CN112129917A - 一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尾矿浆性质测试技术领域，且公开了一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统及其使用方法，包括搅拌制浆系统、用于采集尾矿浆流变信息的流变特性测试系统、用于采集尾矿浆流动信息的流动性能测试系统、用于采集尾矿浆放矿信息的图像数据采集系统和用于收集处理信息并控制相应设备的微机控制系统。用于研究高浓度尾矿的流变和流动性能，可准确测试高浓度尾矿的流变性参数，并且测试高浓度尾矿地表排放后的沉积坡度以及颗粒分布情况。

Description

一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及尾矿浆性质测试技术领域，具体为一种高浓度尾矿流变及流 动特性测试系统及其使用方法。

背景技术

尾矿库是堆存矿山选厂排出的尾矿的场所，是矿山必需的生产设施，也 是一个具有高势能的人造泥石流危险源。尾矿库运营的好坏，不仅直接影响 到矿山企业的经济效益，而且与库区下游人民的生命财产安全和生态环境息 息相关。我国矿山有超过80％的尾矿库是采用低浓度(20％-30％)上游法构筑 尾矿坝，这种方式运行成本最低。但低浓度排放尾矿浆时，会导致干滩面以 下的尾矿一直处于饱和状态，使得坝体的浸润线埋深较高，造成尾矿坝的稳 定性差及地震液化风险高，易发生坝体失稳、溃坝等灾害事故；另外，会有大量的尾水排放到库内，不仅降低了尾矿库的防洪储备性能，而且加大了回 水量，增加了运行成本。

如何从安全、环保和经济角度出发，寻求更好的尾矿处理方法是矿山企 业亟待解决的重点问题。随着尾矿浓缩技术和工艺的日益成熟，高浓度尾矿 处置技术因其在安全、环保、节约水资源等方面的优势而越来越受到重视， 高浓度尾矿处置技术将会在矿山企业得到广泛的推广和应用。当然，高浓度 尾矿地面堆存仍存在两个至关重要的问题：一是能否达到设计坡度？该问题 便涉及到高浓度的流变特性及流动特性；其二为高浓度尾矿排放后的水力平 衡问题，该问题涉及到尾矿库中高浓度尾矿的干燥和脱水过程。

高浓度尾矿兼具固态和液态的特征，呈“半固体”状态。高浓度尾矿的 流变性是高浓度尾矿生产设备选型和管道输送设计及地下充填工艺的重要参 数，同时，直接影响到高浓度尾矿库内堆存的滩面沉积特性和坡度。在解决 高浓度矿浆流动性问题时，传统的流体力学理论不再适用，相比之下，流变 学理论能够很好的解释高浓度尾矿的流动特征，是研究高浓度尾矿流变特性 的有效手段。随着流变理论的发展，相关学者围绕流变性能的测试方法、流 变模型等开展了广泛的研究。

测定尾矿浆体屈服应力的方法主要包括旋转流变仪测定和塌落度试验间 接推算，可以采用R/S流变仪进行测试。

R/S流变仪是一种可以控制剪切速率、剪切应力的旋转式流变仪，包括两 种测试模式，即控制剪切速率(CSR：Controlled Shear Rate)法和控制剪 切应力(CSS：Controlled Shear Stress)法。R/S流变仪型号可主要包括： R/S锥板流变仪，适用于少量样品的测量；R/S同轴圆柱体流变仪，适用于剪 切速率精确控制和测量绝对黏度；R/S软固体测试仪，适用于含颗粒浆体物质 测量。其中，R/S软固体测试仪可用于膏体尾矿及高浓度尾矿流变性测定。

用于测试尾矿浆体流变性的其他流变装置有浆式流变仪、平板式流变仪、 毛细管粘度计、环管装置等。

随着非牛顿流体研究的深入，不同的学者提出了不同的流变模型，比较 经典的流变模型有：Bingham模型、Carreau模型、Casson模型、Cross模型、 Hershel-Bulkey模型、Ostwald模型等。研究表明，可以较好描述高浓度矿 浆流变行为的模型主要有Bingham模型、Hershel-Bulkey模型、Ostwald模 型。

①Bingham模型

Bingham流体具有塑性体的可塑性质，因此Bingham模型又称为塑性模型。 王新民等对金川全尾砂膏体的流变性进行了试验研究，建立了膏体流变模型， 验证了金川全尾矿膏体流变模型为Bingham模型；黄玉诚等采用NXS-11A型 旋转粘度计测试了似膏体充填料浆的流变性，确定似膏体料浆流变模型近似 于Binghan塑性体；吕宪俊等采用塌落度试验和倾斜管道试验系统研究了不 同浓度细粒尾矿充填料浆的流动性，采用Bingham模型进行理论计算，验证 了Bingham模型具有较好的适用性。Andy Fourie等以Bingham模型为理论指 导，采用AnsysFluent对高浓度尾矿的流动规律进行数值模拟，数值模拟结 果与试验结果较吻合。上述研究表明，Bingham模型可以准确描述高浓度矿浆 或膏体尾矿的流动性，其数学表达式为：

式中，τ为剪切应力；τ₀为屈服应力；η为表观黏度，Pa·s；

为剪切速 率，s^-1。

由式(1.1)可以看出，宾汉塑性流体的流变性需要屈服应力τ₀和表观黏 度η两个参数描述。只有当流体受到的剪应力大于屈服应力时，宾汉流体才开 始流动，该模型可以模拟既存在屈服应力，又具有假塑性特性的悬浮体。

②Hershel-Bulkey模型(H-B模型)

Fitton等通过流槽试验测试了高浓度尾矿在流槽内的流动规律和沉积坡 度，建立了四个沉积滩坡度预测模型，结果表明Hershel-Bulkey模型能够更 加准确的预测滩面坡度。王五松等对金川全尾矿高浓度浆体的流变特性进行 测试和研究，全尾矿膏体充填料浆的流变特性符合H-B模型。H-B模型是工程 上广泛应用的流变模型，适用于伪塑性流体和膨胀流体，该模型的数学表达 式为：

式中，τ为剪切应力；τ₀为屈服应力；K为稠度系数，取决于流体的性质， 单位Pa·sⁿ；n为流动特性指数，无量纲，其值的大小表征了该流体偏离牛顿 流体的程度；

为剪切速率，单位s^-1。

H-B模型一定程度上可以看做Bingham模型的修正，当K＝η，n＝1时，即 为Bingham模型适用于塑性流体。该模型不仅可描述牛顿流体而且可以准确 拟合剪切变稀型流体和剪切增稠型流体，当τ₀＝0，K＝μ，n＝1时即为牛顿流 体的本够方程；对于伪塑性流体，n＜1；对于膨胀流体，n＞1。

③Ostwald模型

Ostwald模型也称为结构黏性流体模型。赵鹏飞等基于Ostwald方程建立 的数值模型可以较为理想的预测管道内水合物浆的流动阻力特性。当H-B模 型中τ₀＝0，n＜1时，即为该模型的流变方程，其数学表达式为：

一般聚合物溶液均具有幂律特性，某些悬浮液，如膨润土、磁铁矿、重 晶石等也具有幂律特性。

对于金属矿尾矿浆体，当浓度达到一定值后，浆体会表现出宾汉流体的 特点，在静止状态下内部颗粒之间能够形成具有一定刚度的三维网络结构， 能够抵抗一定的切应力而不发生流动，只有当切应力超过某一切应力时浆体 才会流动，该力即为浆体的屈服应力。对于非牛顿流体，如果所施加的剪应 力小于屈服应力，则流体不会发生流动只产生形变，随剪应力消失，形变逐 渐恢复，只有当所施加的剪应力大于屈服应力，流体才开始流动。屈服应力 是高浓度尾矿、膏体尾矿的一个重要基础参数，也是高浓度尾矿地表堆存的关键参数。高浓度尾矿地表堆存设计时，矿浆的屈服应力需满足浆体输送至 尾矿库时的低能耗和设计浆体沉积滩面坡度两方面的要求，对排放尾矿的沉 积形态、沉积滩坡度等均具有重要控制作用。

当然，高浓度尾矿地面堆存还存在一个至关重要的问题便是设计坡度的 问题，该问题便涉及到高浓度尾矿的流动特性问题。因为往库内排放尾矿后， 沉积形成的干滩面坡度和尾矿的沉积规律直接影响到尾矿库的安全运行和管 理，高浓度尾矿由于含水率较低，屈服应力较大，其流动性相对较差，掌握 高浓度尾矿的流动特性对于尾矿库工程的设计和生产管理具有重要的意义。

发明内容

本发明主要是提供一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统及其使用方 法，用于研究高浓度尾矿的流变和流动性能，可准确测试高浓度尾矿的流变 性参数，并且测试高浓度尾矿地表排放后的沉积坡度以及颗粒分布情况。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，包括搅拌制浆系统、用于采 集尾矿浆流变信息的流变特性测试系统、用于采集尾矿浆流动信息的流动性 能测试系统、用于采集尾矿浆放矿信息的图像数据采集系统和用于收集处理 信息并控制相应设备的微机控制系统。

进一步，所述搅拌制浆系统包括机座、料筒、可升降搅拌桨和搅拌转动 台；所述料筒设置于机座上，所述搅拌转动台设置于料筒内，所述可升降搅 拌桨设置于所述搅拌转动台上；还包括用于向所述料筒内添加清水的水管装 置。

进一步，所述流变特性测试括系统包括可升降台、精密电机和转子；所 述可升降台对应所述料筒上方位置设置于所述机座上，所述精密电机设置于 所述可升降台下侧，所述转子设置于精密电机的输出端。

进一步，所述流动性能测试系统包括渣浆泵和可调节高度的流槽，以及 用于连接所述渣浆泵和流槽的放矿管路；所述渣浆泵设置于所述料筒侧面的 机座上并与料筒上设置的阀门连通，所述流槽上设置有流速探针。

进一步，所述流槽底部设置有用于调节流槽倾角的调节装置，所述流槽 外侧设置有倾角指示器。

进一步，三个所述流槽平行设置，所述机座上设置有三个渣浆泵，所述 渣浆泵与流槽一一对应设置。

进一步，所述流槽上设置有横向调节面板和竖向调节面板，以及配合所 述横向调节面板和竖向调节面板使用的放矿口组件，所述放矿口组件与所述 放矿管路一端可拆卸链接，所述放矿口组件上的放矿口大小可调节。

进一步，所述流槽采用透明材质制成，所述流槽外侧设置有坐标网格线。

进一步，所述图像数据采集系统包括用于采集放矿过程实时图像的高速 摄像机和用于对尾矿浆流动形态进行实景复制扫描三维激光扫描仪。

一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统使用方法，

步骤一：将现场采集的尾矿样烘干，测量尾矿样的物理力学等参数，称 取烘干的尾矿样放置于搅拌制浆系统内，根据试验设计的矿浆浓度加入相应 的清水，配置成设定浓度的尾矿浆；

步骤二：通过控制可升降台的下降将转子置于尾矿浆中，启动精密电机， 控制不同转速，采集流变相关数据，获得尾矿浆粘度和屈服应力等流变参数 和曲线，并通过微机控制系统处理；

步骤三：根据试验方案通过微机控制系统控制渣浆泵不同排放速率，排 放尾矿浆至流槽内，并通过流速探针观察、测试矿浆流动状态；

步骤四：试验过程中通过高速摄像机全程记录相关实时图像数据，放矿 完成后采用三维激光扫描仪扫描沉积尾矿浆的表面形态获得沉积坡度，并通 过微机控制系统处理获得的尾矿浆表面形态和沉积坡度；

步骤五：试验结束后，收集试验尾矿浆并清洗设备。

有益效果：1、该设备集料浆制备、流变和流动性能测试于一体，采用微 机控制系统完成各项数据采集与处理，可同时测试试验尾矿的流变和流动性 能。2、搅拌部分设计可升降搅拌桨，搅拌时升起桨叶，流变测试时落下桨叶， 不影响流变测试。3、该设备采用电脑控制，精细化/自动化水平高。4、调节 渣浆泵从而实现放矿速率可调节。5、流槽采用透明材质制成可实现试验过程 的可视化。6、流槽设置有用于调节流槽倾角的调节装置，可调整不同倾角， 研究初始坡度对尾矿浆流动性的影响。7、流变测试部分设置可升降台，实现 上下升降，不影响制浆，不磨损转子，保证测试精度。

附图说明

图1为本实施例的测试系统结构示意图；

图2为本实施例的搅拌制浆系统和流变特性测试系统示意图；

图3为本实施例的流动性能测试系统示意图；

图4为本实施例的放矿口组件示意图；

图5为本实施例的浓度73％尾矿浆流动规律的试验结果与拟合曲线示意 图；

图6为本实施例的三维扫描点云图。

附图标记：机座1、料筒2、可升降搅拌桨3、搅拌转动台4、水管装置5、 可升降台6、精密电机7、转子8、渣浆泵9、流槽10、放矿管路11、流速探 针12、调节装置13、倾角指示器14、横向调节面板15、竖向调节面板16、 放矿口组件17、坐标网格线18、高速摄像机19、三维激光扫描仪20、微机 控制系统21。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明涉及的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试 系统及其使用方法技术方案进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以 是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对 于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具 体含义。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例的一种高浓度尾矿 流变及流动特性测试系统，包括搅拌制浆系统、用于采集尾矿浆流变信息的 流变特性测试系统、用于采集尾矿浆流动信息的流动性能测试系统、用于采 集尾矿浆放矿信息的图像数据采集系统和用于收集处理信息并控制相应设备 的微机控制系统21。微机控制系统21可以采用任意现有技术，如：电脑。该 设备采用电脑控制，精细化/自动化水平高。

进一步，所述搅拌制浆系统包括机座1、料筒2、可升降搅拌桨3和搅拌 转动台4；所述料筒2设置于机座1上，所述搅拌转动台4设置于料筒2内， 所述可升降搅拌桨3设置于所述搅拌转动台4上；还包括用于向所述料筒2 内添加清水的水管装置5。使用时，将尾矿样料置于料筒2内，然后通过微机 控制系统21控制水管装置5往料筒2内加入适量水，制备成一定浓度的尾矿 浆。搅拌部分设计可升降搅拌桨3，搅拌时升起桨叶，流变测试时落下桨叶，不影响流变测试。

进一步，所述流变特性测试括系统包括可升降台6、精密电机7和转子8； 所述可升降台6对应所述料筒2上方位置设置于所述机座1上，所述精密电 机7设置于所述可升降台6下侧，所述转子8设置于精密电机7的输出端。 使用时，通过可升降台6将精密电机7和转子8等部分一起升起，避免对该 流变测试核心部件造成磨损，尾矿浆经充分搅拌制备好之后，可升降搅拌桨3 落下与料筒2底部处于同一平面，然后通过升降台将转子8降落至料浆中，通过微机控制系统21启动精密电机7，测试相关参数，经计算得出流变参数。 流变测试部分设置可升降台6，实现上下升降，不影响制浆，不磨损转子8， 保证测试精度。

进一步，所述流动性能测试系统包括渣浆泵9和可调节高度的流槽10， 以及用于连接所述渣浆泵9和流槽10的放矿管路11；所述渣浆泵9设置于所 述料筒2侧面的机座1上并与料筒2上设置的阀门连通，所述流槽10上设置 有流速探针12。这样设置结构简单实用，能够通过微机控制系统21控制渣浆 泵9以一定流速排放矿浆，渣浆泵9与料筒2接触处由阀门开闭，采用阀门 能够防止料筒2泄漏。最后通过流速探针12测试不同位置尾矿浆的流动速率 参数。流速探针12的设置位置根据具体实验需要设置。

进一步，所述流槽10底部设置有用于调节流槽10倾角的调节装置13， 所述流槽10外侧设置有倾角指示器14。这样设置可调整不同倾角，研究初始 坡度对尾矿浆流动性的影响。还能够通过倾角指示器14读出倾角。

进一步，三个所述流槽10平行设置，所述机座1上设置有三个渣浆泵9， 所述渣浆泵9与流槽10一一对应设置。一一对应指的是一个流槽10对应一 个渣浆泵9，渣浆泵9由三个组成，分别置于料筒2三面。流动性试验时，将 旋转阀门打开，然后通过控制电脑开启渣浆泵9，以一定流速排放矿浆。可根 据试验方案，开启不同数量的渣浆泵9，也可同时开启测试不同条件下尾矿的 流动性。这样设置能够同时进行多组实验。

进一步，所述流槽10上设置有横向调节面板15和竖向调节面板16，以 及配合所述横向调节面板15和竖向调节面板16使用的放矿口组件17，所述 放矿口组件17与所述放矿管路11一端可拆卸链接，所述放矿口组件17上的 放矿口大小可调节。这样设置，能够横向和竖向调节放矿口组件17从而调节 放矿位置，以及调节放矿口的大小从而控制尾矿浆的放矿流量，便于做不同 的实验。

进一步，所述流槽10采用透明材质制成，所述流槽10外侧设置有坐标 网格线18。设置坐标网格线18能够直接粗略读出尾矿沉积形态。

进一步，所述图像数据采集系统包括用于采集放矿过程实时图像的高速 摄像机19和用于对尾矿浆流动形态进行实景复制扫描三维激光扫描仪20。这 样设置，能够通过高速摄像机19可实现放矿过程的实时图像采集。在放矿结 束后可利用三维激光扫描仪20对尾矿浆流动形态进行实景复制扫描，通过数 据处理获得尾矿浆表面形态和沉积坡度。

一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统使用方法，

步骤一：将现场采集的尾矿样烘干，测量尾矿样的物理力学等参数，称 取烘干的尾矿样放置于搅拌制浆系统内，根据试验设计的矿浆浓度加入相应 的清水，配置成设定浓度的尾矿浆；

步骤二：通过控制可升降台6的下降将转子8置于尾矿浆中，启动精密 电机7，控制不同转速，采集流变相关数据，获得尾矿浆粘度和屈服应力等流 变参数和曲线，并通过微机控制系统21处理；

步骤三：根据试验方案通过微机控制系统21控制渣浆泵9不同排放速率， 排放尾矿浆至流槽10内，并通过流速探针12观察、测试矿浆流动状态；

步骤四：试验过程中通过高速摄像机19全程记录相关实时图像数据，放 矿完成后采用三维激光扫描仪20扫描沉积尾矿浆的表面形态获得沉积坡度， 并通过微机控制系统21处理获得的尾矿浆表面形态和沉积坡度；

步骤五：试验结束后，收集试验尾矿浆并清洗设备。

本发明的装置为大型流变和流动性测试装置的流变特性测试部分采用大 型同轴圆柱旋转流变计的工作原理，其主要的工作原理为利用转动柱之间的 力矩与流体作用在柱壁间的剪力关系，来推算流体的流变参数，可满足尾矿 黏度和屈服应力等流变参数的测试。

流变部分测试原理如下：

试验装置具有固定的外筒盛装试样，转子浸入其中。当转子在流体中持 续旋转时，被流体粘性拖拉形成的阻力矩不仅与流体的粘度成正比，而且与 转子的形状和大小均有关系。同轴圆筒型流变仪转子转矩、流体剪切应力、 转子转速、转子几何形状、流体粘度存在如下关系：

式中，τ-流体剪切应力N/m²’M-转子转矩M·m，R_b-转子半径m，L- 转子高度m，R_c-外筒半径m，ω-转子角速度，η-流体粘度Pa·s，γ-剪 切速率s^-1。

确定流变仪转子半径、转子高度和外筒半径，测出转子受到的阻力矩(转 子转矩)即可计算出流体剪切应力τ；

控制转子转速为固定值，通过转子角速度ω即可计算出剪切速率；

由剪切应力τ和剪切速率计算出流体粘度η。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (10)

1.一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：包括搅拌制浆系统、用于采集尾矿浆流变信息的流变特性测试系统、用于采集尾矿浆流动信息的流动性能测试系统、用于采集尾矿浆放矿信息的图像数据采集系统和用于收集处理信息并控制相应设备的微机控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述搅拌制浆系统包括机座、料筒、可升降搅拌桨和搅拌转动台；所述料筒设置于机座上，所述搅拌转动台设置于料筒内，所述可升降搅拌桨设置于所述搅拌转动台上；还包括用于向所述料筒内添加清水的水管装置。

3.根据权利要求2所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述流变特性测试括系统包括可升降台、精密电机和转子；所述可升降台对应所述料筒上方位置设置于所述机座上，所述精密电机设置于所述可升降台下侧，所述转子设置于精密电机的输出端。

4.根据权利要求2所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述流动性能测试系统包括渣浆泵和可调节高度的流槽，以及用于连接所述渣浆泵和流槽的放矿管路；所述渣浆泵设置于所述料筒侧面的机座上并与料筒上设置的阀门连通，所述流槽上设置有流速探针。

5.根据权利要求4所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述流槽底部设置有用于调节流槽倾角的调节装置，所述流槽外侧设置有倾角指示器。

6.根据权利要求4所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：三个所述流槽平行设置，所述机座上设置有三个渣浆泵，所述渣浆泵与流槽一一对应设置。

7.根据权利要求6所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述流槽上设置有横向调节面板和竖向调节面板，以及配合所述横向调节面板和竖向调节面板使用的放矿口组件，所述放矿口组件与所述放矿管路一端可拆卸链接，所述放矿口组件上的放矿口大小可调节。

8.根据权利要求4所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述流槽采用透明材质制成，所述流槽外侧设置有坐标网格线。

9.根据权利要求1所述的一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统，其特征在于：所述图像数据采集系统包括用于采集放矿过程实时图像的高速摄像机和用于对尾矿浆流动形态进行实景复制扫描三维激光扫描仪。

10.一种高浓度尾矿流变及流动特性测试系统使用方法，其特征在于，

步骤一：将现场采集的尾矿样烘干，测量尾矿样的物理力学等参数，称取烘干的尾矿样放置于搅拌制浆系统内，根据试验设计的矿浆浓度加入相应的清水，配置成设定浓度的尾矿浆；

步骤二：通过控制可升降台的下降将转子置于尾矿浆中，启动精密电机，控制不同转速，采集流变相关数据，获得尾矿浆粘度和屈服应力等流变参数和曲线，并通过微机控制系统处理；

步骤三：根据试验方案通过微机控制系统控制渣浆泵不同排放速率，排放尾矿浆至流槽内，并通过流速探针观察、测试矿浆流动状态；

步骤四：试验过程中通过高速摄像机全程记录相关实时图像数据，放矿完成后采用三维激光扫描仪扫描沉积尾矿浆的表面形态获得沉积坡度，并通过微机控制系统处理获得的尾矿浆表面形态和沉积坡度；

步骤五：试验结束后，收集试验尾矿浆并清洗设备。

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