关于天然铁矿石粉的体积压缩性及其对堆垛密度的影响

《Powder Technology》：On the bulk compressibility of natural iron ore fines and its impact on stockpile density

铁矿石粉末堆积体的密度与应力分布受水分含量和固结应力影响显著。通过实验研究不同含水率和固结应力下铁矿石粉末的压缩性特性，揭示了体积膨胀与密度变化的关系，并建立基于低（20kPa）和高（140kPa）固结应力的简化密度-应力模型。采用有限滑移模型分析应力分布，发现堆积体基底压力呈现“M”型分布特征，密度和应力分布沿半径和高度呈现非线性变化。研究提出迭代建模方法，可准确估算堆积体总质量，提升生产核算精度。

　　### 铁矿石粉体堆存密度与应力分布研究

在大规模商业铁矿石开采过程中，堆存密度是一个至关重要的参数，直接影响生产数据的准确性。然而，实际的堆存过程中，由于自然铁矿石粉体的特性，其整体密度和静水应力分布往往存在偏差。因此，深入研究水分含量和主要压实应力对堆存密度及应力分布的影响具有重要意义。本文通过理论分析与实验相结合的方式，探讨了铁矿石粉体在堆存过程中的应力与密度变化规律，并提出了一种简化建模方法，以提高对大型铁矿石堆存的密度和总质量估算精度。

铁矿石粉体通常在破碎和筛分后，其最大粒径被限制在11.2毫米以下，主要由赤铁矿（Fe?O?）和针铁矿（FeO）组成。在原始矿体中，细粒的黏土矿物普遍存在，这些矿物的存在对粉体的压缩性具有重要影响。在后续的加工过程中，如破碎、筛分以及物料输送系统，会进一步导致粉体颗粒的破碎，使得细颗粒的比例增加，从而在堆存阶段出现更显著的体积膨胀现象。当粉体中的黏土矿物和水分含量达到一定比例时，其体积膨胀特性尤为明显，这种现象与经典土力学中的细粒土行为类似。

在堆存过程中，由堆叠操作产生的压实应力对粉体的压缩性具有显著影响。以典型的“V”形堆存方式为例，随着多个层状物料被逐层堆叠，压实应力在堆体内部持续积累，这种应力分布不仅影响粉体的体积变化，还对其整体强度产生影响。早期研究表明，堆体底部的压实压力并非静水压力，而是呈现出一种“M”型的非均匀分布。McBride等人的研究进一步验证了这一现象，并通过离散元建模（DEM）模拟也显示了类似的“M”型压力分布模式。实际上，压实应力的分布与粉体的流变特性密切相关，特别是在黏性、湿润状态下，其对粉体行为的影响更为显著。

为了准确估算铁矿石粉体在堆存过程中的密度分布，研究者需要综合考虑水分含量和压实应力的共同作用。因此，仅使用单一的干密度值进行估算可能无法准确反映堆体的实际质量。基于此，本文提出了一种基于有限水分含量和有限压实应力条件的简化建模方法，通过实验获取不同水分和压实应力条件下的干密度数据，进而构建粉体的压缩性与压实应力之间的关系模型。这种方法不仅减少了实验次数，还提高了建模效率，为实际工程应用提供了便利。

在实验设计方面，本文选择了四种天然铁矿石粉体样本，并在干燥气候条件下采集。样本的初始含水率较低，范围在0.5%至2%之间。为了确保实验的准确性，样本在实验前经过均质化处理，并使用气泡计测量其颗粒密度。此外，为了研究水分含量对粉体压缩性的影响，实验中采用逐步增加水分含量的方式，同时保持压实应力的恒定。通过对不同水分和压实应力条件下的干密度变化进行分析，研究者可以更全面地理解粉体在堆存过程中的行为特征。

在实验结果分析中，发现粉体在特定水分含量范围内会表现出体积膨胀现象，而随着水分含量的进一步增加，体积膨胀效应逐渐减弱，干密度随之上升。这一现象与粉体在不同水分状态下的孔隙-水-颗粒相互作用密切相关。当水分含量处于较低水平时，粉体的体积膨胀较为有限，而随着水分的增加，其膨胀能力显著增强。然而，当水分含量达到某一临界值后，粉体的体积膨胀效应开始减弱，此时干密度的变化主要受压实应力的影响。

此外，研究还发现，粉体的体积膨胀特性与细颗粒含量密切相关。细颗粒含量越高，其对水分的吸附能力越强，从而影响粉体的压缩性表现。例如，IO-A样本由于细颗粒含量较高，其体积膨胀的最大值出现在较高的水分含量下，而IO-D样本则在较低的水分含量下即表现出显著的体积膨胀。这些结果表明，不同粉体样本的体积膨胀行为存在差异，且与粉体的矿物组成和物理特性密切相关。

为了更直观地展示粉体在不同水分和压实应力条件下的行为特征，研究者通过图像分析和数据可视化的方式，展示了粉体的压缩性曲线及其对应的体积膨胀趋势。这些图表不仅揭示了粉体在不同水分含量下的干密度变化，还反映了压实应力对干密度的影响程度。例如，在较高的压实应力条件下，粉体的干密度变化更为显著，而在较低的压实应力条件下，其变化则相对平缓。

在建模方法方面，本文提出了一种基于“有限滑动模型”（LSM）的简化建模过程。该模型假设在堆体某一位置，部分粉体质量沿滑动面流动，而非全部沿垂直方向传递。这一假设使得研究者能够在不进行高精度应力分析的情况下，估算堆体的总体应力分布。通过迭代计算，可以逐步修正模型中的关键参数，如有效内摩擦角，以确保模型的准确性。

进一步地，研究者利用实验获得的干密度与压实应力之间的关系，构建了一个适用于实际堆存条件的全局应力和密度建模方法。通过这种方法，可以在已知粉体含水率的前提下，估算堆体在不同深度和位置的干密度分布。这种建模方法不仅能够更准确地反映堆体的实际密度变化，还能够帮助优化生产数据的核算过程。

本文的研究结果表明，自然铁矿石粉体在堆存过程中表现出显著的体积膨胀特性，且其膨胀程度与粉体的细颗粒含量密切相关。同时，压实应力对粉体的压缩性影响也因水分含量的不同而有所变化。在较低水分含量下，压实应力对干密度的影响较小，而在较高水分含量下，压实应力则成为主导因素。此外，研究还发现，粉体的体积膨胀与压实应力之间存在一种伪线性关系，这种关系在不同水分含量下可能发生变化。

在实际应用中，研究者提出了一种基于有限压实应力条件的简化建模方法，该方法通过仅测试两种典型的压实应力条件（如20 kPa和140 kPa），即可估算粉体的压缩性与压实应力之间的关系。这种方法不仅提高了建模效率，还减少了实验成本，为实际工程中的堆存密度估算提供了可行的解决方案。

最后，本文讨论了堆存过程中水分迁移对粉体密度分布的影响。由于水分在堆存过程中可能会发生迁移，导致堆体内部的水分分布不均匀，进而影响其整体密度和压缩性表现。因此，未来的研究应进一步考虑水分迁移效应，以更全面地描述粉体在堆存过程中的行为特征。通过这些研究，可以进一步优化生产数据的核算方法，提高铁矿石堆存管理的精确度和效率。