膏体通过管道输送至尾矿库 ,从管道中输送出的膏体尾矿以一定的形状在尾矿库中堆存 ,且形成一定的坡度。 自流坡度是膏体的一个重要性质 ,它关系堆积体的形状 、尾矿库的库容以及坝体的稳定等。因此 ,在膏体排放设计时 ,确定其自流坡度角 ,有利于尾矿库的安全高效运行。 2、实验情况 2.1 膏体自流坡度实验     实验装置如图1所示 ,实验仪器为一个长1150mm、高150mm的“槽 ”,图中左边部分为膏体的存放区 ,用小门的瞬时上提来模拟膏体的排放。在小门拉上去后 ,膏体向右方流动 ,会形成一定的坡度。 分别测量不同浓度条件下膏体自流的坡度 ,流速等参数 ,研究其流动性能[3-4]。 2.2 膏体流变实验 如果要验证膏体的自流坡度经验公式 则需要测量不同浓度膏体的流变参数。采用Brookfield R/S+型流变仪测量膏体尾矿的流变特性 ,如图2所示。     3、实验结果 3.1 膏体自流坡度实验 每组浓度进行3次实验 , 自流坡度取三者的平均值 ,实验结果如表1所示 。     浓度和自流坡度关系曲线如图3所示，将数据结果进行回归分析，得到回归方程式（1）。 坡度随浓度的增加而增加 ,且在62%~70%范围内坡度随浓度缓慢增加。当浓度为70%以上时，坡度增长加快，这是膏体粘度增加，流动性减小的缘故。   浓度和流速关系曲线如图4所示，将,数据结果进行回归分析，得到回归方程式（2）。 由式（2）看出在实验的范围内，流速和浓度基本上呈线性关系，流速随着浓度的增大而减小 ,这也是浓度越大，流动性越小的缘故。     3.2膏体流变实验 根据实验数据，绘制不同浓度下的时间和粘度关系曲线，如图5所示。 由图5中可看出, 100秒后粘度基本保持不变，公式校验中选取平均粘度作为参考值。     绘制不同浓度下剪切速率和剪切应力的关系曲线，如图6所示。剪切应力随时间的增大而增大，屈服应力为剪切应力的初始值。     由图5和图6可知 ,随着剪切速率由零开始增大，膏体结构遭到破坏，表观粘度迅速减小，浓度越高，这种现象越明显，流变曲线偏向剪切速率轴，,如图5中AB段。剪切速率继续增大，即图5中BC段，在这一阶段，膏体性能稳定，表观粘度减小规律趋于平缓，剪切应力与剪切速率近似线性规律，且在相同条件下，浓度越大，表观粘度和剪切应力也越大。 4、膏体自流坡度经验公式检验 Sofra&Boger公式在2000年提出[6-7]，如下式：     将流变参数和自流实验数据代人式（3）中 ,检验其适用性 ,结果如表2所示。   Sofra&Boger从流变学、几何学、流速等角度出发，考虑了多方面因素，从而得到了Sofra&Boger经验公式。由图7中可知，在低浓度,时，浓度为62%~时，实测值和Sofra&Boger公式理论值基本吻合，但浓度越高，实测值和理论值相差越大，说明Sofra&Boger公式适用性不强 。     5、某铜矿膏体自流坡度经验公式的回归 Sofra&Boge公式较全面从流变学、几何学、流速等多方面出发考虑粘度、屈服应力、斜宽度和流速等多因素对自流坡度的影响。但是通过实际认证，Sofra&Boge公式不适用于该铜矿尾砂，所以需要对其公式进行调整[8]。 Sofra&Boge公式中，可看出屈服应力、粘度和流速对自流坡度影响最大，且从实验数据可得出屈服应力、粘度和流速随浓度不同而呈现出较大变化，拟对这几个参数进行调整。 拟用软SPSS件对实验数据进行回归分析，回归的模型如式（4）：   相比Sofra&Boge公式，式（4）对3个参数及系数进行了调整。 对回归公式的准确性进行校验 ,如表3所示 ,图8为经验公式理论值和实际值的对比。     由图8所示 ,相比Sofra&Boge公式 ,此经验公式的自流坡度理论值不仅在低浓度时和实测值 吻合 ,高浓度时也达到了较高的精度 。 表4为各浓度条件下自流坡度的误差分析 ,相对误差采用式（5）计算。经计算 ,该矿山经验公式的平均误差为12.57%，精确度达到87.43%，有较大的可信度。     6、结论 通过对不同浓度的膏体料浆进行流变学实验和膏体自流模型实验 ,以及对Sofra&Boge自流坡度公式的校验和某铜矿自流坡度经验公式的回归分析，得到以下结论。 （1）在相同条件下，浓度越大，表观粘度和剪应力也越大坡度随浓度的增加而增加，且在62%~70%范围内，坡度随浓度缓慢增加，当浓度为70%以上时，坡度增长加快。流速和浓度基本呈线性关系。 （2）根据相关实验数据 ,对Sofra&Boge公式进行校验，结果表明，对于该铜矿尾砂，Sofra&Boge公式在低浓度时候理论值和实测值基本吻合，当浓度>66%时，公式的误差较大。 （3）通过对Sofra&Boge公式的改良，得到该铜矿尾砂自流坡度经验公式，此公式和实际情况较为吻合，误差分析显示，该公式的准确度达87.43%，较为可信。 [参考文献] F.Andy.Above ground disposal[A].Paste and Thickened Tailings-A Guide(Second Edition)[C].2003:147-163. J.A Shuttleworth，B.J.Thomson.Surface paste disposal at bulyanhulu[A].Proceedings of the 8th international seminar on paste and thickened tailings[C].Chile，2005:207-229. M.Kwak.Flow behavior of tailings paste for surfacedisposal[J].MineralProcecssing.2005:201-227 Tim Fitton. Tailings beach slope prediction [D].School of Civil，Environmental and Chemical Engineering, RMIT University，2007.5 蒋 芸 , 詹晓北 , 李 艳 ,郑志永 Brookfield粘度计测定微生物多糖发酵液流体特性参数[J]. 食品与生物技术学报，2008,27（5）:73-77. F.Sofra，D.V.Boger.Slope prediction for thickenedtailingsandpaste[A].8th international conferencetailingsand mine waste[C].2000:20-31.