周 旭，阮竹恩，吳愛(ài)祥，王洪江，王貽明，尹升華

1) 中鐵建國(guó)際投資有限公司，北京 100000 2) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 3) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

尾礦是礦山最主要的固體廢物，排放于地表尾礦庫(kù)時(shí)存在堆存面積大、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全隱患多等問(wèn)題，是建設(shè)綠色礦山亟待解決的主要問(wèn)題之一. 針對(duì)傳統(tǒng)低濃度分級(jí)尾砂充填和尾礦庫(kù)排放模式的，尾礦膏體處置以提高尾礦處置濃度為主線(xiàn)，將從選礦廠(chǎng)產(chǎn)出的低濃度全尾砂料漿，不經(jīng)分級(jí)，直接輸送至深錐濃密機(jī)，添加絮凝劑并使用耙架進(jìn)行攪拌，形成高濃度、牙膏狀、無(wú)泌水的膏體料漿，再選擇性添加粗骨料、細(xì)骨料以及其它外加劑，攪拌并通過(guò)柱塞泵輸送至采空區(qū)充填或者直接輸送至尾礦庫(kù)進(jìn)行堆存. 這樣既解決了地表尾礦庫(kù)潰壩與環(huán)境污染的災(zāi)害問(wèn)題，又解決了井下采空區(qū)垮冒的災(zāi)害問(wèn)題，具有“一廢治兩害”的優(yōu)勢(shì)[1].

尾礦膏體濃密基于絮凝沉降技術(shù)，通過(guò)剪切和重力耦合作用實(shí)現(xiàn)尾礦快速深度脫水，提高尾礦處置濃度，是實(shí)現(xiàn)尾礦膏體處置的關(guān)鍵技術(shù)之一. 絮凝是尾礦膏體濃密工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，絮凝效果直接影響物料攪拌、膏體輸送、井下充填和地表堆存等后續(xù)工藝質(zhì)量，決定生產(chǎn)運(yùn)行成本. 濃密過(guò)程中尾礦顆粒形成絮團(tuán)并發(fā)育演化是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，一般可分為顆粒碰撞—有效碰撞黏結(jié)—絮團(tuán)重構(gòu)—絮團(tuán)破裂—絮團(tuán)再形成等多個(gè)階段[2]. 對(duì)顆粒碰撞、凝聚黏結(jié)、絮團(tuán)發(fā)育演化過(guò)程的理解是研究尾礦濃密規(guī)律的基礎(chǔ).

絮凝作用是由線(xiàn)形的高分子化合物在微粒間“架橋”聯(lián)結(jié)而引起微粒的聚結(jié). 在絮凝過(guò)程中，多個(gè)顆粒同時(shí)被同一高分子長(zhǎng)鏈吸附，通過(guò)“架橋”方式將微粒聯(lián)在一起，從而導(dǎo)致絮凝現(xiàn)象的發(fā)生[3].絮團(tuán)是由發(fā)生絮凝的初始尾礦顆粒組成，在尾礦顆粒通過(guò)架橋絮凝作用形成大尺寸絮團(tuán)的過(guò)程中，絮團(tuán)內(nèi)部和絮團(tuán)之間存在大量封閉的水分[4?5].結(jié)構(gòu)疏松的大尺寸絮團(tuán)、密度低、內(nèi)部的顆粒間黏結(jié)作用小、絮團(tuán)強(qiáng)度低，容易受拉力和剪切力作用而破碎[6]. 在濃密過(guò)程中耙架剪切作用力和重力作用是尾礦絮團(tuán)的主要原因，大尺寸絮團(tuán)破碎生成小尺寸絮團(tuán)，封閉水分隨之釋放排出[7]. 絮團(tuán)破碎一定程度上減緩了絮團(tuán)生成速率，使系統(tǒng)最終會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài). 絮團(tuán)封閉水分隨絮團(tuán)破碎重列逐漸排出，最終絮團(tuán)結(jié)構(gòu)達(dá)到致密化的穩(wěn)定狀態(tài).

尾礦濃密過(guò)程中，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)時(shí)刻變化，這是絮團(tuán)本身性質(zhì)與水動(dòng)力條件相互作用的結(jié)果. 濃密機(jī)的耙架剪切作用，以及絮團(tuán)直徑、密度、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等性質(zhì)顯著影響絮團(tuán)密實(shí)化程度，決定了尾礦脫水性能[8]. 因此，研究絮團(tuán)直徑的測(cè)量（取樣方式和觀(guān)測(cè)技術(shù)）和水動(dòng)力條件（耙架剪切速率、初始泥層高度、料漿濃度等[9]）對(duì)絮團(tuán)直徑的影響十分關(guān)鍵.

絮團(tuán)的基本形態(tài)隨著生長(zhǎng)而重復(fù)，屬于典型的分形物體，因此基于圖像分析技術(shù)的分形維數(shù)被作為描述絮團(tuán)結(jié)構(gòu)形態(tài)的主要參數(shù)之一[4]. 在尾礦濃密過(guò)程中，料漿渾濁固體濃度高且絮團(tuán)結(jié)構(gòu)細(xì)微，難以直接觀(guān)測(cè)，傳統(tǒng)研究方式采用高清相機(jī)、光散射分析儀、顯微鏡和掃描電鏡、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描等技術(shù)均是在取樣后進(jìn)行觀(guān)測(cè)，再得到絮團(tuán)結(jié)構(gòu)圖像后通過(guò)圖像處理獲得絮團(tuán)特征參數(shù)[10]. 然而，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)具有易破碎性，如何確保提取絮團(tuán)樣品觀(guān)測(cè)時(shí)不對(duì)絮團(tuán)產(chǎn)生擾動(dòng)而破壞絮團(tuán)結(jié)構(gòu)就顯得十分重要. 通常在采用移液管、負(fù)壓抽取和蠕動(dòng)泵抽取等常規(guī)絮團(tuán)樣品取樣方法[11]，或者稀釋制樣時(shí)，均無(wú)法避免絮團(tuán)原始結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，造成檢測(cè)結(jié)果失真. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值仿真方法得到了大規(guī)模應(yīng)用，研究者采用群體平衡模型描述絮團(tuán)的聚集和破碎[12?13]，解釋濃密機(jī)中的流體流動(dòng)、固體分布和絮凝的聚集/破碎動(dòng)力學(xué)，為重力濃密機(jī)的性能和操作提供了重要的見(jiàn)解，但數(shù)值模擬偏重于理論研究，工業(yè)化全尺寸的濃密機(jī)模型需耗費(fèi)大量算力.

采用是聚焦光束反射測(cè)量（Focused beam reflectance measurement，F(xiàn)BRM）技術(shù)和顆粒錄像顯微鏡（Particle video microscope，PVM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)濃密過(guò)程絮團(tuán)的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)，是解決上述取樣和觀(guān)測(cè)難題的有效途徑之一. FBRM可在原位條件下，在線(xiàn)追蹤顆粒和液滴的變化情況，實(shí)時(shí)反映顆粒的弦長(zhǎng)值（通常視為粒徑）和顆粒數(shù)量、分布特征等信息，消除了取樣和制樣帶來(lái)的負(fù)面影響. PVM具備自動(dòng)照明和在線(xiàn)獲取高分辨率的顆粒圖像功能，可實(shí)現(xiàn)顆粒粒徑和濃度的實(shí)時(shí)變化[14]. 本文基于金屬礦尾砂膏體濃密室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)FBRM系統(tǒng)和，對(duì)濃密過(guò)程絮團(tuán)狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)原位監(jiān)測(cè)，分析絮團(tuán)直徑和分布情況，結(jié)合圖像分析對(duì)絮團(tuán)密實(shí)化過(guò)程的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)尾礦來(lái)自于某銅礦，全尾砂密度平均為2.72 t·m?3. 經(jīng)粒徑分析可知?200 目粒徑平均為78%；?400目粒徑平均為48.27%. 由粒徑分布曲線(xiàn)（圖1），可見(jiàn)全尾砂粒徑分布均勻，適宜采用膏體濃密機(jī)脫水制備高濃度尾礦料漿.

圖1 全尾砂粒徑分布曲線(xiàn)Fig.1 Particle size distribution of tailings

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

尾砂濃密系統(tǒng)由濃密機(jī)實(shí)驗(yàn)柱、攪拌裝置組成. 濃密實(shí)驗(yàn)柱直徑為 20 cm、高度為 100 cm，在垂直方向每隔20 cm設(shè)有一個(gè)取樣口. 攪拌裝置由電機(jī)、電機(jī)控制系統(tǒng)及耙架組成，實(shí)現(xiàn)了耙架轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制. 尾砂濃密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了尾砂的動(dòng)態(tài)濃密、耙架轉(zhuǎn)速控制，還原工業(yè)濃密機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).

實(shí)驗(yàn)以耙架剪切速度、剪切時(shí)間和初始泥層高度實(shí)驗(yàn)因素，耙架剪切速度設(shè)置為0，0.1，1和10 r·min?1，泥層高度為 75，45 和 25 cm. 首先將全尾砂加入適量清水，配置固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的全尾砂料漿，另配置 15 g·t?1的絮凝劑溶液待用. 組裝濃密實(shí)驗(yàn)柱和耙架轉(zhuǎn)動(dòng)控制器后，將ParticleTrack G400型 FBRM 探頭，Particle view V19型 PVM 探頭安裝到1#、2#位置，分別距離濃密機(jī)底部的垂直高度為10和20 cm. 實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)耙架尺寸和傳感器安裝示意如圖2.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of experimental system

保持尾砂料桶內(nèi)尾砂漿均勻，絮凝劑溶液制備后靜置，開(kāi)啟尾礦和絮凝劑給料泵向裝滿(mǎn)清水的濃密實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)注入尾礦料漿和絮凝劑溶液. 待泥層高度達(dá)到預(yù)設(shè)值后停止給料，開(kāi)啟底流循環(huán)泵使料漿在實(shí)驗(yàn)濃密柱內(nèi)重新達(dá)到均勻分布狀態(tài)，調(diào)整耙架轉(zhuǎn)速并開(kāi)啟監(jiān)測(cè)FBRM和PVM系統(tǒng).

2 分析方法

絮團(tuán)直徑是絮團(tuán)強(qiáng)度在剪切作用下的宏觀(guān)體現(xiàn)，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)表征絮團(tuán)內(nèi)部鏈接鍵數(shù)量、強(qiáng)度和鏈接方式，直接關(guān)系著絮團(tuán)強(qiáng)度[15]. 絮團(tuán)強(qiáng)度是指絮團(tuán)所能承受的最大外部作用力，由基本顆粒之間的相互作用力、固體體積分?jǐn)?shù)和基本顆粒尺寸，以及基本顆粒在絮團(tuán)中排列方式所決定. 絮團(tuán)強(qiáng)度決定了絮團(tuán)破裂程度，當(dāng)絮團(tuán)受到的外部力大于此值時(shí)，絮團(tuán)即會(huì)發(fā)生破碎生成小絮團(tuán)[3]. 由于絮團(tuán)直徑d是絮團(tuán)凝聚力J和動(dòng)態(tài)能量耗散率 ε的函數(shù)，如式（1）所示, 可知在不同剪切速率G條件下，絮團(tuán)直徑（最大穩(wěn)定絮團(tuán)直徑dmax或平均絮團(tuán)直徑davg）可由式（2）進(jìn)行描述[16].

式中，Cavg/max為絮團(tuán)直徑或最大穩(wěn)定絮團(tuán)直徑的絮團(tuán)強(qiáng)度表征系數(shù)， γavg/max為絮團(tuán)破裂表征系數(shù).它們是絮團(tuán)在濃密過(guò)程中的表征常數(shù)，代表著基本顆粒間的相互作用類(lèi)型和程度、基本粒子的數(shù)量和尺寸，以及料漿密度和黏度等參數(shù).

在流體動(dòng)力學(xué)中，通常引入液體動(dòng)態(tài)黏度 μ ，來(lái)描述全局剪切速率G[17]：

在尾礦膏體濃密實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，Pi為濃密柱體內(nèi)攪拌耗散的能量：

因此，全局剪切速率G可以整理為：

式中，V為濃密機(jī)柱體體積， μ為液體動(dòng)態(tài)黏度，ω為耙架剪切角速度，f為耙架攪拌頻率，M為耙架扭矩，ρ為流體密度.

由于式（2）為降冪函數(shù)，可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下采用線(xiàn)性方程來(lái)進(jìn)行替代[6]：

絮團(tuán)破碎主要受拉力和剪切力等影響，絮團(tuán)破裂現(xiàn)象是由剪切破壞力F和凝聚力J之間的平衡產(chǎn)生的，即與流體動(dòng)力應(yīng)力和絮團(tuán)強(qiáng)度有關(guān)[18]. 絮團(tuán)破裂程度Br為：

剪切破壞力F可按式（8）進(jìn)行估算[19]：

式中，σ為施加在絮團(tuán)的流體動(dòng)力應(yīng)力. 而流體動(dòng)力應(yīng)力[20]為：

絮團(tuán)凝聚力J反映絮團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征如凝聚顆粒的數(shù)量、尺寸，以及絮團(tuán)強(qiáng)度等綜合特征，決定了顆粒所形成的絮團(tuán)破壞形式和程度，受流體力學(xué)條件、液相組成、以及主要顆粒材料和表面性質(zhì)的影響[20]. 根據(jù)絮體凝聚力的理論模型[21]，使用分形維數(shù)方法進(jìn)行估算：

綜合上述公式，尾礦濃密過(guò)程絮團(tuán)破裂程度可采用式（11）計(jì)算：

其中， ρ0為尾礦密度， ρw為水的密度，DF為絮團(tuán)分形維數(shù).

根據(jù)式（11）如果絮團(tuán)可以承受流體動(dòng)力應(yīng)力破壞，則Br小于1，絮團(tuán)不會(huì)被剪切破壞；如果Br大于1，流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)力就會(huì)破壞絮團(tuán)結(jié)構(gòu). 當(dāng)剪切破壞力和凝聚力相當(dāng)時(shí)，絮體會(huì)保持大小不變或增長(zhǎng)[22].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 絮團(tuán)直徑演化的階段性

按照FBRM測(cè)量的絮團(tuán)直徑，將尾礦濃密過(guò)程絮團(tuán)直徑分為 10 μm 的小尺寸絮團(tuán)、10～100 μm的中等尺寸絮團(tuán)以及100 μm以上的大尺寸絮團(tuán).尾礦絮團(tuán)沉降至膏體濃密機(jī)底部迅速發(fā)育，不斷碰撞、黏結(jié)形成更大絮團(tuán)，表現(xiàn)為絮團(tuán)直徑不斷增大直到最大值. 在持續(xù)剪切作用下，絮團(tuán)發(fā)生破裂，絮團(tuán)重構(gòu)，各尺寸絮團(tuán)分布逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡. 大尺寸絮團(tuán)數(shù)量峰值和小尺寸絮團(tuán)數(shù)量峰值出現(xiàn)的時(shí)間和對(duì)應(yīng)顆粒數(shù)量在不同剪切條件和初始泥層高度條件下存在明顯差異. 總體來(lái)說(shuō)，耙架剪切速率低和泥層高度大的條件下，絮團(tuán)發(fā)育程度更好，在經(jīng)歷較長(zhǎng)的剪切作用后，絮團(tuán)破碎重構(gòu)程度更高. 根據(jù)絮團(tuán)平均直徑的變化規(guī)律，按照絮團(tuán)直徑峰值拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻，大致可將尾礦濃密過(guò)程絮團(tuán)密實(shí)化分為3個(gè)階段[23]：絮團(tuán)生長(zhǎng)期、絮團(tuán)重構(gòu)期和絮團(tuán)破碎期.

如圖3所示，在不同剪切速率條件下，第1階段內(nèi)，耙架轉(zhuǎn)速ω=0.1 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最大值約為 226 μm，10 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最大值為123 μm，1 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最大值為 100 μm，0 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最大值為 55 μm. 低轉(zhuǎn)速的剪切條件下的絮團(tuán)生長(zhǎng)達(dá)到的尺寸較大，高強(qiáng)度的剪切造成絮團(tuán)聚結(jié)生長(zhǎng)的幾率降低. 在無(wú)剪切條件下，絮團(tuán)第1階段生長(zhǎng)期時(shí)間最短，絮團(tuán)直徑峰值最小.

圖3 不同剪切條件下絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)變化曲線(xiàn)Fig.3 Average chord length of aggregates under different shear conditions

第2階段在耙架剪切條件下絮團(tuán)經(jīng)歷破碎分散又重新聚合，絮團(tuán)直徑由最大值降低，再增長(zhǎng)至次高值，在耙架轉(zhuǎn)速 1 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑變化程度最大；無(wú)剪切條件下，絮團(tuán)重構(gòu)現(xiàn)象不明顯. 第3階段大尺寸疏松結(jié)構(gòu)的絮團(tuán)在持續(xù)的剪切作用下，不斷的破裂重構(gòu)形成中等尺寸和小尺寸的絮團(tuán)，直到最終絮團(tuán)密實(shí)化，最終絮團(tuán)直徑保持穩(wěn)定. 其中耙架轉(zhuǎn)速 0.1 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最終值約為 34 μm，10 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最終值為32 μm，1 r·min?1條件下絮團(tuán)直徑最終值為 35 μm，耙架轉(zhuǎn)速為0條件下絮團(tuán)直徑最終值為31 μm.

在有耙架剪切和無(wú)耙架剪切條件下，絮團(tuán)最終穩(wěn)定的尺寸相近. 同時(shí)，由不同耙架轉(zhuǎn)速條件下絮團(tuán)各階段的時(shí)間特征來(lái)看，耙架轉(zhuǎn)速為0時(shí)，絮團(tuán)生長(zhǎng)期最短 (t1=60 s)，絮團(tuán)重構(gòu)期最長(zhǎng) (t2?t1=867 s)；耙架轉(zhuǎn)速 0.1 r·min?1時(shí)，絮團(tuán)生長(zhǎng)期最長(zhǎng) (t1=464 s)，絮團(tuán)重構(gòu)期最短 (t2?t1=738 s). 因此，合理的剪切速率有利于絮團(tuán)直徑生長(zhǎng)和絮團(tuán)快速破裂重構(gòu)，但過(guò)高的剪切速率則作用相反.

在不同初始泥層高度條件下，第1階段絮團(tuán)生長(zhǎng)期，絮團(tuán)數(shù)量增多，且尺寸增大明顯，其主要原因是該時(shí)期內(nèi)絮團(tuán)數(shù)量增加，相互碰撞聚結(jié)導(dǎo)致尺寸增大. 初始泥層高度75和45 cm的絮團(tuán)直徑峰值約為226和159 μm，初始泥層高度25 cm條件下絮團(tuán)直徑峰值為90 μm. 第2階段絮團(tuán)重構(gòu)期，當(dāng)形成的松散的大尺寸絮團(tuán)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，攪拌剪切力的作用使大顆粒破碎并分散，同時(shí)小尺寸絮團(tuán)之間出現(xiàn)聚集，生長(zhǎng)成粒徑較大的絮團(tuán)，因此絮團(tuán)直徑在一定時(shí)間段內(nèi)重復(fù)增長(zhǎng). 第3階段絮團(tuán)破碎期，初始泥層高度75、45和25 cm條件下，絮團(tuán)最終尺寸為 34、42 和 27 μm.

由不同初始泥層高度條件下絮團(tuán)直徑演化特征（圖4）來(lái)看，初始泥層高度75 cm條件下絮團(tuán)的生長(zhǎng)階段時(shí)間更長(zhǎng)，絮團(tuán)直徑峰值最高，重構(gòu)期較長(zhǎng)；初始泥層高度25 cm條件下，絮團(tuán)的生長(zhǎng)階段時(shí)間最短，絮團(tuán)直徑峰值最小，無(wú)明顯重構(gòu)期.

圖4 不同初始泥層高度條件下絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)變化曲線(xiàn)Fig.4 Average chord length of aggregates under different initial mud bed heights

3.2 絮團(tuán)分形維數(shù)和孔隙率的關(guān)系

絮團(tuán)直徑是絮團(tuán)特征的重要參數(shù)，絮團(tuán)形狀和絮團(tuán)直徑的不同是絮團(tuán)結(jié)構(gòu)差異最直觀(guān)的表現(xiàn)，絮團(tuán)直徑的變化伴隨著絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化. 相較使用絮團(tuán)形狀或尺寸參數(shù)來(lái)表示絮團(tuán)結(jié)構(gòu)特性，使用分形維數(shù)更能體現(xiàn)絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征，主要是因?yàn)樾鯃F(tuán)的密實(shí)度的差異（比如絮團(tuán)的孔隙率、絮團(tuán)密度）可以通過(guò)絮團(tuán)的分形特征體現(xiàn)出來(lái)[10].

對(duì)PVM獲取的絮團(tuán)原始圖像進(jìn)行噪聲處理，使圖像灰度分布均勻，針對(duì)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)顆粒堆積及水分分布的特點(diǎn)，利用尾礦固體顆粒和水分的像素灰度值的面積和分布狀態(tài)，通過(guò)閾值進(jìn)行兩者的差異化分類(lèi). 處理過(guò)程中，圖像中的水分和絮團(tuán)都是由各自灰度值相近的像素構(gòu)成，絮團(tuán)或尾砂顆粒和水分的圖像灰度值具有明顯差異，通過(guò)閾值的選取進(jìn)行固液兩相物質(zhì)的相互區(qū)分. 分形維數(shù)是絮團(tuán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的體現(xiàn)，其分形維數(shù)的大小和絮團(tuán)中基本顆粒的聚集模式密切相關(guān).

根據(jù)FBRM實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)濃密過(guò)程原位絮團(tuán)直徑和分布情況，選取絮團(tuán)直徑顯著變化時(shí)刻的PVM圖像進(jìn)行分形維數(shù)和孔隙率的分析. 由于圖片數(shù)量大，難以一一羅列，在此僅列出初始泥層高度 75 cm 耙架轉(zhuǎn)速 0.1 r·min?1條件下，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化不同階段內(nèi)的部分典型PVM圖片，如圖5所示.分別根據(jù)不同剪切速率下和不同初始泥層高度PVM系統(tǒng)獲取的典型絮團(tuán)顯微圖像，獲取相應(yīng)的絮團(tuán)分形維數(shù)DF和孔隙率δ值，并繪制不同剪切速率條件下絮團(tuán)分形維數(shù)和孔隙率的關(guān)系曲線(xiàn)（圖6）和不同初始泥層高度條件下絮團(tuán)分形維數(shù)和孔隙率的關(guān)系曲線(xiàn)（圖7）.

圖5 初始泥層高度 75 cm 耙架轉(zhuǎn)速 0.1 r·min?1 條件下不同時(shí)刻的絮團(tuán)結(jié)構(gòu) PVM 圖像Fig.5 PVM image of aggregate structure at different time under initial mud bed height of 75 cm and rake frame rotating speed of 0.1 r·min?1

圖6 不同剪切速率條件下絮團(tuán)分形維數(shù)和孔隙率的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different shear rates

圖7 不同初始泥層高度條件下絮團(tuán)分形維數(shù)和孔隙率的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different initial mud bed heights

由此可知，分形維數(shù)隨孔隙率上升而降低的趨勢(shì)，二者擬合可呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[24]. 在耙架轉(zhuǎn)速為 0 r·min?1時(shí)，絮團(tuán)分形維數(shù)較低，顯示出無(wú)剪切作用下，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)較為松散. 耙架轉(zhuǎn)速 0.1 r·min?1時(shí)絮團(tuán)分形維數(shù)較高，表明合理的剪切速率有利于絮團(tuán)密實(shí)化，可促進(jìn)料漿脫水. 初始泥層高度75 cm時(shí)，絮團(tuán)分形維數(shù)最高，絮團(tuán)密實(shí)程度更高，脫水程度更高. 但初始泥層高度25和45 cm時(shí)，絮團(tuán)分形維數(shù)并未隨泥層高度上升而增加，推測(cè)泥層過(guò)低時(shí)，耙架攪拌作用破壞絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，提高了密實(shí)程度.

3.3 剪切速率和初始泥層高度對(duì)絮團(tuán)直徑的影響

實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)采用的耙架由一根中心傳動(dòng)軸、兩根水平橫梁、左右對(duì)稱(chēng)的3根導(dǎo)水桿組成，水平橫梁用于固定豎直導(dǎo)水桿. 尾礦濃密過(guò)程一般采用的濃密機(jī)耙架剪切速率在 1 到 20 s?1之間[25]，且隨泥層內(nèi)高度位置的不同而變化，本文采用平均剪切速率G計(jì)算絮團(tuán)強(qiáng)度. 根據(jù)式（1）～（6），繪制不同剪切條件下，絮團(tuán)的最大尺寸與平均粒徑的分布情況，可知剪切速率的增加造成絮團(tuán)平均尺寸和絮團(tuán)最大尺寸減小，但絮團(tuán)直徑減小的速率隨剪切速率上升而增大，如圖8.

圖8 耙架剪切速率與絮團(tuán)直徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between shear rate of rake and aggregate diameter

同時(shí)，繪制不同初始泥層高度H條件，絮團(tuán)的最大尺寸與平均粒徑的分布情況，可知隨初始泥層高度增加，絮團(tuán)最大尺寸與絮團(tuán)平均粒徑都呈現(xiàn)增大趨勢(shì). 初始尾礦料漿濃度高，顆粒碰撞幾率增大，有利于提升絮團(tuán)直徑，如圖9所示.

圖9 初始泥層高度與絮團(tuán)直徑的關(guān)系Fig.9 Relationship between initial mud layer height and aggregate diameter

3.4 全尾砂濃密過(guò)程中絮團(tuán)破裂程度演化規(guī)律

將實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)在 0、0.1、1 和 10 r·min?1條件下的平均剪切速率值，以及FBRM測(cè)量濃密過(guò)程各時(shí)刻的絮團(tuán)弦長(zhǎng)值作為絮團(tuán)直徑代入式（10）.當(dāng)Br=1時(shí)，可得絮團(tuán)分形維數(shù)平均值為DF=2.2，即當(dāng)絮團(tuán)分形維數(shù)大于2.2時(shí)，剪切破壞力大于絮團(tuán)凝聚力（F>J），絮團(tuán)處于破碎階段；當(dāng)絮團(tuán)分形維數(shù)等于2.2左右時(shí)，絮團(tuán)凝聚力大致與剪切破壞力平衡(F≈J)，絮團(tuán)保持相對(duì)重構(gòu)階段；當(dāng)絮團(tuán)分形維數(shù)小于2.2時(shí)，剪切破壞力大于絮團(tuán)凝聚力（F

根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的6組PVM圖像分形維數(shù)和對(duì)應(yīng)時(shí)間，在圖10中繪制DF=2.2的分割線(xiàn)對(duì)應(yīng)于F=J，則絮團(tuán)生長(zhǎng)階段大致發(fā)生于t=0～1700 s時(shí)間段內(nèi)，1700 s附近絮團(tuán)處于重構(gòu)階段，重構(gòu)階段后絮團(tuán)進(jìn)入破碎階段.

圖10 不同實(shí)驗(yàn)條件下的絮團(tuán)破裂程度與絮團(tuán)分析維數(shù)和剪切時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship of aggregate breakage with fractal dimension and shear time under different test conditions

4 結(jié)論

（1）根據(jù)FBRM系統(tǒng)分析絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)變化規(guī)律，將尾礦濃密過(guò)程絮團(tuán)密實(shí)化過(guò)程分為絮團(tuán)生長(zhǎng)期、絮團(tuán)重構(gòu)期和絮團(tuán)破碎期3個(gè)階段. 同時(shí)，根據(jù)PVM系統(tǒng)獲取的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)圖像分析，可知分形維數(shù)DF與孔隙率δ值呈負(fù)相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

（2）提高剪切速率和初始泥層高度有利于絮團(tuán)直徑生長(zhǎng)和絮團(tuán)快速破裂重構(gòu)，脫水效率更高，但過(guò)高的剪切速率則對(duì)絮團(tuán)重構(gòu)程度和脫水效率的影響下降. 實(shí)驗(yàn)條件下，合理的剪切速率為0.1 r·min?1，初始泥層高度為 75 cm.

（3）絮團(tuán)平均直徑與剪切速率呈雙對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，剪切速率增加造成絮團(tuán)平均直徑減小，且絮團(tuán)平均直徑減小的速率隨剪切速率上升而增大.絮團(tuán)平均直徑與初始泥層高度呈正相關(guān)關(guān)系，初始泥層高度增加，絮團(tuán)平均直徑都呈現(xiàn)增大趨勢(shì).

（4）采用絮團(tuán)凝聚力與剪切破壞力的平衡關(guān)系，基于絮團(tuán)直徑和絮團(tuán)分形維數(shù)，揭示了尾礦濃密過(guò)程絮團(tuán)密實(shí)化的3個(gè)階段演化規(guī)律.