周旭，王洪江，吳愛祥，曹炎森，牛鵬

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；3.鑫達(dá)金銀開發(fā)中心，北京，100038)

礦山尾礦的膏體處置包括膏體充填井下采空區(qū)以及膏體尾礦地表排放[1]。膏體處置的關(guān)鍵是對(duì)全尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)控制[2]。全尾砂濃密脫水是膏體處置的核心工藝，濃密機(jī)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定性不僅決定全尾砂料漿流變性能[3]，而且影響膏體充填料漿管道輸送阻力[4]和充填強(qiáng)度[5]或地表堆存堆積坡角[6]，因此，對(duì)濃密機(jī)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控十分重要。20世紀(jì)早期，基于間歇沉降固體質(zhì)量守恒規(guī)律的C-C理論[7]和kynch模型[8]，前人完善了重力濃密脫水基礎(chǔ)理論。20世紀(jì)80年代，BUSCALL等[9]考慮到濃密過程中絮凝漿體的可壓縮特征，構(gòu)建了濃密脫水理論?；跐饷苊撍碚?，國(guó)外研究人員構(gòu)建連續(xù)重力濃密模型，但重力濃密試驗(yàn)預(yù)測(cè)的固體通量與全尺寸濃密機(jī)固體通量相差巨大[10]，其主要原因是剪切和壓縮條件造成絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化。LESTER 等[11-12]提出改善尾礦濃密脫水性能的關(guān)鍵是提高絮團(tuán)稠化程度，并將基于固體體積分?jǐn)?shù)的壓縮屈服應(yīng)力和干涉沉降系數(shù)等流變學(xué)參數(shù)用于表征濃密機(jī)脫水性能。由于濃密機(jī)內(nèi)尾礦料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，絮團(tuán)破裂和絮團(tuán)內(nèi)部水分運(yùn)移現(xiàn)象無法直接觀測(cè)，致使絮團(tuán)結(jié)構(gòu)演化對(duì)沉降行為影響的研究較少。通常采用Monte carlo 和PBM 模型進(jìn)行不同條件下絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的模擬[13-14]，或者是在取樣后進(jìn)行FDA，SEM和CT 等分析[15-17]，由于取樣破壞絮團(tuán)容易產(chǎn)生誤差。本文采用focused beam reflectance measurement(FBRM) 和 particle vision microscope(PVM)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)原位獲取濃密過程絮團(tuán)稠化的尺寸、數(shù)量和結(jié)構(gòu)變化，揭示絮團(tuán)稠化對(duì)泥層有效干涉沉降系數(shù)的影響，可實(shí)現(xiàn)基于絮團(tuán)稠化程度預(yù)測(cè)濃密機(jī)性能。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備由深錐濃密試驗(yàn)系統(tǒng)和FBRM 和PVM監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示。室內(nèi)濃密試驗(yàn)一般采用直徑為9.5～97.0 cm，高度為100～520 cm 的濃密機(jī)模型[18]?？紤]到采用直徑較大的濃密機(jī)模型可降低模型直徑與邊壁效應(yīng)的影響[19]，同時(shí)參考深錐濃密機(jī)高徑比1.0～2.4的要求[20]，本文結(jié)合試驗(yàn)尾砂用量和實(shí)際操作條件，采用濃密機(jī)模型為直徑20 cm的有機(jī)玻璃圓柱筒，模型高度設(shè)置為120 cm，可實(shí)現(xiàn)泥層高度0～100 cm的試驗(yàn)條件。

尾砂樣品來自某銅礦山，密度為2.85 g/cm3。尾砂粒徑低于75 μm的占比約60%，尾砂級(jí)配良好，適合于采用深錐濃密機(jī)進(jìn)行脫水制備膏體。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experiment system

根據(jù)前期絮凝劑選型試驗(yàn)結(jié)果和礦山現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，選用的絮凝劑為巴斯夫Magnafloc 5250。當(dāng)尾礦入料固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，設(shè)定絮凝劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%。將烘干處理后的尾礦加水配置成該質(zhì)量分?jǐn)?shù)料漿置入試驗(yàn)給料系統(tǒng)的攪拌桶內(nèi)，保持?jǐn)嚢枞~片轉(zhuǎn)動(dòng)，使桶內(nèi)尾砂料漿處于均勻狀態(tài)，并在試驗(yàn)之前配置符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的絮凝劑溶液。尾礦料漿和絮凝劑溶液分別采用1臺(tái)蠕動(dòng)泵以固定的流量進(jìn)行給料，2 種物料通過三通管混合后進(jìn)入濃密機(jī)模型。

試驗(yàn)采用FBRM系統(tǒng)對(duì)泥層絮團(tuán)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)和分析，通過弦長(zhǎng)表征絮團(tuán)直徑[21]。同時(shí)，采用具有特殊微距鏡頭和照明結(jié)構(gòu)的PVM 系統(tǒng)，獲取全尾砂濃密絮團(tuán)演化過程的圖像[22]。將FBRM 和PVM探頭經(jīng)濃密機(jī)底部邊壁的開孔垂直插入，直至探頭前端沒入濃密機(jī)內(nèi)礦漿，并與濃密機(jī)模型內(nèi)耙架保持一定安全距離。

濃密機(jī)泥層高度決定泥層壓力從而影響脫水性能[23]。為探明不同泥層壓力對(duì)尾礦脫水性能的影響，分別按照濃密機(jī)模型泥層高度大于直徑20 cm的1倍、2倍和3倍設(shè)置泥層高度h為25，45和70 cm共3個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)。

濃密機(jī)耙架轉(zhuǎn)速影響底流尾砂固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但轉(zhuǎn)速高于臨界值后尾礦脫水性能不再有效提高，根據(jù)GLADMAN動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)研究的合適耙架轉(zhuǎn)速為0～20 r/min之間[24]，本次3組試驗(yàn)均采用耙架轉(zhuǎn)速為15 r/min。

濃密機(jī)模型持續(xù)給料，試驗(yàn)濃密柱泥層高度達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，耙架開始轉(zhuǎn)動(dòng)，剪切時(shí)間t計(jì)為0 s。當(dāng)泥層高度h調(diào)整至25 cm 時(shí)，開啟試驗(yàn)濃密機(jī)耙架，并保持15 r/min 的轉(zhuǎn)速直至FBRM 和PVM 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，依此步驟和運(yùn)行參數(shù)再分別對(duì)泥層高度為45和70 cm時(shí)進(jìn)行測(cè)試。溢流清水外接收集處理，底流采用閥門進(jìn)行手動(dòng)控制。

2 試驗(yàn)分析與討論

2.1 絮團(tuán)尺寸變化規(guī)律

在第1 階段內(nèi)，當(dāng)剪切時(shí)間為385 s 時(shí)，絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)達(dá)到最大值25.554 μm，尾砂絮團(tuán)達(dá)到最佳絮凝狀態(tài)。在耙架持續(xù)剪切作用下，當(dāng)剪切時(shí)間大于953 s時(shí)，絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)減小到10.704 μm，尾礦絮團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞，絮團(tuán)尺寸降低。圖2所示為絮團(tuán)弦長(zhǎng)隨剪切時(shí)間的變化，由圖2可見：在第2和第3階段內(nèi)，絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)值變化規(guī)律與泥層高度h=25 cm 時(shí)相似，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，剪切作用明顯降低絮團(tuán)尺寸。此外，由于上部泥層重力壓縮作用，泥層高度大的階段絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)的峰值比泥層高度低時(shí)的小。

圖2 絮團(tuán)弦長(zhǎng)隨剪切時(shí)間的變化Fig.2 Aggregate chord length varies with shear time

2.2 絮團(tuán)數(shù)量變化規(guī)律

圖3所示為絮團(tuán)尺寸在不同泥層高度條件下的分布。由圖3可見：隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，3 個(gè)階段尾礦濃密過程中弦長(zhǎng)為10 μm以下的絮團(tuán)數(shù)量均有明顯增加，其中弦長(zhǎng)在10 μm 以下的絮團(tuán)數(shù)量分別增加298%，134%和108%；弦長(zhǎng)在10 μm 以上的絮團(tuán)數(shù)量均呈不同程度下降趨勢(shì)，其中弦長(zhǎng)100 μm 以上的絮團(tuán)數(shù)量分別下降5.22%，6.11%和14.45%。

在不同泥層高度h下，大尺寸松散結(jié)構(gòu)絮團(tuán)在持續(xù)剪切作用下破裂，形成小尺寸密實(shí)結(jié)構(gòu)絮團(tuán)。在重力和耙架導(dǎo)水桿剪切耦合作用下，大尺寸絮團(tuán)松散結(jié)構(gòu)被破壞，形成更密實(shí)的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)間水分釋放，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。

2.3 絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

圖3 在不同泥層高度條件下的絮團(tuán)直徑分布Fig.3 Aggregate diameter distribution at different mud bed height

圖4所示為脫水過程絮團(tuán)結(jié)構(gòu)和尺寸變化圖像。從圖4(a)可見：尾砂和絮凝劑溶液混合階段，顆粒絮團(tuán)未完全發(fā)展，料漿固體分?jǐn)?shù)低。從圖4(b)可見：尾砂絮團(tuán)逐漸發(fā)展成為大尺寸絮團(tuán)，由于剪切時(shí)間短，耙架剪切作用和泥層壓力未破壞絮團(tuán)排列形式和絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)尺寸較大，絮團(tuán)之間空隙也大。從圖4(c)可見：絮團(tuán)受到重力壓縮和耙架剪切作用，絮團(tuán)尺寸降低，絮團(tuán)間空隙也減小，絮團(tuán)內(nèi)部和絮團(tuán)之間的水分釋放排出，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。

圖4 脫水過程絮團(tuán)結(jié)構(gòu)和尺寸變化圖像Fig.4 Microscopic photo of aggregate structure and size variation during process of dewatering

2.4 絮團(tuán)稠化規(guī)律

試驗(yàn)濃密柱泥層高度達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，耙架開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)未受到耙架剪切作用，仍保持完整狀態(tài)，絮團(tuán)稠化作用未開始，此時(shí)的絮團(tuán)尺寸為初始絮團(tuán)直徑dagg,0，是濃密過程絮團(tuán)直徑的最大值。當(dāng)耙架開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絮團(tuán)受剪切作用和重力耦合作用而破裂，絮團(tuán)直徑dagg逐漸減小，直至最終穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到最終絮團(tuán)直徑dagg,∞。將絮團(tuán)直徑和初始絮團(tuán)直徑之比視為絮團(tuán)有效直徑Dagg，采用下式表征絮團(tuán)稠化程度[18]：

將剪切時(shí)間引入式(1)，用于描述絮團(tuán)有效直徑Dagg(t)，并設(shè)定A(s-1)為絮團(tuán)稠化速率參數(shù)，得

絮團(tuán)稠化程度可由絮團(tuán)有效直徑表征，并與剪切時(shí)間呈指數(shù)降低關(guān)系[25]，將初始絮團(tuán)有效直徑Dagg(0)=1代入式(2)，得到下式：

第1 階段泥層高度h=25 cm，t=0 s 時(shí)刻的初始絮團(tuán)有效直徑Dagg(0)=1。此后第2 和第3 階段是在泥層高度達(dá)到h=25 cm 之后再次給入尾砂料漿和絮凝劑，泥層中絮團(tuán)受上部料漿重力壓縮作用部分已經(jīng)發(fā)生稠化，因此，第2和3階段的初始絮團(tuán)有效直徑小于第1階段初始絮團(tuán)有效直徑。將絮團(tuán)弦長(zhǎng)值視為絮團(tuán)直徑代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到第2和第3階段的初始絮團(tuán)有效直徑分別為0.656 和0.552。經(jīng)耙架攪拌后，3個(gè)階段最終絮團(tuán)有效直徑Dagg(∞)均達(dá)到0.418。

將3 個(gè)階段不同泥層高度絮團(tuán)有效直徑Dagg隨剪切時(shí)間變化按式(3)分別進(jìn)行擬合，得到圖5。絮團(tuán)有效直徑Dagg在不同泥層高度下隨剪切時(shí)間減小，表明在剪切速率不變的條件下，剪切時(shí)間延長(zhǎng)造成絮團(tuán)稠化程度上升。圖6所示為不同泥層高度條件下絮團(tuán)稠化速率參數(shù)。由圖6可見：隨泥層高度的上升絮團(tuán)稠化速率參數(shù)A由0.006 5 s-1逐漸增大至0.008 3 s-1，絮團(tuán)稠化程度隨泥層高度上升而加快。

圖5 絮團(tuán)有效直徑與剪切時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Effective aggregate diameter varies with time

2.5 絮團(tuán)稠化程度對(duì)全尾砂濃密性能的影響

干涉沉降系數(shù)R(φ)反映尾砂絮團(tuán)的水動(dòng)力拖曳作用以及絮團(tuán)之間的相互作用，表征全尾砂濃密過程中泥層料漿的滲透性和脫水性能[26]，而干涉沉降系數(shù)與顆粒沉降速度u(φ)有關(guān)。

根據(jù)BUSCALL 和WHITE 濃密理論，固體顆粒的沉降速度u(φ)可由料漿固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)φ來進(jìn)行描述[9]：

圖6 不同泥層高度條件下絮團(tuán)稠化速率參數(shù)Fig.6 Aggregate densification ratio parameter under different mud bed height

考慮絮團(tuán)稠化作用的影響，將有效絮團(tuán)直徑Dagg引入式(4)，將尾礦顆粒沉降速度u(φ)轉(zhuǎn)化為有效絮團(tuán)沉降速度u(φ,Dagg)，相對(duì)應(yīng)采用有效干涉沉降系數(shù)R(φ,Dagg)描述沉降行為[27]，

式中：Δρ為固液密度差，kg/cm3；g為重力加速度，m/s2；φ為固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)USHER 等提出的絮團(tuán)稠化理論[28]，有效絮團(tuán)沉降速度u(φ,Dagg)由絮團(tuán)外部液體繞流速度分量和貫穿絮團(tuán)內(nèi)部液體流速分量構(gòu)成：

式中：φagg,0為初始時(shí)刻絮團(tuán)內(nèi)部的局部固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

將式(5)和式(6)合并可得到有效干涉沉降系數(shù)：

分別計(jì)算泥層高度h為70，45和25 cm條件下不同剪切時(shí)間的有效干涉沉降系數(shù)，圖7所示為有效干涉沉降系數(shù)與剪切時(shí)間的關(guān)系。由圖7可見：耙架轉(zhuǎn)動(dòng)之后，剪切作用開始破壞大尺寸絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)間隙開始減小，其中泥層高度為h=25 cm階段內(nèi)，有效干涉沉降系數(shù)由最初的2.24×108Pa·m-1·s-3急劇上升至1.12×1011Pa·m-1·s-3。隨著絮團(tuán)間和絮團(tuán)內(nèi)部水分的排出，泥層滲透性迅速降低，料漿固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升；但隨著剪切時(shí)間延長(zhǎng)，有效干涉沉降系數(shù)基本保持2.03×1011Pa·m-1·s-3不再增加，料漿固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近底流濃度最大值；有效干涉沉降系數(shù)上升反映尾砂絮團(tuán)沉積形成泥層滲透性變差，脫水性能降低，料漿固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升。由于本次試驗(yàn)分階段逐步給入尾礦料漿和絮凝劑溶液，第2和第3階段耙架未開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)受到上部料漿的壓縮作用，初始時(shí)刻有效干涉沉降系數(shù)分別為8.21×108和8.91×109Pa·m-1·s-3，比第1階段的大，但有效干涉沉降系數(shù)與剪切時(shí)間變化規(guī)律與第1階段的相同。

圖7 有效干涉沉降系數(shù)與剪切時(shí)間的關(guān)系Fig.7 effective hinder sedimentation coefficient varies with shear time

3 結(jié)論

1)在耙架轉(zhuǎn)速保持為15 r/min，泥層高度為25，45和70 cm的3個(gè)階段內(nèi)，大尺寸松散結(jié)構(gòu)的絮團(tuán)在耙架剪切應(yīng)力和泥層重力耦合作用下破裂重構(gòu)為小尺寸緊密結(jié)構(gòu)絮團(tuán)。其中直徑在100 μm 以上絮團(tuán)數(shù)量分別下降5.22%，6.11%和14.45%，直徑在10 μm 以下絮團(tuán)數(shù)量相應(yīng)分別增加298%，134%和108%。

2) 絮團(tuán)稠化程度可由絮團(tuán)有效直徑表征，其與剪切時(shí)間呈指數(shù)降低關(guān)系。3個(gè)階段的初始絮團(tuán)有效直徑隨泥層高度上升而降低，分別為1.000，0.656和0.552，但最終絮團(tuán)有效直徑均達(dá)到0.418。

3)絮團(tuán)稠化速率參數(shù)隨泥層高度的上升由0.006 5 s-1逐漸增大至0.008 3 s-1，絮團(tuán)稠化程度隨泥層高度上升而加快。

4) 有效干涉沉降系數(shù)隨絮團(tuán)稠化程度升高而增大，與剪切時(shí)間呈指數(shù)上升關(guān)系。3個(gè)階段的有效干涉沉降系數(shù)初始值分別為2.24×108，8.21×108和8.91×109Pa·m-1·s-3，隨剪切時(shí)間延長(zhǎng)急劇上升至1.12×1011Pa·m-1·s-3，最終值保持為2.03×1011Pa·m-1·s-3。