工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 基于PBRM和PVIM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 周旭阮竹恩吴爱祥王洪江王贻明尹升华 Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM ZHOU Xu,RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang.WANG Hong-jiang.WANG Yi-ming.YIN Sheng-hua 引用本文： 周旭，阮竹恩，吴爱祥，王洪江，王贻明，尹升华.基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律.工程科学学报， 2021,43(11):1425-1432.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.06.02.004 ZHOU Xu,RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang,WANG Hong-jiang.WANG Yi-ming,YIN Sheng-hua.Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM [J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(11):1425-1432.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.06.02.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.06.02.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报.2020,42(8：980htps/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.004 剪切浓密床层孔隙网络模型与导水通道演化 Pore network model of tailings thickener bed and water drainage channel evolution under the shearing effect 工程科学学报.2019,41(8：987 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.08.004 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报.2019,41(8：981 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.003 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报.2019,41(11：1405htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.16.002 高锰钢高速冲击时剪切区TP行为的准原位分析 Quasi-in-situ analysis of TRIP behaviors in shear zones of high-manganese steel specimen under dynamic compression 工程科学学报.2018,40(6：703 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.008 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报.2018,402：152 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.02.004
基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 周旭 阮竹恩 吴爱祥 王洪江 王贻明 尹升华 Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM ZHOU Xu, RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Hong-jiang, WANG Yi-ming, YIN Sheng-hua 引用本文: 周旭, 阮竹恩, 吴爱祥, 王洪江, 王贻明, 尹升华. 基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律[J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1425-1432. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004 ZHOU Xu, RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Hong-jiang, WANG Yi-ming, YIN Sheng-hua. Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM [J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1425-1432. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报. 2020, 42(8): 980 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 剪切浓密床层孔隙网络模型与导水通道演化 Pore network model of tailings thickener bed and water drainage channel evolution under the shearing effect 工程科学学报. 2019, 41(8): 987 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.004 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报. 2019, 41(8): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报. 2019, 41(11): 1405 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.16.002 高锰钢高速冲击时剪切区TRIP行为的准原位分析 Quasi-in-situ analysis of TRIP behaviors in shear zones of high-manganese steel specimen under dynamic compression 工程科学学报. 2018, 40(6): 703 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.008 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报. 2018, 40(2): 152 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.004
工程科学学报.第43卷，第11期：1425-1432.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1425-1432,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004;http://cje.ustb.edu.cn 基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 周 旭，阮竹恩2)，吴爱祥23)区，王洪江2，)，王贻明2，)，尹升华2，) 1)中铁建国际投资有限公司，北京1000002)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000833)北京科技大学金属矿山高效开采与安 全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ziyuan(0902ze@163.com,wuaixiang@126.com 摘要在初始泥层高75cm和粑架转速为0、0.1、1和10rmin条件，以及粑架转速为0.1rmin和初始泥层高度为75、 45和25cm条件下，采用FBRM和PVM实时在线监测技术，对动态浓密系统泥层脱水过程絮团结构演化进行原位连续观 测，获得了泥层脱水过程中，絮团直径、数量分布特征和实时图像.研究结果表明.尾矿浓密过程中絮团直径和数量随剪切时 间延长呈现先增长后降低，再保持稳定的状态.根据絮团直径变化程度，将絮团密实化过程分为絮团生长期、絮团重构期和 絮团破碎期3个阶段.在剪切速率0.1rmi和初始泥层高度75cm实验条件下，有利于絮团生长和絮团快速破裂重构，并提 高絮团密实化程度，但过高的剪切速率作用对絮团结构影响程度下降.剪切速率的增加造成絮团平均直径减小，同时絮团平 均直径减小的速率上升.随着初始泥层高度增大，絮团生长阶段时间更长，絮团直径峰值更大，重构期较长，絮团平均直径随 初始泥层高度增加而增大.尾矿絮团分形维数可以反映絮团结构变化特征，结合PVM图像的分形维数和孔隙率计算，分析 了剪切破坏力与絮团凝聚力存在的相互平衡关系，基于这种动态平衡对絮团破裂程度的影响，研究了尾矿浓密过程中的絮团 密实化规律 关键词动态浓密：实时原位监测：剪切速率：初始泥层高：絮团密实化：絮团破裂程度 分类号TD853.34 Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM ZHOU Xu,RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang,WANG Hong-jiang,WANG Yi-ming),YIN Sheng-hud 1)CRCC International investment Group Limited,Beijing 100000,China 2)School of Civil and Resources Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)Key Laboratory of Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ziyuan0902rze@163.com;wuaixiang@126.com ABSTRACT The real-time inline monitoring technologies of focused beam reflectance measurement (FBRM)and particle video microscopy (PVM)were used to analyze the aggregate structure evolution during the operation of a dynamic thickening system.The tailings dewatering studies were performed under two series of conditions:(i)rake rotation speeds of 0,0.1,1,and 10rmin and an initial mud bed height of 75 cm and (ii)initial mud bed heights of 75,45,and 25 cm and a rake rotation speed of 0.1 rmin.The aggregate diameter,particle size distribution,and real-time images of the tailings thickening process were obtained.The results show that with the increase in the shearing time,the diameter and counts of aggregate first increase,then decrease,and then become stable. According to the aggregate diameter variation,the aggregate evolution can be divided into three stages:growth,reconstruction,and densification periods.The condition of a shear rate of 0.1 rmin and an initial mud bed height of 75 cm has the best effects on the aggregate growth,structure breaking acceleration,aggregate reconstruction,and aggregate densification improvement,as determined in 收稿日期：2020-06-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51674012)：中国博士后科学基金资助项目(2021M690011)
基于 FBRM 和 PVM 技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 周 旭1)，阮竹恩2,3) 苣，吴爱祥2,3) 苣，王洪江2,3)，王贻明2,3)，尹升华2,3) 1) 中铁建国际投资有限公司，北京 100000 2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学金属矿山高效开采与安 全教育部重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail：ziyuan0902rze@163.com; wuaixiang@126.com 摘 要 在初始泥层高 75 cm 和耙架转速为 0、0.1、1 和 10 r·min−1 条件，以及耙架转速为 0.1 r·min−1 和初始泥层高度为 75、 45 和 25 cm 条件下，采用 FBRM 和 PVM 实时在线监测技术，对动态浓密系统泥层脱水过程絮团结构演化进行原位连续观 测，获得了泥层脱水过程中，絮团直径、数量分布特征和实时图像. 研究结果表明，尾矿浓密过程中絮团直径和数量随剪切时 间延长呈现先增长后降低，再保持稳定的状态. 根据絮团直径变化程度，将絮团密实化过程分为絮团生长期、絮团重构期和 絮团破碎期 3 个阶段. 在剪切速率 0.1 r·min−1 和初始泥层高度 75 cm 实验条件下，有利于絮团生长和絮团快速破裂重构，并提 高絮团密实化程度，但过高的剪切速率作用对絮团结构影响程度下降. 剪切速率的增加造成絮团平均直径减小，同时絮团平 均直径减小的速率上升. 随着初始泥层高度增大，絮团生长阶段时间更长，絮团直径峰值更大，重构期较长，絮团平均直径随 初始泥层高度增加而增大. 尾矿絮团分形维数可以反映絮团结构变化特征，结合 PVM 图像的分形维数和孔隙率计算，分析 了剪切破坏力与絮团凝聚力存在的相互平衡关系，基于这种动态平衡对絮团破裂程度的影响，研究了尾矿浓密过程中的絮团 密实化规律. 关键词 动态浓密；实时原位监测；剪切速率；初始泥层高；絮团密实化；絮团破裂程度 分类号 TD853.34 Aggregate evolution rule during tailings thickening based on FBRM and PVM ZHOU Xu1) ，RUAN Zhu-en2,3) 苣 ，WU Ai-xiang2,3) 苣 ，WANG Hong-jiang2,3) ，WANG Yi-ming2,3) ，YIN Sheng-hua2,3) 1) CRCC International investment Group Limited, Beijing 100000, China 2) School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Key Laboratory of Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: ziyuan0902rze@163.com; wuaixiang@126.com ABSTRACT The real-time inline monitoring technologies of focused beam reflectance measurement (FBRM) and particle video microscopy (PVM) were used to analyze the aggregate structure evolution during the operation of a dynamic thickening system. The tailings dewatering studies were performed under two series of conditions: (i) rake rotation speeds of 0, 0.1, 1, and 10 r·min−1 and an initial mud bed height of 75 cm and (ii) initial mud bed heights of 75, 45, and 25 cm and a rake rotation speed of 0.1 r·min−1. The aggregate diameter, particle size distribution, and real-time images of the tailings thickening process were obtained. The results show that with the increase in the shearing time, the diameter and counts of aggregate first increase, then decrease, and then become stable. According to the aggregate diameter variation, the aggregate evolution can be divided into three stages: growth, reconstruction, and densification periods. The condition of a shear rate of 0.1 r·min−1 and an initial mud bed height of 75 cm has the best effects on the aggregate growth, structure breaking acceleration, aggregate reconstruction, and aggregate densification improvement, as determined in 收稿日期: 2020−06−02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51674012）；中国博士后科学基金资助项目（2021M690011） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1425−1432，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1425−1432, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004; http://cje.ustb.edu.cn
·1426 工程科学学报，第43卷，第11期 the laboratory;however,high shear rate has a degrading effect on the aggregate structure evolution.The aggregate diameter progressively decreases with the increase in the shear rate.The longer the aggregate growth period,the larger the maximum aggregate diameter,and a longer reconstruction period is observed at higher initial mud bed heights.Moreover,the aggregate diameter increases with the increase in the initial mud bed height.The fractal dimension of tailings aggregate reflects the change characteristics of the aggregate structure.According to the calculation of fractal dimension and porosity of the PVM image,the dynamic equilibrium relastionship between the breaking force and cohesive force of aggregates was analyzed,the influence on the aggregate breaking was analyzed.The aggregate densification rule in the tailings thickening process was revealed analyzed,based on the dynamic equilibrium relationship between the breaking force and cohesive force of aggregates. KEY WORDS dynamic densification;real-time and in-situ monitoring;share rate;initial mud bed height;aggregate densification;rate of aggregate structure breaking 尾矿是矿山最主要的固体废物，排放于地表 用而破碎阿在浓密过程中耙架剪切作用力和重力 尾矿库时存在堆存面积大、环境污染严重、安全 作用是尾矿絮团的主要原因，大尺寸絮团破碎生 隐患多等问题，是建设绿色矿山亟待解决的主要 成小尺寸絮团，封闭水分随之释放排出可.絮团破 问题之一，针对传统低浓度分级尾砂充填和尾矿 碎一定程度上减缓了絮团生成速率，使系统最终 库排放模式的，尾矿膏体处置以提高尾矿处置浓 会进入稳定平衡状态.絮团封闭水分随絮团破碎 度为主线，将从选矿厂产出的低浓度全尾砂料浆， 重列逐渐排出，最终絮团结构达到致密化的稳定 不经分级，直接输送至深锥推浓密机，添加絮凝剂并 状态 使用耙架进行搅拌，形成高浓度、牙膏状、无泌水 尾矿浓密过程中，絮团结构时刻变化，这是絮 的膏体料浆，再选择性添加粗骨料、细骨料以及其 团本身性质与水动力条件相互作用的结果.浓密 它外加剂，搅拌并通过柱塞泵输送至采空区充填 机的耙架剪切作用，以及絮团直径、密度、结构、 或者直接输送至尾矿库进行堆存.这样既解决了 强度等性质显著影响絮团密实化程度，决定了尾 地表尾矿库溃坝与环境污染的灾害问题，又解决 矿脱水性能.因此，研究絮团直径的测量（取样方 了井下采空区垮冒的灾害问题，具有“一废治两 式和观测技术)和水动力条件（把架剪切速率、初 害”的优势四 始泥层高度、料浆浓度等)对絮团直径的影响十 尾矿膏体浓密基于絮凝沉降技术，通过剪切 分关键 和重力耦合作用实现尾矿快速深度脱水，提高尾 絮团的基本形态随着生长而重复，属于典型 矿处置浓度，是实现尾矿膏体处置的关键技术之 的分形物体，因此基于图像分析技术的分形维数 一。 絮凝是尾矿膏体浓密工艺的关键环节，絮凝效 被作为描述絮团结构形态的主要参数之一)，在尾 果直接影响物料搅拌、膏体输送、井下充填和地 矿浓密过程中，料浆浑浊固体浓度高且絮团结构 表堆存等后续工艺质量，决定生产运行成本.浓密 细微，难以直接观测，传统研究方式采用高清相 过程中尾矿颗粒形成絮团并发育演化是一个复杂 机、光散射分析仪、显微镜和扫描电镜、电子计算 的动态演变过程，一般可分为颗粒碰撞一有效碰 机断层扫描等技术均是在取样后进行观测，再得 撞黏结一絮团重构一絮团破裂一絮团再形成等多 到絮团结构图像后通过图像处理获得絮团特征参 个阶段四对颗粒碰撞、凝聚黏结、絮团发育演化 数0然而，絮团结构具有易破碎性，如何确保提 过程的理解是研究尾矿浓密规律的基础 取絮团样品观测时不对絮团产生扰动而破坏絮团 絮凝作用是由线形的高分子化合物在微粒间 结构就显得十分重要.通常在采用移液管、负压 “架桥”联结而引起微粒的聚结.在絮凝过程中，多 抽取和蠕动泵抽取等常规絮团样品取样方法山， 个颗粒同时被同一高分子长链吸附，通过“架桥” 或者稀释制样时，均无法避免絮团原始结构的扰 方式将微粒联在一起，从而导致絮凝现象的发生) 动，造成检测结果失真.随着计算机技术的快速发 絮团是由发生絮凝的初始尾矿颗粒组成，在尾矿 展，数值仿真方法得到了大规模应用，研究者采用 颗粒通过架桥絮凝作用形成大尺寸絮团的过程 群体平衡模型描述絮团的聚集和破碎2-可，解释 中，絮团内部和絮团之间存在大量封闭的水分) 浓密机中的流体流动、固体分布和絮凝的聚集/破 结构疏松的大尺寸絮团、密度低、内部的颗粒间 碎动力学，为重力浓密机的性能和操作提供了重 黏结作用小、絮团强度低，容易受拉力和剪切力作 要的见解，但数值模拟偏重于理论研究，工业化全
the laboratory; however, high shear rate has a degrading effect on the aggregate structure evolution. The aggregate diameter progressively decreases with the increase in the shear rate. The longer the aggregate growth period, the larger the maximum aggregate diameter, and a longer reconstruction period is observed at higher initial mud bed heights. Moreover, the aggregate diameter increases with the increase in the initial mud bed height. The fractal dimension of tailings aggregate reflects the change characteristics of the aggregate structure. According to the calculation of fractal dimension and porosity of the PVM image, the dynamic equilibrium relastionship between the breaking force and cohesive force of aggregates was analyzed, the influence on the aggregate breaking was analyzed. The aggregate densification rule in the tailings thickening process was revealed analyzed, based on the dynamic equilibrium relationship between the breaking force and cohesive force of aggregates. KEY WORDS dynamic densification；real-time and in-situ monitoring；share rate；initial mud bed height；aggregate densification；rate of aggregate structure breaking 尾矿是矿山最主要的固体废物，排放于地表 尾矿库时存在堆存面积大、环境污染严重、安全 隐患多等问题，是建设绿色矿山亟待解决的主要 问题之一. 针对传统低浓度分级尾砂充填和尾矿 库排放模式的，尾矿膏体处置以提高尾矿处置浓 度为主线，将从选矿厂产出的低浓度全尾砂料浆， 不经分级，直接输送至深锥浓密机，添加絮凝剂并 使用耙架进行搅拌，形成高浓度、牙膏状、无泌水 的膏体料浆，再选择性添加粗骨料、细骨料以及其 它外加剂，搅拌并通过柱塞泵输送至采空区充填 或者直接输送至尾矿库进行堆存. 这样既解决了 地表尾矿库溃坝与环境污染的灾害问题，又解决 了井下采空区垮冒的灾害问题，具有“一废治两 害”的优势[1] . 尾矿膏体浓密基于絮凝沉降技术，通过剪切 和重力耦合作用实现尾矿快速深度脱水，提高尾 矿处置浓度，是实现尾矿膏体处置的关键技术之 一. 絮凝是尾矿膏体浓密工艺的关键环节，絮凝效 果直接影响物料搅拌、膏体输送、井下充填和地 表堆存等后续工艺质量，决定生产运行成本. 浓密 过程中尾矿颗粒形成絮团并发育演化是一个复杂 的动态演变过程，一般可分为颗粒碰撞—有效碰 撞黏结—絮团重构—絮团破裂—絮团再形成等多 个阶段[2] . 对颗粒碰撞、凝聚黏结、絮团发育演化 过程的理解是研究尾矿浓密规律的基础. 絮凝作用是由线形的高分子化合物在微粒间 “架桥”联结而引起微粒的聚结. 在絮凝过程中，多 个颗粒同时被同一高分子长链吸附，通过“架桥” 方式将微粒联在一起，从而导致絮凝现象的发生[3] . 絮团是由发生絮凝的初始尾矿颗粒组成，在尾矿 颗粒通过架桥絮凝作用形成大尺寸絮团的过程 中，絮团内部和絮团之间存在大量封闭的水分[4−5] . 结构疏松的大尺寸絮团、密度低、内部的颗粒间 黏结作用小、絮团强度低，容易受拉力和剪切力作 用而破碎[6] . 在浓密过程中耙架剪切作用力和重力 作用是尾矿絮团的主要原因，大尺寸絮团破碎生 成小尺寸絮团，封闭水分随之释放排出[7] . 絮团破 碎一定程度上减缓了絮团生成速率，使系统最终 会进入稳定平衡状态. 絮团封闭水分随絮团破碎 重列逐渐排出，最终絮团结构达到致密化的稳定 状态. 尾矿浓密过程中，絮团结构时刻变化，这是絮 团本身性质与水动力条件相互作用的结果. 浓密 机的耙架剪切作用，以及絮团直径、密度、结构、 强度等性质显著影响絮团密实化程度，决定了尾 矿脱水性能[8] . 因此，研究絮团直径的测量（取样方 式和观测技术）和水动力条件（耙架剪切速率、初 始泥层高度、料浆浓度等[9] ）对絮团直径的影响十 分关键. 絮团的基本形态随着生长而重复，属于典型 的分形物体，因此基于图像分析技术的分形维数 被作为描述絮团结构形态的主要参数之一[4] . 在尾 矿浓密过程中，料浆浑浊固体浓度高且絮团结构 细微，难以直接观测，传统研究方式采用高清相 机、光散射分析仪、显微镜和扫描电镜、电子计算 机断层扫描等技术均是在取样后进行观测，再得 到絮团结构图像后通过图像处理获得絮团特征参 数[10] . 然而，絮团结构具有易破碎性，如何确保提 取絮团样品观测时不对絮团产生扰动而破坏絮团 结构就显得十分重要. 通常在采用移液管、负压 抽取和蠕动泵抽取等常规絮团样品取样方法[11] ， 或者稀释制样时，均无法避免絮团原始结构的扰 动，造成检测结果失真. 随着计算机技术的快速发 展，数值仿真方法得到了大规模应用，研究者采用 群体平衡模型描述絮团的聚集和破碎[12−13] ，解释 浓密机中的流体流动、固体分布和絮凝的聚集/破 碎动力学，为重力浓密机的性能和操作提供了重 要的见解，但数值模拟偏重于理论研究，工业化全 · 1426 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
周旭等：基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 1427 尺寸的浓密机模型需耗费大量算力 浓密实验柱和耙架转动控制器后，将ParticleTrack 采用是聚焦光束反射测量(Focused beam G4O0型FBRM探头，Particle view V19型PVM探 reflectance measurement,,FBRM)技术和颗粒录像显 头安装到1、2位置，分别距离浓密机底部的垂直 微镜(Particle video microscope.,PVM)技术实现浓 高度为10和20cm.实验浓密机耙架尺寸和传感 密过程絮团的在线观测，是解决上述取样和观测 器安装示意如图2 难题的有效途径之一.FBRM可在原位条件下，在 线追踪颗粒和液滴的变化情况，实时反映颗粒的 Rake motor 弦长值（通常视为粒径）和颗粒数量、分布特征等 信息，消除了取样和制样带来的负面影响.PVM 具备自动照明和在线获取高分辨率的颗粒图像功 Overflow 能，可实现颗粒粒径和浓度的实时变化本文基 Polymer 1 holding Rake Peristaltic 于金属矿尾砂音体浓密室内实验装置，通过FBRM tank pump Interface 系统和，对浓密过程絮团状态的连续监测和在线 of mud bed 原位监测，分析絮团直径和分布情况，结合图像分 Polymer 析对絮团密实化过程的结构特征进行研究 Water Tailings VM 1实验系统及实验材料 FBRM 1.1实验材料 2 Peristaltic 实验尾矿来自于某铜矿，全尾砂密度平均为 Holding pump Underflow tank 2.72tm3.经粒径分析可知-200目粒径平均为 78%;-400目粒径平均为48.27%.由粒径分布曲线 图2实验系统示意图 Fig.2 Schematic of experimental system (图1)，可见全尾砂粒径分布均匀，适宜采用膏体 浓密机脱水制备高浓度尾矿料浆 保持尾砂料桶内尾砂浆均匀，絮凝剂溶液制 备后静置，开启尾矿和絮凝剂给料泵向装满清水 袋100 的浓密实验柱内注入尾矿料浆和絮凝剂溶液.待 80 泥层高度达到预设值后停止给料，开启底流循环 60 泵使料浆在实验浓密柱内重新达到均匀分布状态， 40 调整耙架转速并开启监测FBRM和PVM系统. 2分析方法 0.1 10 100 1000 Particle diameter/um 絮团直径是絮团强度在剪切作用下的宏观体 图1全尾砂粒径分布曲线 现，絮团结构表征絮团内部链接键数量、强度和链 Fig.1 Particle size distribution of tailings 接方式，直接关系着絮团强度阿絮团强度是指絮 1.2实验方案 团所能承受的最大外部作用力，由基本颗粒之间 尾砂浓密系统由浓密机实验柱、搅拌装置组 的相互作用力、固体体积分数和基本颗粒尺寸，以 成.浓密实验柱直径为20cm、高度为100cm,在 及基本颗粒在絮团中排列方式所决定.絮团强度 垂直方向每隔20cm设有一个取样口.搅拌装置 决定了絮团破裂程度，当絮团受到的外部力大于 由电机、电机控制系统及耙架组成，实现了耙架转 此值时，絮团即会发生破碎生成小絮团倒.由于絮 速的精准控制.尾砂浓密系统实现了尾砂的动态 团直径d是絮团凝聚力J和动态能量耗散率ε的函 浓密、耙架转速控制，还原工业浓密机的运行状态 数，如式(1)所示，可知在不同剪切速率G条件下， 实验以耙架剪切速度、剪切时间和初始泥层 絮团直径（最大稳定絮团直径dmax或平均絮团直径 高度实验因素，耙架剪切速度设置为0,0.1,1和 davg)可由式(2)进行描述6 10rmin,泥层高度为75,45和25cm.首先将全尾 d=d(J,s) (1) 砂加入适量清水，配置固体质量分数为15%的全 davg/max-Cavg//max =Cavg/maxG-2Yavgl max 尾砂料浆，另配置15gt的絮凝剂溶液待用.组装 (2)
尺寸的浓密机模型需耗费大量算力. 采 用 是 聚 焦 光 束 反 射 测 量 （ Focused beam reflectance measurement，FBRM）技术和颗粒录像显 微镜（Particle video microscope，PVM）技术实现浓 密过程絮团的在线观测，是解决上述取样和观测 难题的有效途径之一. FBRM 可在原位条件下，在 线追踪颗粒和液滴的变化情况，实时反映颗粒的 弦长值（通常视为粒径）和颗粒数量、分布特征等 信息，消除了取样和制样带来的负面影响. PVM 具备自动照明和在线获取高分辨率的颗粒图像功 能，可实现颗粒粒径和浓度的实时变化[14] . 本文基 于金属矿尾砂膏体浓密室内实验装置，通过 FBRM 系统和，对浓密过程絮团状态的连续监测和在线 原位监测，分析絮团直径和分布情况，结合图像分 析对絮团密实化过程的结构特征进行研究. 1 实验系统及实验材料 1.1 实验材料 实验尾矿来自于某铜矿，全尾砂密度平均为 2.72 t·m−3 . 经粒径分析可知−200 目粒径平均为 78%；−400 目粒径平均为 48.27%. 由粒径分布曲线 （图 1），可见全尾砂粒径分布均匀，适宜采用膏体 浓密机脱水制备高浓度尾矿料浆. 100 80 60 40 20 Accumulated proportion/ 0 % Particle diameter/μm 0.1 1 10 100 1000 图 1 全尾砂粒径分布曲线 Fig.1 Particle size distribution of tailings 1.2 实验方案 尾砂浓密系统由浓密机实验柱、搅拌装置组 成. 浓密实验柱直径为 20 cm、高度为 100 cm，在 垂直方向每隔 20 cm 设有一个取样口. 搅拌装置 由电机、电机控制系统及耙架组成，实现了耙架转 速的精准控制. 尾砂浓密系统实现了尾砂的动态 浓密、耙架转速控制，还原工业浓密机的运行状态. 实验以耙架剪切速度、剪切时间和初始泥层 高度实验因素，耙架剪切速度设置为 0，0.1，1 和 10 r·min−1，泥层高度为 75，45 和 25 cm. 首先将全尾 砂加入适量清水，配置固体质量分数为 15% 的全 尾砂料浆，另配置 15 g·t−1 的絮凝剂溶液待用. 组装 浓密实验柱和耙架转动控制器后，将 ParticleTrack G400 型 FBRM 探头 ， Particle view V19 型 PVM 探 头安装到 1 #、2 #位置，分别距离浓密机底部的垂直 高度为 10 和 20 cm. 实验浓密机耙架尺寸和传感 器安装示意如图 2. Holding tank Polymer holding tank 2 # Peristaltic pump 1 # Peristaltic pump Rake motor Overflow Underflow 2 # 1 # Polymer Tailings Water PVM FBRM Rake Interface of mud bed 图 2 实验系统示意图 Fig.2 Schematic of experimental system 保持尾砂料桶内尾砂浆均匀，絮凝剂溶液制 备后静置，开启尾矿和絮凝剂给料泵向装满清水 的浓密实验柱内注入尾矿料浆和絮凝剂溶液. 待 泥层高度达到预设值后停止给料，开启底流循环 泵使料浆在实验浓密柱内重新达到均匀分布状态， 调整耙架转速并开启监测 FBRM 和 PVM 系统. 2 分析方法 d J ε dmax davg 絮团直径是絮团强度在剪切作用下的宏观体 现，絮团结构表征絮团内部链接键数量、强度和链 接方式，直接关系着絮团强度[15] . 絮团强度是指絮 团所能承受的最大外部作用力，由基本颗粒之间 的相互作用力、固体体积分数和基本颗粒尺寸，以 及基本颗粒在絮团中排列方式所决定. 絮团强度 决定了絮团破裂程度，当絮团受到的外部力大于 此值时，絮团即会发生破碎生成小絮团[3] . 由于絮 团直径 是絮团凝聚力 和动态能量耗散率 的函 数，如式（1）所示, 可知在不同剪切速率 G 条件下， 絮团直径（最大稳定絮团直径 或平均絮团直径 ）可由式（2）进行描述[16] . d = d (J,ε) （1） davg/max = Cavg/max · ε −γavg/max = Cavg/max ·G −2γavg/max （2） 周 旭等： 基于 FBRM 和 PVM 技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 · 1427 ·
1428 工程科学学报.第43卷，第11期 式中，Cavg/max为絮团直径或最大稳定絮团直径的 絮团强度表征系数，yavg/max为絮团破裂表征系数 Br= F 8dG (11) 它们是絮团在浓密过程中的表征常数，代表着基 48-indiren-A)d:9) 本颗粒间的相互作用类型和程度、基本粒子的数 其中，po为尾矿密度，pw为水的密度，Dr为絮团分 量和尺寸，以及料浆密度和黏度等参数 形维数 在流体动力学中，通常引入液体动态黏度μ， 根据式(11)如果絮团可以承受流体动力应力 来描述全局剪切速率G列： 破坏，则B小于1，絮团不会被剪切破坏；如果B大 于1，流体动力学应力就会破坏絮团结构.当剪切 G= Vμ (3) 破坏力和凝聚力相当时，絮体会保持大小不变或 在尾矿膏体浓密实验系统中，P:为浓密柱体内 增长22 搅拌耗散的能量： 3实验结果与讨论 P,=wM=2πfM (4) 3.1絮团直径演化的阶段性 因此，全局剪切速率G可以整理为： 按照FBRM测量的絮团直径，将尾矿浓密过 程絮团直径分为10m的小尺寸絮团、10~100um G=1 2πfM (5) Vμ 的中等尺寸絮团以及100m以上的大尺寸絮团. 式中，V为浓密机柱体体积，μ为液体动态黏度， 尾矿絮团沉降至膏体浓密机底部迅速发育，不断 ω为耙架剪切角速度，f为耙架搅拌频率，M为耙架 碰撞、黏结形成更大絮团，表现为絮团直径不断增 扭矩，p为流体密度 大直到最大值.在持续剪切作用下，絮团发生破 由于式(2)为降幂函数，可在双对数坐标下采 裂，絮团重构，各尺寸絮团分布逐渐达到动态平 用线性方程来进行替代阿： 衡.大尺寸絮团数量峰值和小尺寸絮团数量峰值 出现的时间和对应颗粒数量在不同剪切条件和初 Ig davg/max =1g Cavg/max-2Yavg/max IgG (6) 始泥层高度条件下存在明显差异.总体来说，耙架 絮团破碎主要受拉力和剪切力等影响，絮团破 剪切速率低和泥层高度大的条件下，絮团发育程 裂现象是由剪切破坏力F和凝聚力J之间的平衡 度更好，在经历较长的剪切作用后，絮团破碎重构 产生的，即与流体动力应力和絮团强度有关，絮 程度更高.根据絮团平均直径的变化规律，按照絮 团破裂程度B为： 团直径峰值拐点出现的时刻，大致可将尾矿浓密 F 过程絮团密实化分为3个阶段P):絮团生长期、絮 B,了 (7) 团重构期和絮团破碎期. 剪切破坏力F可按式(8)进行估算叨： 如图3所示，在不同剪切速率条件下，第1阶段 F≈rd2 (8) 内，耙架转速o=0.1rmin条件下絮团直径最大值 约为226m,10rmin条件下絮团直径最大值为 式中，σ为施加在絮团的流体动力应力.而流体动 l23um,1rmin条件下絮团直径最大值为100um, 力应力20为： 0rmin条件下絮团直径最大值为55um.低转速 =uG (9) 的剪切条件下的絮团生长达到的尺寸较大，高强 絮团凝聚力J反映絮团内部结构特征如凝聚 度的剪切造成絮团聚结生长的几率降低.在无剪 颗粒的数量、尺寸，以及絮团强度等综合特征，决 切条件下，絮团第1阶段生长期时间最短，絮团直 定了颗粒所形成的絮团破坏形式和程度，受流体 径峰值最小. 力学条件、液相组成、以及主要颗粒材料和表面 第2阶段在耙架剪切条件下絮团经历破碎分 性质的影响0根据絮体凝聚力的理论模型叫，使 散又重新聚合，絮团直径由最大值降低，再增长至 用分形维数方法进行估算： 次高值，在耙架转速1rmin条件下絮团直径变 J=48-i元dip-)d+年） 化程度最大；无剪切条件下，絮团重构现象不明 (10) 显.第3阶段大尺寸疏松结构的絮团在持续的剪 综合上述公式，尾矿浓密过程絮团破裂程度 切作用下，不断的破裂重构形成中等尺寸和小尺 可采用式(11)计算： 寸的絮团，直到最终絮团密实化，最终絮团直径保
Cavg/max γavg/max 式中， 为絮团直径或最大稳定絮团直径的 絮团强度表征系数， 为絮团破裂表征系数. 它们是絮团在浓密过程中的表征常数，代表着基 本颗粒间的相互作用类型和程度、基本粒子的数 量和尺寸，以及料浆密度和黏度等参数. µ G 在流体动力学中，通常引入液体动态黏度 ， 来描述全局剪切速率 [17] ： G = √ε µ = √ Pi Vµ （3） 在尾矿膏体浓密实验系统中， Pi 为浓密柱体内 搅拌耗散的能量： Pi = ωM = 2π f M （4） 因此，全局剪切速率 G 可以整理为： G = √ 2π f M Vµ （5） V µ ω f M ρ 式中， 为浓密机柱体体积， 为液体动态黏度， 为耙架剪切角速度， 为耙架搅拌频率， 为耙架 扭矩， 为流体密度. 由于式（2）为降幂函数，可在双对数坐标下采 用线性方程来进行替代[6] ： lgdavg/max = lgCavg/max −2γavg/max lgG （6） 絮团破碎主要受拉力和剪切力等影响，絮团破 裂现象是由剪切破坏力 F 和凝聚力 J 之间的平衡 产生的，即与流体动力应力和絮团强度有关[18] . 絮 团破裂程度 Br 为： Br = F J （7） 剪切破坏力 F 可按式（8）进行估算[19] ： F ≈ σd 2 （8） 式中，σ为施加在絮团的流体动力应力. 而流体动 力应力[20] 为： σ = µG （9） 絮团凝聚力 J 反映絮团内部结构特征如凝聚 颗粒的数量、尺寸，以及絮团强度等综合特征，决 定了颗粒所形成的絮团破坏形式和程度，受流体 力学条件、液相组成、以及主要颗粒材料和表面 性质的影响[20] . 根据絮体凝聚力的理论模型[21] ，使 用分形维数方法进行估算： J = 48− 2 3 π 5 3 d 2 3 σ(ρ0 −ρw) 2 3 d ( 1+ DF 3 ) （10） 综合上述公式，尾矿浓密过程絮团破裂程度 可采用式（11）计算： Br = F J = 5 8 πµd 2G 48− 2 3 π 5 3 d 2 3 σ(ρ0 −ρw) 2 3 d ( 1+ DF 3 ) （11） 其中， ρ0 为尾矿密度， ρw为水的密度， DF 为絮团分 形维数. Br Br 根据式（11）如果絮团可以承受流体动力应力 破坏，则 小于 1，絮团不会被剪切破坏；如果 大 于 1，流体动力学应力就会破坏絮团结构. 当剪切 破坏力和凝聚力相当时，絮体会保持大小不变或 增长[22] . 3 实验结果与讨论 3.1 絮团直径演化的阶段性 按照 FBRM 测量的絮团直径，将尾矿浓密过 程絮团直径分为 10 μm 的小尺寸絮团、10～100 μm 的中等尺寸絮团以及 100 μm 以上的大尺寸絮团. 尾矿絮团沉降至膏体浓密机底部迅速发育，不断 碰撞、黏结形成更大絮团，表现为絮团直径不断增 大直到最大值. 在持续剪切作用下，絮团发生破 裂，絮团重构，各尺寸絮团分布逐渐达到动态平 衡. 大尺寸絮团数量峰值和小尺寸絮团数量峰值 出现的时间和对应颗粒数量在不同剪切条件和初 始泥层高度条件下存在明显差异. 总体来说，耙架 剪切速率低和泥层高度大的条件下，絮团发育程 度更好，在经历较长的剪切作用后，絮团破碎重构 程度更高. 根据絮团平均直径的变化规律，按照絮 团直径峰值拐点出现的时刻，大致可将尾矿浓密 过程絮团密实化分为 3 个阶段[23] ：絮团生长期、絮 团重构期和絮团破碎期. 如图 3 所示，在不同剪切速率条件下，第 1 阶段 内，耙架转速 ω=0.1 r·min−1 条件下絮团直径最大值 约为 226 μm，10 r·min−1 条件下絮团直径最大值为 123 μm，1 r·min−1 条件下絮团直径最大值为 100 μm， 0 r·min−1 条件下絮团直径最大值为 55 μm. 低转速 的剪切条件下的絮团生长达到的尺寸较大，高强 度的剪切造成絮团聚结生长的几率降低. 在无剪 切条件下，絮团第 1 阶段生长期时间最短，絮团直 径峰值最小. 第 2 阶段在耙架剪切条件下絮团经历破碎分 散又重新聚合，絮团直径由最大值降低，再增长至 次高值，在耙架转速 1 r·min−1 条件下絮团直径变 化程度最大；无剪切条件下，絮团重构现象不明 显. 第 3 阶段大尺寸疏松结构的絮团在持续的剪 切作用下，不断的破裂重构形成中等尺寸和小尺 寸的絮团，直到最终絮团密实化，最终絮团直径保 · 1428 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
周旭等：基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 ·1429 250 250 -o-@=0rmin! -o-=75cm -@=0.1 r-min- 45 cm 写200 -0=1.0 rmin- 200 -△-H=25cm 。-=l0rmin1 5150 150 100 100 50 50 44-△△0M4 ① ① ② ③ 10 100 1000 10000 0 10 100 1000 10000 Time/s Time/s 图3不同剪切条件下絮团平均弦长变化曲线 图4不同初始泥层高度条件下絮团平均弦长变化曲线 Fig.3 Average chord length of aggregates under different shear Fig.4 Average chord length of aggregates under different initial mud conditions bed heights 持稳定.其中耙架转速0.1rmin条件下絮团直径 现，絮团直径的变化伴随着絮团结构的变化.相较 最终值约为34um,10rmin条件下絮团直径最终 使用絮团形状或尺寸参数来表示絮团结构特性， 值为32um,1rmin条件下絮团直径最终值为35um, 使用分形维数更能体现絮团的结构特征，主要是 耙架转速为0条件下絮团直径最终值为31m. 因为絮团的密实度的差异（比如絮团的孔隙率、絮 在有耙架剪切和无耙架剪切条件下，絮团最 团密度)可以通过絮团的分形特征体现出来o 终稳定的尺寸相近.同时，由不同耙架转速条件下 对PVM获取的絮团原始图像进行噪声处理， 絮团各阶段的时间特征来看，耙架转速为0时，絮 使图像灰度分布均匀，针对絮团结构颗粒堆积及 团生长期最短(1=60s),絮团重构期最长(2-= 水分分布的特点，利用尾矿固体颗粒和水分的像 867s:耙架转速0.1rmin时，絮团生长期最长(11= 素灰度值的面积和分布状态，通过阈值进行两者 464s),絮团重构期最短(2-1=738s).因此，合理的 的差异化分类.处理过程中，图像中的水分和絮团 剪切速率有利于絮团直径生长和絮团快速破裂重 都是由各自灰度值相近的像素构成，絮团或尾砂 构，但过高的剪切速率则作用相反 颗粒和水分的图像灰度值具有明显差异，通过阈 在不同初始泥层高度条件下，第1阶段絮团生 值的选取进行固液两相物质的相互区分.分形维 长期，絮团数量增多，且尺寸增大明显，其主要原 数D是絮团结构复杂性的体现，其分形维数的大 因是该时期内絮团数量增加，相互碰撞聚结导致 小和絮团中基本颗粒的聚集模式密切相关 尺寸增大.初始泥层高度75和45cm的絮团直径 根据FBRM实时在线监测浓密过程原位絮团 峰值约为226和159m,初始泥层高度25cm条件 直径和分布情况，选取絮团直径显著变化时刻的 下絮团直径峰值为90um.第2阶段絮团重构期， PVM图像进行分形维数和孔隙率的分析.由于图 当形成的松散的大尺寸絮团达到一定数量时，搅 片数量大，难以一一罗列，在此仅列出初始泥层高 拌剪切力的作用使大颗粒破碎并分散，同时小尺 度75cm耙架转速0.1rmin条件下，絮团结构变 寸絮团之间出现聚集，生长成粒径较大的絮团，因 化不同阶段内的部分典型PVM图片，如图5所示 此絮团直径在一定时间段内重复增长.第3阶段 分别根据不同剪切速率下和不同初始泥层高度 絮团破碎期，初始泥层高度75、45和25cm条件 PVM系统获取的典型絮团显微图像，获取相应的 下，絮团最终尺寸为34、42和27m. 絮团分形维数D,和孔隙率6值，并绘制不同剪切 由不同初始泥层高度条件下絮团直径演化特 速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 征（图4）来看，初始泥层高度75cm条件下絮团的 (图6)和不同初始泥层高度条件下絮团分形维数 生长阶段时间更长，絮团直径峰值最高，重构期较 和孔隙率的关系曲线（图7） 长：初始泥层高度25cm条件下，絮团的生长阶段 由此可知，分形维数随孔隙率上升而降低的 时间最短，絮团直径峰值最小，无明显重构期 趋势，二者拟合可呈指数函数关系P在耙架转速 3.2絮团分形维数和孔隙率的关系 为0rmin时，絮团分形维数较低，显示出无剪切 絮团直径是絮团特征的重要参数，絮团形状 作用下，絮团结构较为松散.耙架转速0.1rmin 和絮团直径的不同是絮团结构差异最直观的表 时絮团分形维数较高，表明合理的剪切速率有利
持稳定. 其中耙架转速 0.1 r·min−1 条件下絮团直径 最终值约为 34 μm，10 r·min−1 条件下絮团直径最终 值为 32 μm，1 r·min−1 条件下絮团直径最终值为 35 μm， 耙架转速为 0 条件下絮团直径最终值为 31 μm. 在有耙架剪切和无耙架剪切条件下，絮团最 终稳定的尺寸相近. 同时，由不同耙架转速条件下 絮团各阶段的时间特征来看，耙架转速为 0 时，絮 团生长期最短 (t1=60 s)，絮团重构期最长 (t2−t1= 867 s)；耙架转速 0.1 r·min−1 时，絮团生长期最长 ( t1= 464 s)，絮团重构期最短 (t2−t1=738 s). 因此，合理的 剪切速率有利于絮团直径生长和絮团快速破裂重 构，但过高的剪切速率则作用相反. 在不同初始泥层高度条件下，第 1 阶段絮团生 长期，絮团数量增多，且尺寸增大明显，其主要原 因是该时期内絮团数量增加，相互碰撞聚结导致 尺寸增大. 初始泥层高度 75 和 45 cm 的絮团直径 峰值约为 226 和 159 μm，初始泥层高度 25 cm 条件 下絮团直径峰值为 90 μm. 第 2 阶段絮团重构期， 当形成的松散的大尺寸絮团达到一定数量时，搅 拌剪切力的作用使大颗粒破碎并分散，同时小尺 寸絮团之间出现聚集，生长成粒径较大的絮团，因 此絮团直径在一定时间段内重复增长. 第 3 阶段 絮团破碎期，初始泥层高度 75、45 和 25 cm 条件 下，絮团最终尺寸为 34、42 和 27 μm. 由不同初始泥层高度条件下絮团直径演化特 征（图 4）来看，初始泥层高度 75 cm 条件下絮团的 生长阶段时间更长，絮团直径峰值最高，重构期较 长；初始泥层高度 25 cm 条件下，絮团的生长阶段 时间最短，絮团直径峰值最小，无明显重构期. 3.2 絮团分形维数和孔隙率的关系 絮团直径是絮团特征的重要参数，絮团形状 和絮团直径的不同是絮团结构差异最直观的表 现，絮团直径的变化伴随着絮团结构的变化. 相较 使用絮团形状或尺寸参数来表示絮团结构特性， 使用分形维数更能体现絮团的结构特征，主要是 因为絮团的密实度的差异（比如絮团的孔隙率、絮 团密度）可以通过絮团的分形特征体现出来[10] . DF 对 PVM 获取的絮团原始图像进行噪声处理， 使图像灰度分布均匀，针对絮团结构颗粒堆积及 水分分布的特点，利用尾矿固体颗粒和水分的像 素灰度值的面积和分布状态，通过阈值进行两者 的差异化分类. 处理过程中，图像中的水分和絮团 都是由各自灰度值相近的像素构成，絮团或尾砂 颗粒和水分的图像灰度值具有明显差异，通过阈 值的选取进行固液两相物质的相互区分. 分形维 数 是絮团结构复杂性的体现，其分形维数的大 小和絮团中基本颗粒的聚集模式密切相关. 根据 FBRM 实时在线监测浓密过程原位絮团 直径和分布情况，选取絮团直径显著变化时刻的 PVM 图像进行分形维数和孔隙率的分析. 由于图 片数量大，难以一一罗列，在此仅列出初始泥层高 度 75 cm 耙架转速 0.1 r·min−1 条件下，絮团结构变 化不同阶段内的部分典型 PVM 图片，如图 5 所示. 分别根据不同剪切速率下和不同初始泥层高度 PVM 系统获取的典型絮团显微图像，获取相应的 絮团分形维数 DF 和孔隙率 δ 值，并绘制不同剪切 速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 （图 6）和不同初始泥层高度条件下絮团分形维数 和孔隙率的关系曲线（图 7）. 由此可知，分形维数随孔隙率上升而降低的 趋势，二者拟合可呈指数函数关系[24] . 在耙架转速 为 0 r·min−1 时，絮团分形维数较低，显示出无剪切 作用下，絮团结构较为松散. 耙架转速 0.1 r·min−1 时絮团分形维数较高，表明合理的剪切速率有利 1 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 250 Average chord length/μm Time/s ω=0 r·min−1 ω=0.1 r·min−1 ω=1.0 r·min−1 ω=10 r·min−1 ① ② ③ 图 3 不同剪切条件下絮团平均弦长变化曲线 Fig.3 Average chord length of aggregates under different shear conditions 1 10 100 1000 10000 0 50 100 150 200 250 ② ③ Average chord length/μm Time/s H=75 cm H=45 cm H=25 cm ① 图 4 不同初始泥层高度条件下絮团平均弦长变化曲线 Fig.4 Average chord length of aggregates under different initial mud bed heights 周 旭等： 基于 FBRM 和 PVM 技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 · 1429 ·
.1430 工程科学学报.第43卷，第11期 100um 100m 100m 100um 100m 100um 100μm 100m 100m 图5初始泥层高度T5cm粑架转速0.1rmin条件下不同时刻的絮团结构pVM图像 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 rmin- 2.40 c @=0rmin- 2.4 a @=0.1 rmin- ■H=75cm D=5.94460237 △aw=l.0rmin-1 2.35fQ H=45 cm @=10 r'min- H=25 cm 2.30 0 ■ D,=5.9440237 2.3 0 △ D,=5.1758a204 0 D=4.5058a.1 2.2 D=5.46060.221 D,=5.40582Iw/ 2.15 D,=5.368a21 2.1 40 45 50 5560657075 2.1 45 55 60。 65 70 75 Porosity,/ Porosity,/% 图6不同剪切速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 图7不同初始泥层高度条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 Fig.6 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity Fig.7 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different shear rates under different initial mud bed heights 于絮团密实化，可促进料浆脱水，初始泥层高度 用的浓密机耙架剪切速率在1到20s之间阿，且 75cm时，絮团分形维数最高，絮团密实程度更高， 随泥层内高度位置的不同而变化，本文采用平均 脱水程度更高.但初始泥层高度25和45cm时，絮 剪切速率G计算絮团强度.根据式(1)~(6)，绘制 团分形维数并未随泥层高度上升而增加，推测泥 不同剪切条件下，絮团的最大尺寸与平均粒径的 层过低时，耙架搅拌作用破坏絮团结构，提高了密 分布情况，可知剪切速率的增加造成絮团平均尺 实程度 寸和絮团最大尺寸减小，但絮团直径减小的速率 3.3剪切速率和初始泥层高度对絮团直径的影响 随剪切速率上升而增大，如图8 实验浓密机采用的耙架由一根中心传动轴、 同时，绘制不同初始泥层高度H条件，絮团的 两根水平横梁、左右对称的3根导水杆组成，水平 最大尺寸与平均粒径的分布情况，可知随初始泥 横梁用于固定竖直导水杆.尾矿浓密过程一般采 层高度增加，絮团最大尺寸与絮团平均粒径都呈
于絮团密实化，可促进料浆脱水. 初始泥层高度 75 cm 时，絮团分形维数最高，絮团密实程度更高， 脱水程度更高. 但初始泥层高度 25 和 45 cm 时，絮 团分形维数并未随泥层高度上升而增加，推测泥 层过低时，耙架搅拌作用破坏絮团结构，提高了密 实程度. 3.3 剪切速率和初始泥层高度对絮团直径的影响 实验浓密机采用的耙架由一根中心传动轴、 两根水平横梁、左右对称的 3 根导水杆组成，水平 横梁用于固定竖直导水杆. 尾矿浓密过程一般采 用的浓密机耙架剪切速率在 1 到 20 s−1 之间[25] ，且 随泥层内高度位置的不同而变化，本文采用平均 剪切速率 G 计算絮团强度. 根据式（1）～（6），绘制 不同剪切条件下，絮团的最大尺寸与平均粒径的 分布情况，可知剪切速率的增加造成絮团平均尺 寸和絮团最大尺寸减小，但絮团直径减小的速率 随剪切速率上升而增大，如图 8. 同时，绘制不同初始泥层高度 H 条件，絮团的 最大尺寸与平均粒径的分布情况，可知随初始泥 层高度增加，絮团最大尺寸与絮团平均粒径都呈 Aggregate growth Aggregate reconstruction Aggregate densification 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 图 5 初始泥层高度 75 cm 耙架转速 0.1 r·min−1 条件下不同时刻的絮团结构 PVM 图像 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 40 45 50 55 60 65 70 75 2.1 2.2 2.3 2.4 Fractal dimension, DF DF=5.944δ −0.237 DF=5.460δ −0.221 DF=5.405δ −0.218 DF=5.175δ −0.206 Porosity, δ/% ω=0 r·min−1 ω=0.1 r·min−1 ω=1.0 r·min−1 ω=10 r·min−1 图 6 不同剪切速率条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 Fig.6 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different shear rates Fractal dimension, DF 45 50 55 60 65 70 75 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 DF=5.944δ −0.237 DF=4.505δ −0.17 H=75 cm H=45 cm H=25 cm Porosity, δ/% DF=5.368δ −0.218 图 7 不同初始泥层高度条件下絮团分形维数和孔隙率的关系曲线 Fig.7 Relationship between aggregate fractal dimension and porosity under different initial mud bed heights · 1430 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期
周旭等：基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 1431 30 600 2.4 d fittingd fitting 3 550 之 dwvs-C:Gin 1gC=24.757 ◆ 500 > 20 2=0.0412 口a=0rmin'(=75cm) .oa=0.1rmin"(=75cm） do=CrGi 450 7=1.0 r-min"i(H=75cm） lgC=558.227 da=0rmir(75cm) 7=0.0479 ou=0.1 r-min-t(H=45cm） a=0.1rmin(=25cm 400 21 10 2000 4000 6000 8000 Rake speed/(r-min) Time/s 图8把架剪切速率与絮团直径的关系 图10不同实验条件下的絮团破裂程度与絮团分析维数和剪切时间 Fig.8 Relationship between shear rate of rake and aggregate diameter 的关系 Fig.10 Relationship of aggregate breakage with fractal dimension and 现增大趋势.初始尾矿料浆浓度高，颗粒碰撞几率 shear time under different test conditions 增大，有利于提升絮团直径，如图9所示 结论 600 d -d fitting (I)根据FBRM系统分析絮团平均弦长变化 规律，将尾矿浓密过程絮团密实化过程分为絮团 --fiting。 生长期、絮团重构期和絮团破碎期3个阶段.同 d=CH 时，根据PVM系统获取的絮团结构图像分析，可 1gC=123.476 1=0.366 知分形维数D与孔隙率6值呈负相关的指数函数 dw-C:Hs 关系 lgC=5.419 2=0.373 (2)提高剪切速率和初始泥层高度有利于絮 50 20 30 40 50 60 70 80 团直径生长和絮团快速破裂重构，脱水效率更高， Initial mud bed height,H/cm 但过高的剪切速率则对絮团重构程度和脱水效率 图9初始泥层高度与絮团直径的关系 的影响下降.实验条件下，合理的剪切速率为 Fig.9 Relationship between initial mud layer height and aggregate 0.1rmin,初始泥层高度为75cm. diameter (3)絮团平均直径与剪切速率呈双对数线性 3.4全尾砂浓密过程中絮团破裂程度演化规律 关系，剪切速率增加造成絮团平均直径减小，且絮 将实验浓密机在0、0.1、1和10rmin条件 团平均直径减小的速率随剪切速率上升而增大， 下的平均剪切速率值，以及FBRM测量浓密过程 絮团平均直径与初始泥层高度呈正相关关系，初 各时刻的絮团弦长值作为絮团直径代入式(10) 始泥层高度增加，絮团平均直径都呈现增大趋势 当B.=1时，可得絮团分形维数平均值为D=2.2 (4)采用絮团凝聚力与剪切破坏力的平衡关 即当絮团分形维数大于22时，剪切破坏力大于 系，基于絮团直径和絮团分形维数，揭示了尾矿浓 絮团凝聚力(F>J),絮团处于破碎阶段：当絮团 密过程絮团密实化的3个阶段演化规律 分形维数等于22左右时，絮团凝聚力大致与剪 切破坏力平衡(F≈J),絮团保持相对重构阶段；当 考文献 絮团分形维数小于22时，剪切破坏力大于絮团 [1]Wu A X,Yang Y,Cheng H Y,et al.Status and prospects of paste 凝聚力(F<),絮团相互吸附搭接聚合，处于生长 technology in China.Chin J Eng,2018,40(5):517 阶段. (吴爱祥，杨莹，程海勇，等.中国膏体技术发展现状与趋势.工 根据实验获得的6组PVM图像分形维数和对 程科学学报，2018.40(5)：517) [2]Zhang N Y,Zhou J J,Wang J.A review of experimental study on 应时间，在图10中绘制D=2.2的分割线对应于 floc strength of cohesive sediment.J Sediment Res,2015(5):75 F=J,则絮团生长阶段大致发生于0~1700s时 (张乃予，周品品，王捷.黏性泥沙絮团强度的试验研究综述.泥 间段内，1700s附近絮团处于重构阶段，重构阶段 沙研究，2015(5)：75) 后絮团进入破碎阶段 [3]Sun T C.Solid and Liquid Separation.Changsha:Central South
现增大趋势. 初始尾矿料浆浓度高，颗粒碰撞几率 增大，有利于提升絮团直径，如图 9 所示. 20 30 40 50 60 70 80 15 20 25 30 davg davg fitting Average chord length/μm Initial mud bed height, H/cm 350 400 450 500 550 600 dmax dmax fitting Maximum chord length/μm davg=C2 ·H γ 2 lg C2=5.419 γ2=0.373 dmax=C1 ·H γ 1 lg C1=123.476 γ1=0.366 图 9 初始泥层高度与絮团直径的关系 Fig.9 Relationship between initial mud layer height and aggregate diameter 3.4 全尾砂浓密过程中絮团破裂程度演化规律 Br = 1 DF = 2.2 F ≈ J 将实验浓密机在 0、0.1、1 和 10 r·min−1 条件 下的平均剪切速率值，以及 FBRM 测量浓密过程 各时刻的絮团弦长值作为絮团直径代入式（10）. 当 时，可得絮团分形维数平均值为 ， 即当絮团分形维数大于 2.2 时，剪切破坏力大于 絮团凝聚力（F>J），絮团处于破碎阶段；当絮团 分形维数等于 2.2 左右时，絮团凝聚力大致与剪 切破坏力平衡 ( )，絮团保持相对重构阶段；当 絮团分形维数小于 2.2 时，剪切破坏力大于絮团 凝聚力（FJ F=J F<J Fractal dimension, DF Time/s ω=0 r·min−1 (H=75 cm) ω=0.1 r·min−1 (H=75 cm) ω=1.0 r·min−1 (H=75 cm) ω=10 r·min−1 (H=75 cm) ω=0.1 r·min−1 (H=45 cm) ω=0.1 r·min−1 (H=25 cm) 图 10 不同实验条件下的絮团破裂程度与絮团分析维数和剪切时间 的关系 Fig.10 Relationship of aggregate breakage with fractal dimension and shear time under different test conditions 4 结论 （1）根据 FBRM 系统分析絮团平均弦长变化 规律，将尾矿浓密过程絮团密实化过程分为絮团 生长期、絮团重构期和絮团破碎期 3 个阶段. 同 时，根据 PVM 系统获取的絮团结构图像分析，可 知分形维数 DF 与孔隙率 δ 值呈负相关的指数函数 关系. （2）提高剪切速率和初始泥层高度有利于絮 团直径生长和絮团快速破裂重构，脱水效率更高， 但过高的剪切速率则对絮团重构程度和脱水效率 的影响下降. 实验条件下 ，合理的剪切速率为 0.1 r·min−1，初始泥层高度为 75 cm. （3）絮团平均直径与剪切速率呈双对数线性 关系，剪切速率增加造成絮团平均直径减小，且絮 团平均直径减小的速率随剪切速率上升而增大. 絮团平均直径与初始泥层高度呈正相关关系，初 始泥层高度增加，絮团平均直径都呈现增大趋势. （4）采用絮团凝聚力与剪切破坏力的平衡关 系，基于絮团直径和絮团分形维数，揭示了尾矿浓 密过程絮团密实化的 3 个阶段演化规律. 参 考 文 献 Wu A X, Yang Y, Cheng H Y, et al. Status and prospects of paste technology in China. Chin J Eng, 2018, 40（5）: 517 （吴爱祥, 杨莹, 程海勇, 等. 中国膏体技术发展现状与趋势. 工 程科学学报, 2018, 40（5）：517） [1] Zhang N Y, Zhou J J, Wang J. A review of experimental study on floc strength of cohesive sediment. J Sediment Res, 2015（5）: 75 （张乃予, 周晶晶, 王捷. 黏性泥沙絮团强度的试验研究综述. 泥 沙研究, 2015（5）：75） [2] [3] Sun T C. Solid and Liquid Separation. Changsha: Central South 1 10 15 20 25 30 davg davg fitting dmax dmax fitting Average chord length/μm Rake speed/(r·min−1) 400 450 500 550 600 Maximum chord length/μm davg=C2 ·G−2γ 2 lg C2=24.757 γ2=0.0412 dmax=C1 ·G−2γ 1 lg C1=558.227 γ1=0.0479 图 8 耙架剪切速率与絮团直径的关系 Fig.8 Relationship between shear rate of rake and aggregate diameter 周 旭等： 基于 FBRM 和 PVM 技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 · 1431 ·
.1432 工程科学学报，第43卷，第11期 University Press,2011 [14]Greaves D,Boxall J,Mulligan J,et al.Measuring the particle size (孙体昌.固液分离.长沙：中南大学出版社，2011) of a known distribution using the focused beam reflectance [4]Chang Q.Water Treatment Flocculation.Beijing:Chemical measurement technique.Chem Eng Sci,2008,63(22):5410 Industry Press,2003 [15]Selomulya C,Bushell G,Amal R,et al.Aggregate properties in (常青.水处理絮凝学.北京：化学工业出版社，2003) relation to aggregation conditions under various applied shear [5]Tombaz E,Szekeres M.Surface charge heterogeneity of kaolinite environments.IntJ Miner Process,2004,73(2-4):295 in aqueous suspension in comparison with montmorillonite.Appl [16]Serra T,Colomer J,Logan B E.Efficiency of different shear Clay Sci,2006,34(1-4:105 devices on flocculation.Water Res,2008,42(4-5):1113 [6] Jarvis P,Jefferson B.Gregory J.et al.A review of floc strength [17]Oyegbile B,Ay P,Narra S.Flocculation kinetics and and breakage.Water Res,2005,39(14):3121 hydrodynamic interactions in natural and engineered flow systems [7]Gladman B R.Rudman M.Scales P J.The effect of shear on A review.Emviron Eng Res,2016,21(1):1 gravity thickening:Pilot scale modelling.Chem Eng Sci,2010, [18]Bubakova P,Pivokonsky M,Filip P.Effect of shear rate on 65(14):4293 aggregate size and structure in the process of aggregation and at [8]Zhang N Y,Zhou J J,Wang J.A review of experimental study on steady state.Powder Technol,2013,235:540 floc structure of cohesive sediment.J Sediment Res,2016(1):76 [19]Coufort C,Bouyer D,Line A.Flocculation related to local (张乃予，周品品，王捷.泥沙絮团结构的试验研究综述.泥沙研 hydrodynamics in a Taylor-Couette reactor and in a jar.Chem Eng 究，2016(1)：76) Sc,2005,60(8-9:2179 [9]Wu A X.Ruan Z E,Burger R,et al.Optimization of flocculation [20]Lu S C,Ding Y Q,Guo J Y.Kinetics of fine particle aggregation and settling parameters of tailings slurry by response surface in turbulence.Adv Colloid Interface Sci,1998,78(3):197 methodology.Miner Eng,2020,156:106488 [21]He J G,Liu J,Yuan Y X,et al.A novel quantitative method for [10]Guo C,He Q,Guo L C,et al.Study on the effects of turbulence on evaluating floc strength under turbulent flow conditions. cohesive sediment flocculation and settling properties.J Sediment Desalination Water Treat,2015,56(7):1975 Re5,2019,44(2):18 (郭超，何青，郭磊城，等.素动对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降影响 [22]Bouyer D,Line A,Do-Quang Z.Experimental analysis of floc size 的试验研究.泥沙研究，2019,44(2)：18) distribution under different hydrodynamics in a mixing tank. 1]Ye J.A Preliminary Study on Flocculation Kinetics and A1ChEJ,2004,50(92064 Characteristics f Flocs [Dissertation]Guangzhou:South China [23]Spicer P T,Pratsinis S E.Shear-induced flocculation:the evolution University of Technology,2011 of floc structure and the shape of the size distribution at steady (叶健.絮凝动力学及其絮体的特性的初步研究学位论文]，广 state.Wat Res,1996.30(5):1049 州：华南理工大学，2011) [24]Wang X C,Tambo N.A study on the morphology and density of [12]Nguyen T,Heath A,Witt P.Population balance-CFD modelling of flocus-I.The fractal structure of floc.Acta Sci Circum,2000. fluid flow,solids distribution and flocculation in thickener 20(3):257 feedwells /Fifth International Conference on CFD in the Process (王晓昌，丹保宪仁絮凝体形态学和密度的探讨一I.从絮凝 Industries.Melbourne,2006 体分形构造谈起.环境科学学报，2000,20(3)：257) [13]Owen A T,Nguyen T V,Fawell P D.The effect of flocculant [25]Glaman B R.The Effect of Shear on Dewatering of Flocculated solution transport and addition conditions on feedwell performance Suspensions [Dissertation].Mlebourne:the University of in gravity thickeners.Int J Miner Process,2009,93(2):115 Mlebourne,2005
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