屈服應力與礦山尾礦可泵性的關聯性

【概述】

尾礦即為從礦石的非經濟成分（脈石）中分離有價值的成分 之后余留的物質。尾礦與覆蓋層不同，覆蓋層是在采礦期間未加 處理就從礦石或礦體表層挪走的廢石或廢料 。 可采用兩種方法從礦石中提取礦物質：砂礦開采，即利用水 和重力提取有價值的礦物質；或硬巖開采，即先粉碎巖石，再粉 碎化學物質。在后一種方法中，從礦石中提取礦物質時，要求將 礦石研磨成細微顆粒，這樣，尾礦通常較小，尺寸從沙粒尺寸到 幾微米不等 。礦山尾礦通常從漿體狀的礦屑（細微礦物顆粒 和水的混合物）中得到 。 尾礦成分直接取決于礦石組分和施加在礦石上的采礦過程 。 通常，多數尾礦產品由巖石組成，此類巖石被研磨成精細顆 粒，大至粗砂，小至尺寸一致的粉末。 許多尾礦中也含有少量在容礦中發現的不同金屬顆粒以及 提取過程中所用的添加成分。 通常，尾礦堆放在尾礦池中。尾礦池即為水性廢料泵入池中 的區域，在那里，固體顆粒從水中沉降。據估計，2000 年，全 世界共存有約 3,500 處活躍尾礦池 。尾礦池有助于堆放從巖 石中分離礦物質時產生的廢料或焦油砂開采過程中產生的漿料。 通常，尾礦會與其它物質（如膨潤土）混合，減緩受影響的水釋 放到環境中的速率 。然而，無論尾礦含有何種成分，均需要 從礦山泵送到尾礦池中。為了了解是否能夠利用現有泵送設備泵 送（改性）尾礦，不僅需要測定粘度，還需要測定屈服應力 τ0。 屈服應力用于描述克服給定流體彈性特性及輸入可持續流量所 需的能量。

隨后可知，屈服應力值在很大程度上取決于漿料的固體含 量。只需使用 HAAKE Viscotester iQ 流變儀進行簡單測量， 即可輕易獲取屈服應力值。

【實驗/操作方法】

由于使用旋轉流變儀所帶的傳統平行板或 同軸圓筒轉子時，若將樣品加載到窄隙中，則可 能出現壁滑移及樣品過度受損，導致軟質固體和 料漿（如尾礦）難以處理，所以，推薦使用槳葉 轉子。 當槳葉轉子*浸入樣品中時，屈服應力本 身可依照 Boger 公式 [4] 進行計算： 

其中，M 為扭矩，K 為取決于槳葉高度（H） 和直徑（D）的槳葉參數，其表達式如下：

因此，為確定屈服應力，則需要將扭矩（或 相應剪切應力）作為時間的函數進行追蹤。然后， 將大值代入屈服應力公式進行計算。

【實驗結果/結論】

為防止發生壁滑移，我們推薦使用槳葉轉子 對尾礦進行流變測試。圖 1 所示為帶有槳葉結構 及開式臺架（便于在大型容器中測試樣品）的HAAKE Viscotester iQ 流變儀。 在該項研究中，已對不同固體質量分數的砂 礦尾礦進行了測試，以便隨后獲得屈服應力與質 量分數關系圖。 圖 2 所示為依照 Boger 模型確定屈服應力 的示例。該項測試中所用的尾礦固體質量分數為 0.4。

我們已采用這種簡單快速的方法，對固體質量分數 各不相同（介于 0.2～0.5 之間）的砂礦尾礦進行了測 試。測試結果如圖 3 所示，圖 3 顯示各屈服應力值與 固體含量的關系曲線圖。 使用圖 3 所示的少量測試得出的數據，計算經由 管道橫截面所需的泵送壓力（巴）和屈服應力，即可方 便地預測特定尾礦的可泵性。

 圖 1：Thermo Scientific™ HAAKE™ Viscotester™ iQ 流變 儀（帶適于夾持大型容器的實驗室臺架）。

圖 2：室溫（RT）條件下，尾礦固體質量分數為 0.4 時的流動曲線（依照 Boger 模型自動獲取屈服應力）。

圖 3：屈服應力是室溫條件下砂礦尾礦固體質量分數的函數。

結論 

HAAKE  Viscotester  iQ 流變儀中的槳葉轉子方法 是用于測定礦山尾礦屈服應力的快速、簡便且準確的方 法。我們可方便地將這些值與具有給定固體質量分數的 特定尾礦成分的可泵性相關聯。