王洪江，彭青松，楊 瑩 ，郭佳賓

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083

3) 金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量仍大幅攀升. 作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，礦業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了不可替代的作用[1]. 據(jù)不完全統(tǒng)計，我國礦山開發(fā)規(guī)模居世界第三位，年采掘量達(dá)50億噸. 地下和露天開采中，每年產(chǎn)生的尾砂量達(dá)到6億噸以上[2]. 金屬礦尾砂濃密技術(shù)通過高效固液分離的方法，使尾砂漿達(dá)到高濃度或膏體狀態(tài)，用于地表堆存或地下充填. 尾砂膏體處置不僅能夠顯著提高尾砂利用率，還能保障地下采空區(qū)安全作業(yè)，減輕重金屬離子對環(huán)境的污染，成為綠色礦山建設(shè)的重要手段.

經(jīng)過多年的探索與實踐，在濃密工藝、濃密設(shè)備和濃密理論等方面，尾砂濃密技術(shù)均取得重大突破. 本文概述了金屬礦尾砂濃密脫水技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)了尾砂絮凝沉降、床層壓縮和重力濃密理論的最新研究進(jìn)展，指出了現(xiàn)階段尾砂濃密的主要研究方法和觀測手段. 最后，提出了尾砂濃密技術(shù)個性化、自動化和智能化的發(fā)展方向.

1 尾砂濃密技術(shù)歷史與現(xiàn)狀

尾砂的原始狀態(tài)是選礦廠排出的低濃度尾砂漿，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為20%～30%. 尾砂主要處置手段為井下充填和地表堆存，低濃度尾砂漿易造成尾砂地表堆存和井下充填效果較差. 傳統(tǒng)的地表濕式直排技術(shù)容易造成潰壩[3]、重金屬污染[4]和揚塵等危害；低濃度尾砂充填也存在沉縮率大、充填體強(qiáng)度低等問題[5]. 因此，將尾砂從低濃度濃縮到高濃度以滿足高濃度充填或堆存的需要，尤其重要.

尾砂濃縮主要分為過濾與濃密兩種方式，然而，前者的能力小、能耗高，限制了其在金屬礦的大規(guī)模應(yīng)用. 而后者克服了上述缺陷，成為尾砂脫水的主要技術(shù). 尾砂濃密技術(shù)就是將選礦產(chǎn)生的低濃度尾砂料漿濃縮制備成高濃度料漿的技術(shù)，主要采用濃密機(jī)等設(shè)備，結(jié)合絮凝沉降等手段，使尾砂濃密效率和脫水效果得到了極大程度的改善.

1.1 尾砂濃密設(shè)備的發(fā)展歷程

尾砂濃密技術(shù)的發(fā)展得益于尾砂濃密理論的發(fā)展，與此同時，設(shè)備也得到不斷改進(jìn). 筆者將尾砂濃密設(shè)備發(fā)展分為三個階段：普通濃密機(jī)階段、高效濃密機(jī)階段和膏體濃密機(jī)階段，隨著設(shè)備的發(fā)展，尾砂濃密效率和底流濃度不斷提高.

（1）普通濃密機(jī)階段.

現(xiàn)代濃密機(jī)的起點可以追溯到1905年Dorr濃密機(jī)的發(fā)明[6]. 它使稀釋尾砂漿的連續(xù)脫水成為可能. 普通濃密機(jī)是重力濃密設(shè)備的典型代表，它的理論基礎(chǔ)是顆粒自由沉降，可實現(xiàn)顆粒的沉降分層并在池底進(jìn)一步壓實. 濃密機(jī)的處理量及溢流中的固體含量主要取決于顆粒的沉降速度. 根據(jù)Stokes定律，固體顆粒的沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，與固體顆粒和其周圍介質(zhì)的密度差成正比，同時不同濃度的尾砂漿固體沉降速率不同[7].

（2）高效濃密機(jī)階段.

隨著礦石回收率提高，磨礦粒度更細(xì)，尾砂顆粒的重力作用更弱. 此時，單純依靠尾砂顆粒的重力難以自由沉降，導(dǎo)致上清液渾濁，難以獲得較高濃度的底流物. 由此，人們引入絮凝技術(shù)，從而加快尾砂顆粒沉降[8]，并由此發(fā)展出與之匹配的高效濃密機(jī). 為了滿足較高底流濃度和較高處理量的要求，國外于20世紀(jì)60年代，開始推廣高效濃密機(jī). 我國于1984年成功研制了GX-3.6高效濃密機(jī)，現(xiàn)已用于工業(yè)生產(chǎn)中[9]. 高效濃密機(jī)結(jié)構(gòu)與普通濃密機(jī)相似，主要區(qū)別在于：①增加了絮凝劑稀釋和添加裝置，使尾砂與絮凝劑得到有效地混合；②增加進(jìn)料井的深度；③設(shè)有自動控制系統(tǒng)，主要是控制絮凝劑添加量和泥層高度等參數(shù)[10].

（3）膏體濃密機(jī)階段.

為了進(jìn)一步提高底流濃度、降低溢流水濁度，在高效濃密機(jī)基礎(chǔ)上，國外研發(fā)出專供尾砂濃密使用的膏體濃密機(jī). 它適用于微細(xì)粒物料的處理，能夠?qū)⒌蜐舛任采皾{直接濃縮成膏狀底流. 與高效濃密機(jī)相比，膏體濃密機(jī)提高了濃密機(jī)高度以增大濃密機(jī)底部壓力，開發(fā)了不同原理的自稀釋系統(tǒng)以改善絮凝效果，增設(shè)了濃密機(jī)體外循環(huán)系統(tǒng)以控制底流濃度過高的問題.

1.2 尾砂濃密工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

以濃密機(jī)為核心的重力脫水工藝[11]具有流程短、成本低、底流濃度適中、處理能力大的優(yōu)點，得到國內(nèi)外礦山充填領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[12].

（1） 濃密機(jī)與其他設(shè)備聯(lián)合脫水工藝.

為實現(xiàn)尾砂高效脫水，常將不同固液分離技術(shù)聯(lián)合使用以提高脫水效率. 常見的聯(lián)合脫水工藝有多段聯(lián)合脫水工藝和兩段聯(lián)合脫水工藝兩種.

常見的多段聯(lián)合脫水工藝，是運用多種設(shè)備，將尾砂制備成濾餅. 首先，將尾砂漿送至水力旋流器，其沉砂經(jīng)過帶式真空過濾或高頻振動脫水篩，脫水后得到高濃度濾餅，水力旋流器溢流排往濃密機(jī)；濃密機(jī)進(jìn)行一定脫水后提高尾砂濃度，再同尾砂漿一同進(jìn)入水力旋流器，構(gòu)成一個閉合循環(huán).處理后得到的尾砂含水量小于20%，但處理能力小，適用于小型選礦廠[13].

兩段聯(lián)合脫水工藝則分為“旋流器+濃密機(jī)”聯(lián)合工藝以及“濃密機(jī)+過濾”聯(lián)合工藝兩種. 前者將尾砂漿送至旋流器，底流形成濃縮尾砂，構(gòu)成最終產(chǎn)品；溢流則送入濃密機(jī)中進(jìn)行脫水后，再同尾砂漿一同進(jìn)入水力旋流器，構(gòu)成一個閉合循環(huán).后者則是先將尾砂送入濃密機(jī)中脫水，濃密機(jī)底流再進(jìn)入壓濾機(jī)進(jìn)一步脫水，尾砂最終以濾餅的形式排出.

在上述的聯(lián)合脫水工藝中，濃密機(jī)主要采用高效濃密機(jī)，用于處理細(xì)顆粒尾砂，發(fā)揮澄清溢流水的作用. 聯(lián)合脫水工藝主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的分級尾砂充填、干式排尾等尾砂處置技術(shù)中.

（2） 濃密機(jī)一段脫水工藝.

膏體濃密機(jī)可直接處理超細(xì)顆粒含量多的全尾砂，具有占地面積小、連續(xù)作業(yè)處理能力大、底流濃度高等優(yōu)點. 由此可見，僅采用膏體濃密機(jī)單一設(shè)備即可處理全尾砂，能達(dá)到膏體堆存和膏體充填的濃度要求，大大簡化了全尾砂濃密脫水工藝，是尾砂濃密技術(shù)的重大進(jìn)展，在膏體充填領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用.

1.3 尾砂濃密機(jī)技術(shù)應(yīng)用案例

會澤鉛鋅礦膏體充填系統(tǒng)[14]于2006年建成，尾砂濃密脫水采用一段脫水工藝，這是我國第一次采用膏體濃密機(jī)進(jìn)行全尾砂濃密. 該膏體濃密機(jī)直徑為11 m，高度為16 m，有效容積為1110 m3，滿足550 m3·d-1的平均充填量需要. 尾砂漿從選廠泵送而來的入料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%，經(jīng)絮凝沉降、濃密脫水后的尾砂漿底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)71%～75%.

新疆滴水銅礦由于當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?，水資源寶貴，同時地勢開闊，蒸發(fā)量大等因素，膏體堆存成為其尾砂首選的處置方式[15]. 該礦尾砂粒度小，含泥量高，沉降脫水困難，因此采用膏體濃密機(jī)作為濃密設(shè)備，其直徑為18 m，側(cè)壁深為18 m. 膏體堆存工藝系統(tǒng)投產(chǎn)后，日處理干礦量約 4000 t；尾砂漿底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61% 左右；溢流基本為清水，回水利用率接近 80%.

Khumani鐵礦位于南非北開普省[16]. 礦山所處地區(qū)為半干旱氣候，蒸發(fā)量大，水資源匱乏，用水受到嚴(yán)格的限制. 該礦為提高水資源的利用效率，同時因地制宜，采用膏體堆存作為尾礦處置方式.礦山選用兩臺濃密機(jī)，主濃密機(jī)直徑為90 m，膏體濃密機(jī)直徑為18 m. 主濃密機(jī)可回收大部分的水，主濃密機(jī)底流泵送至膏體濃密機(jī)進(jìn)一步濃密，得到的膏體泵送至堆存地點. 其采用的膏體濃密機(jī)側(cè)壁高度為12 m，底部錐角為30°，處理能力在147 t·h-1到 300 t·h-1之間，尾砂漿底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高能達(dá)到70%.

2 尾砂濃密理論研究現(xiàn)狀

尾砂濃密理論是尾砂濃密技術(shù)的理論基礎(chǔ)，主要包含尾砂絮凝理論、床層壓縮理論和重力濃密理論三個方面.

2.1 尾砂絮凝理論

絮凝理論是尾砂濃密的理論基礎(chǔ)，主要考察絮凝劑分子對尾砂顆粒的捕捉作用. 根據(jù)絮凝劑種類和數(shù)量，絮凝理論可以分為單一絮凝理論和多重絮凝理論.

（1）單一絮凝理論.

尾砂絮凝是向分散的懸浮膠體溶液中加入絮凝劑，通過電荷中和、吸附、架橋和交聯(lián)等作用[17]，促使水中膠體微粒聚集. 尾砂絮凝影響因素眾多，除絮凝劑和尾砂的自身屬性外，尾砂入料濃度、入料流量、絮凝劑單耗、絮凝劑溶液濃度、pH值及剪切作用等均對尾砂絮凝沉降有影響[2]. 目前在尾砂濃密方面應(yīng)用較多的主要為有機(jī)高分子絮凝劑，其絮團(tuán)生成快、顆粒大，沉降速度快[18].

（2）多重絮凝理論.

多重絮凝是指采用兩種或兩種以上的絮凝劑/混凝劑對尾砂進(jìn)行固液分離的過程. 國內(nèi)外研究學(xué)者認(rèn)為，相比于單聚合物，雙聚合物系統(tǒng)在細(xì)顆粒捕獲和形成更大的絮團(tuán)方面有顯著優(yōu)勢，獲得的上清液濁度低、絮團(tuán)沉降速度快[19-21].

對于多重絮凝機(jī)理，目前較為流行的觀點認(rèn)為[22]，初次絮凝劑通過電中和/架橋作用與尾砂漿中的細(xì)顆粒結(jié)合形成初始絮團(tuán)，初始絮團(tuán)再與二次絮凝劑結(jié)合形成最終絮團(tuán). 因此，適當(dāng)添加帶相反電荷的聚合物，以增強(qiáng)絮凝效果[23]. 除了影響單一絮凝劑使用效果的因素外，多重絮凝效果的主要影響因素還包括絮凝劑組合類型[24]、絮凝劑添加方式[25]和絮凝劑的添加順序[26]等.

2.2 床層壓縮理論

床層壓縮理論是尾砂濃密的重要依據(jù)，主要考察靜態(tài)/動態(tài)壓縮條件下，絮團(tuán)變形過程中的固液分離. 床層壓縮理論主要包括靜態(tài)/動態(tài)絮團(tuán)壓縮變形理論、剪切導(dǎo)水理論等.

（1）靜態(tài)/動態(tài)絮團(tuán)壓縮變形理論.

絮團(tuán)壓縮變形是指在重力作用下，一定厚度的絮團(tuán)得到壓縮，并釋放其內(nèi)部水分，實現(xiàn)尾砂與水進(jìn)一步分離. 絮團(tuán)壓縮方式主要分為靜態(tài)壓縮和動態(tài)壓縮兩種. 靜態(tài)壓縮主要研究形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮團(tuán)，進(jìn)入壓密區(qū)域后，因重力作用發(fā)生尾砂脫水的現(xiàn)象. 靜態(tài)壓縮研究中，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和內(nèi)部含水量是影響脫水效果的重要因素[27-29]. 動態(tài)壓縮研究，除了借助絮團(tuán)本身的重力作用外，還通過濃密機(jī)耙架的剪切作用，進(jìn)一步改善壓密區(qū)床層的脫水效果. 此時，剪切作用比重力作用的影響更大. 耙架結(jié)構(gòu)[30]、轉(zhuǎn)速[31]等也是影響尾砂脫水效果的主要因素.

為了進(jìn)一步探討絮團(tuán)壓縮變形的內(nèi)在規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者針對濃密機(jī)內(nèi)不同階段絮團(tuán)的形成和演化展開研究. Gladman等[32]自制尾砂濃密物理模擬實驗平臺，開展了剪切環(huán)境對壓縮絮團(tuán)影響的研究，剪切作用顯著提高了高嶺土底流濃度.Comings等[33]研究表明，濃密機(jī)耙架能夠改善壓密區(qū)尾砂濃密效果，其主要影響因素是耙子轉(zhuǎn)速和濃密機(jī)底部錐角. Usher和Scales[34]研究獲得了類似的結(jié)論，耙架轉(zhuǎn)速和錐角的提高能夠獲得更高濃度的底流. Gladman等[35]研究表明，機(jī)械攪拌能夠提高壓密區(qū)尾砂脫水速度，擴(kuò)大尾砂脫水區(qū)域.

（2）剪切導(dǎo)水理論.

剪切導(dǎo)水理論是絮團(tuán)壓縮變形理論的有力補(bǔ)充，主要分析壓縮床層內(nèi)部水分流出的通道. 該理論認(rèn)為[36]，在自然沉積狀態(tài)下，床層下部水分均勻分布，絮團(tuán)之間水和絮團(tuán)內(nèi)部水均呈穩(wěn)定狀態(tài). 水分相互無法連通，與絮團(tuán)形成靜力平衡. 側(cè)向攪拌時，攪拌產(chǎn)生壓力作用和拉力作用，打破了絮團(tuán)與水之間的靜力平衡，破壞了絮團(tuán)自身結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)內(nèi)部水分釋放，并在局部集中. 同時，攪拌的擾動作用使得絮團(tuán)之間的相互位置不斷發(fā)生改變，當(dāng)上下部孔隙連通時，便形成導(dǎo)水通道. 絮團(tuán)之間的水分在靜壓力作用下，沿著導(dǎo)水通道上排.

Jeldres等[37]研究了顆粒物料靜態(tài)沉降過程，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)水通道在床層表面形成的“火山口現(xiàn)象”，如圖 1所示；O’Donnell和 Bayrak[38]發(fā)現(xiàn)了靜態(tài)濃密過程中的區(qū)域通道、主通道、交叉通道等導(dǎo)水通道；Du等[39]在對攪拌前后絮團(tuán)細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的研究中，發(fā)現(xiàn)了“蜂房結(jié)構(gòu)”和攪拌產(chǎn)生的瞬時導(dǎo)水通道. 對于導(dǎo)水通道的尺寸、存在時間、連通度與絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系等還需要進(jìn)一步探索.

圖1 某顆粒物料靜態(tài)沉降導(dǎo)水通道與火山口現(xiàn)象Fig.1 Water channel and the volcanic phenomenon of static sedimentation of a granular material

2.3 重力濃密理論

重力濃密理論是尾砂濃密的根本原因. 重力濃密理論主要包括C-C沉降理論、Kytch沉降理論、B-W沉降理論及不同理論的擴(kuò)展研究等[40].

2.3.1 C-C沉降理論

Coe-Clevenger沉降理論（簡稱C-C沉降理論）[41]是基于斯托克斯定律（Stokes law），對單個顆粒行為進(jìn)行研究而提出的. 該理論認(rèn)為，在整個自由沉降期間，沉降速度是濃度的函數(shù). 將沉降模型分為四大區(qū)域，包括澄清區(qū)、干涉沉降區(qū)、過渡區(qū)和壓密區(qū). 澄清區(qū)的固體濃度非常低，尾砂絮團(tuán)以最大的速率沉降，絮團(tuán)之間互不干涉；干涉沉降區(qū)的固體濃度較低，尾砂絮團(tuán)快速沉降，沉降過程中絮團(tuán)之間發(fā)生輕微干涉，但未形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；過渡區(qū)的固體濃度逐漸提高，尾砂絮團(tuán)沉降速度逐漸降低，絮團(tuán)之間的干涉作用增強(qiáng)，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)介于沉降區(qū)和壓密區(qū)之間；壓密區(qū)的固體濃度很高，沉降速度變得非常小，尾砂絮團(tuán)之間相互接觸、支撐，形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

在一組沉降實驗中，隨著時間的延長，固體濃度由初始濃度逐步增加至底流濃度；沉降速度逐步降低，造成固體通量呈升高-降低-升高的變化趨勢，如圖2所示. 圖中φf為濃密機(jī)初始的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)，%；φu為濃密機(jī)底流中的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)，%. 在一般情況下，當(dāng)固體濃度達(dá)到臨界濃度φ0時，固體通量達(dá)到最小值，即q0. 固體通量由式（1）計算：

圖2 Coe-Clevenger固體通量曲線Fig.2 Coe-Clevenger solid flux curve

其中，q為單位面積上單位時間通過的固體體積，稱為固體通量，m3·s-1·m-2；φ 為固體顆粒體積分?jǐn)?shù)，%；u為對應(yīng)于該濃度的固體顆粒沉降速度，m·s-1.

該方法通過若干組不同濃度的沉降實驗，繪制沉降液面高度的變化曲線（H-t曲線），求出沉降液面初始速度，取其最小值用于設(shè)計濃密機(jī)直徑. C-C理論認(rèn)為沉降速率取決于固體體積分?jǐn)?shù)，側(cè)重于考察沉降區(qū)的顆粒沉降情況，忽視了自沉降開始就出現(xiàn)的位于最底部的高濃度層及其對整個沉降過程的影響.

2.3.2 Kytch沉降理論

為了進(jìn)一步對C-C沉降理論進(jìn)行修正，形成了Kynch沉降理論[42-43]. 該理論假設(shè)，在沉降初始狀態(tài)，砂漿濃度均勻分布；沉降開始后，沉降液面的下沉量是時間的函數(shù). 濃密機(jī)存在一個最小通量值，限制其處理能力. 理論上把具有最小通量值的砂漿所在區(qū)域稱為速度限制層，沉降速度由H-t曲線的斜率計算得出.

該方法可根據(jù)單個沉降實驗計算得到固體通量. 在間歇沉降實驗中的任何時刻，位于沉降液面處的漿體濃度可由式（2）和圖3確定. 當(dāng)時間為零時，該沉降液面以式（3）所示的恒定固體通量從沉降柱底部向上傳播. 因而，具有三點優(yōu)勢，一是在沉降柱的任一高度處的濃度可由H-t曲線計算得到；二是僅需要開展一次低濃度靜態(tài)沉降實驗，減少了實驗次數(shù)；三是不僅考慮了層間濃度差所引起的向上擴(kuò)散，而且考慮了速度限制層的影響，更加符合實際.

圖3 Kynch沉降理論圖解Fig.3 Illustration of Kynch settlement theory

其中，φa為a點處的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)，%；qa為a 點處顆粒的固體通量，m-3·s-1·m-2；Ha為 a 點處的沉降高度，m；H0為沉降液面初始高度，m；Hz為沉降總高度，m；tz為總沉降時間，s.

作為對Kynch理論的一個發(fā)展，F(xiàn)itch指出[44]，在Kynch的所有假設(shè)都成立的情況下，當(dāng)給定底流排料濃度時，濃密機(jī)的最大處理能力可由間歇沉降實驗確定.

2.3.3 B-W沉降理論

Buscal和White[45]首次將凝膠濃度、壓縮屈服應(yīng)力、干涉沉降系數(shù)作為脫水表征參數(shù)，提出了B-W沉降理論，該理論被認(rèn)為是現(xiàn)代脫水理論的開端. 壓縮屈服應(yīng)力表征絮團(tuán)群的抗壓縮能力，干涉沉降函數(shù)表征液體逆向滲流阻力. B-W沉降理論認(rèn)為，壓密區(qū)域絮團(tuán)形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒運移受重力和結(jié)構(gòu)力雙重影響，顆粒沉降速率不再僅與濃度有關(guān). 因此，以凝膠濃度為界限，當(dāng)濃度小于凝膠濃度時采用C-C理論分析，當(dāng)濃度大于凝膠濃度時采用B-W理論分析. 將兩種理論合并，可獲得膏體濃密機(jī)全區(qū)域性能數(shù)學(xué)分析模型，如圖4所示.

圖4 C-C理論與B-W理論合并曲線Fig.4 Combination curves of C-C and B-W theories

Landman等[46]分析了濾餅壓濾與尾砂絮團(tuán)壓縮過程的力學(xué)特性，即液體通過顆粒間滲流阻力的變化規(guī)律，提出了以傳統(tǒng)水力曳力（干涉沉降系數(shù)）為基礎(chǔ)的高濃度床層流變力學(xué)表征理論.Betancourt等[47]、Parsapour等[48]在數(shù)據(jù)處理的方法和數(shù)學(xué)模型的建立等方面進(jìn)行探索，進(jìn)一步完善了沉降壓縮特性的優(yōu)化與控制理論. Landman等[49]和Usher等[50]建立了穩(wěn)態(tài)連續(xù)濃密模型，從而使得對于濃密機(jī)行為的預(yù)測超出傳統(tǒng)C-C理論和Kynch理論的范疇，對高濃度區(qū)域的脫水也有了表征方法. 之后，Usher等[50]提出了剪切致密理論，充分考慮耙架剪切對濃密性能的影響，將絮團(tuán)直徑變化程度和絮團(tuán)直徑變化速率引入現(xiàn)代脫水理論.

3 尾砂濃密研究手段

尾砂濃密過程主要采用物理模擬實驗結(jié)合相應(yīng)觀測手段進(jìn)行研究. 物理模擬實驗以尾砂絮凝沉降為主線，不斷完善物理模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，力求對于濃密機(jī)結(jié)構(gòu)的真實還原. 伴隨物理模型的不斷發(fā)展，濃密過程的觀測手段也不斷更新，由取樣觀測發(fā)展為在線觀測，由間斷測量發(fā)展為連續(xù)測量.

此外，濃密機(jī)內(nèi)部流場特性和尾砂顆粒的運動規(guī)律對尾砂濃密效果也具有重要影響. 但受到測量手段的限制，濃密機(jī)內(nèi)部流場和顆粒運動軌跡成為研究難點. 數(shù)值模擬技術(shù)利用計算機(jī)實現(xiàn)對濃密機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流場和顆粒運動軌跡的可視化，進(jìn)行定性和定量分析，是研究尾砂濃密過程的有效方法.

3.1 物理試驗及其觀測手段

尾砂濃密的物理模擬實驗方法主要包括靜態(tài)沉降實驗、小型濃密實驗、半工業(yè)濃密實驗等，如圖5所示.

圖5 尾砂濃密物理實驗裝置. （a）靜態(tài)沉降實驗；（b）小型濃密實驗；（c）半工業(yè)濃密實驗Fig.5 Physical experimental device for tailings thickening: (a) static settlement experiment; (b) small dense experiment; (c) semi-industrial dense experiment

靜態(tài)沉降實驗一般采用量筒對絮凝尾砂漿進(jìn)行靜態(tài)沉降，得到沉降高度的變化曲線，計算絮凝沉降速度. 靜態(tài)沉降實驗作為尾砂濃密的一種基礎(chǔ)研究方法，與實際尾砂濃密的過程具有較大差異.

小型濃密實驗是根據(jù)相似原理，將工業(yè)濃密機(jī)進(jìn)行縮小，建立具有入料口、耙架和錐形底部等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的小型濃密機(jī)模型. 對濃密機(jī)內(nèi)部的尾砂濃密過程進(jìn)行模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)濃密機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化. 例如，王勇等[51]根據(jù)尾砂物理特性計算出所需的深錐濃密機(jī)高徑比，以此高徑比為基準(zhǔn)，建立一種基于高徑比的深錐濃密機(jī)底流濃度數(shù)學(xué)模型，指導(dǎo)濃密機(jī)高徑比的確定. 尹升華和王勇[52]通過動態(tài)沉降實驗，發(fā)現(xiàn)不同壓密時間下，底流濃度隨泥層高度的變化規(guī)律不同. 吳愛祥等[53]采用自制尾砂濃密裝置，探究了導(dǎo)水桿數(shù)量和排列方式對尾砂濃密的影響，研究結(jié)果對指導(dǎo)濃密機(jī)參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)作用. 但小型濃密實驗由于尺寸效應(yīng)的影響，其物理模擬值與真實濃密機(jī)實測值仍存在一定差距.

半工業(yè)濃密試驗是由半工業(yè)尺寸的濃密機(jī)、絮凝劑制備系統(tǒng)、各類儀器儀表、自動化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成的. 半工業(yè)濃密試驗一般可作為工業(yè)、半工業(yè)級充填試驗系統(tǒng)的一部分.焦華喆等[36]根據(jù)相似模擬原理，研制深錐濃密半工業(yè)實驗平臺，探究多種因素對尾砂濃密的影響，闡釋了剪切濃密導(dǎo)水機(jī)理，為深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供理論參考.

尾砂濃密實驗最常用的觀測手段是在小型濃密實驗和半工業(yè)濃密實驗中，安設(shè)流量計、濃度計、濁度計和高分辨率攝像機(jī)等設(shè)備[54]，來記錄實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，但傳統(tǒng)手段無法直接觀察到尾砂濃密過程的微觀變化. 為了更加深入了解絮凝機(jī)理，應(yīng)用聚焦光束反射測量技術(shù)(FBRM)和顆粒形態(tài)測試技術(shù)（PVM）等能夠?qū)崿F(xiàn)對絮體成長變化情況的直接測量. 聚焦光束反射測量技術(shù)已廣泛用于監(jiān)測溶液體系中顆粒的濃度、粒徑分布等參數(shù)的實時變化過程，有助于分析絮團(tuán)分形維數(shù)，可用于絮凝動力學(xué)的研究[55]. 在高濃度體系中，運用顆粒錄影顯微鏡技術(shù)，可實時在線監(jiān)測固體或液體顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，獲得尾砂濃密過程中絮團(tuán)形狀和尺寸的變化[56]，從而得到絮團(tuán)聚合和破碎等現(xiàn)象的顯微圖像[57].

3.2 數(shù)值模擬

濃密機(jī)內(nèi)部的尾砂絮凝沉降和壓縮脫水過程是基于顆粒在多相流場的復(fù)雜運動實現(xiàn)的. 因而，濃密機(jī)內(nèi)部流場特性和尾砂顆粒的運動規(guī)律對尾砂濃密效果具有重要影響. 針對尾砂濃密過程，通常基于計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)值模擬.

Rudman等采用CFD對濃密機(jī)耙架處流場進(jìn)行了模擬，探究了濃密尾砂漿的屈服應(yīng)力對耙架扭矩和顆粒停留時間的影響[58-59]. Tanguay 等提出了一種顆粒軌跡追蹤方法，可用來描述濃密機(jī)給料井內(nèi)顆粒的停留時間，并考察了絮凝劑對給料井工作性能的影響[60]. Qiu等應(yīng)用CFD-DEM（離散單元法） 耦合方法，對二維方形腔內(nèi)顆粒流和三維收縮式沉降管內(nèi)顆粒凝聚和沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比了有無水平流對絮凝沉降行為的影響[61].如圖6所示，Chaumeil和Crapper應(yīng)用CFD-DEM耦合方法，考察了顆粒尺度、濃度、給料流率等因素對絮凝沉降特性的影響[62]. 國內(nèi)外研究者已建立了從實驗室到半工業(yè)、工業(yè)型濃密機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬方法，其研究結(jié)果在一定程度上為提高濃密機(jī)工作效率提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù).

圖6 濃密過程顆粒的沉降運動和凝聚行為Fig.6 Settling motion and agglomeration behavior of particles in the thickening process

4 尾砂濃密技術(shù)存在的問題

近年來，尾砂濃密脫水技術(shù)在我國取得了示范性成果，但仍處于發(fā)展階段. 隨著選礦技術(shù)的精細(xì)化，極細(xì)尾砂含量逐漸增多，脫水難度增大. 普通濃密機(jī)無法確保底流濃度達(dá)到膏體的要求，尾砂脫水效率和底流濃度也受到嚴(yán)重限制. 由于尾砂濃密技術(shù)的影響因素和配套設(shè)備較多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，主要表現(xiàn)在底流濃度、床層高度和液面高度等關(guān)鍵參數(shù)常發(fā)生較大波動. 同時，濃密系統(tǒng)可控性一直沒有得到很好的解決，主要生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)控明顯滯后. 此外，現(xiàn)有尾砂濃密技術(shù)數(shù)字化和信息化的程度較低，領(lǐng)域內(nèi)的信息交流不暢，阻礙了尾砂濃密技術(shù)的更新與發(fā)展.

（1）尾砂濃密的關(guān)鍵參數(shù)不穩(wěn)定.

尾砂是一種特殊性質(zhì)的材料，不同類型的礦山、不同的采選工藝都會導(dǎo)致尾砂具有不同的物化特性. 其中，尾砂的給料濃度、給/出料量、組成成分和粒度分布等均能夠顯著影響尾砂的濃密效果. 在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，上述尾砂的物化特性很容易發(fā)生波動，導(dǎo)致濃密機(jī)的底流濃度、沉降速度和固體通量等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生波動，濃密效果不穩(wěn)定，并進(jìn)一步影響后續(xù)工藝.

（2）尾砂濃密的生產(chǎn)調(diào)控不及時.

現(xiàn)階段，尾砂濃密的生產(chǎn)調(diào)控可以通過安置傳感器，在線監(jiān)測尾砂的給料濃度、給/出料量、底流濃度和固體通量等技術(shù)參數(shù). 但由于給料尾砂和濃密尾砂的關(guān)鍵參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系仍不明確，現(xiàn)階段只能夠?qū)崿F(xiàn)在監(jiān)測到濃密尾砂的底流濃度、沉降速度和固體通量等發(fā)生異常之后進(jìn)行調(diào)控，反饋時間長，無法構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng).

（3）尾砂濃密的信息平臺不健全.

現(xiàn)階段，尾砂濃密技術(shù)的數(shù)字化和信息化程度較低；應(yīng)用范圍比較小，僅局限于某些先進(jìn)礦山自身階段性的生產(chǎn)管理過程中；行業(yè)內(nèi)尾砂濃密信息交流不暢. 亟待搭建尾砂濃密智能化信息平臺，為進(jìn)一步實現(xiàn)尾砂濃密的智能化提供依據(jù).

5 結(jié)語與展望

（1）將尾砂濃密設(shè)備發(fā)展分為普通濃密機(jī)階段、高效濃密機(jī)階段和膏體濃密機(jī)階段三個階段，分別分析了其技術(shù)特點. 闡述了尾砂濃密的聯(lián)合脫水工藝和濃密機(jī)一段脫水工藝，介紹了濃密技術(shù)在有色金屬礦充填、黑色金屬礦充填，以及尾砂堆存等尾砂處置工藝中的應(yīng)用案例.

（2）尾砂濃密脫水理論是尾砂濃密脫水技術(shù)的研究基礎(chǔ)，現(xiàn)階段主要集中在絮凝沉降理論和重力濃密理論兩個方面. 然而，尾砂濃密技術(shù)的基礎(chǔ)理論還不夠完善，全尾砂微細(xì)觀絮凝機(jī)理、絮團(tuán)時空演化規(guī)律、導(dǎo)水通道演化等方面，均具有較大的研究價值.

（3）現(xiàn)階段，尾砂濃密脫水的研究手段主要集中在物理模擬、絮團(tuán)觀測和數(shù)模模擬等方面. 由于物理實驗觀測手段的限制，未來采用數(shù)值模擬手段研究絮團(tuán)演變、泥層脫水等將成為重點內(nèi)容.

（4）我國金屬礦尾砂濃密技術(shù)的研究和應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，未來發(fā)展中將會更多結(jié)合人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等計算機(jī)新技術(shù)，實現(xiàn)尾砂濃密脫水的精準(zhǔn)化和智能化.