D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.05.004 第35卷第5期 北京科技大学学报 Vol.35 No.5 2013年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2013 细粒全尾动态压密与静态压密机理 王洪江1,2)，王勇1,2)，吴爱祥1,2)四，周勃1,2)，杨鹏2》，于少峰2，彭乃兵2) 1)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 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要采用自制深锥模型进行尾矿浓缩实验，研究了全尾在动态与静态条件下的压密效果.当转速为0.05~0.80r~min1 时尾矿的极限质量分数范围为67.41%70.73%，而同等条件下静态压密时尾矿的极限质量分数只有55.82%.静态压密 主要依靠重力作用；而动态压密时颗粒更加紧密，导水杆形成的通道使多余的水向上移动.理论挤密模型可以反映全尾 压密过程，静态压密行为对应于简单立体结构，动态压密行为对应锥体结构.理论计算的两种模型产生的单位高度沉降 量为29.32%，实验结果为28.81%，与理论沉降量相差0.51%. 关键词采矿：尾矿：压密：数学模型：浓密机 分类号TD85 Dynamic compaction and static compaction mechanism of fine un- classified tailings WANG Hong-jiang2),WANG Yong2),WU Ai-riang2),ZHOU Bol2),YANG Peng),YU Shao-feng?), PENG Nai-bing2) 1)State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT Compassion experiments of tailings were carried out with a self-made deep cone model,and the compaction effects were investigated under the conditions of dynamic compaction and static compaction.When the rotational speed is 0.05 to 0.80 r.min,the limit mass fraction of tailings is in the range of 67.41%to 70.73%;under the same conditions,it is only 55.82%for static compaction.Dynamic compaction has a higher compaction because excess water can move up through the water-guiding rod,but static compaction mainly relies on the gravity.The extrusion process of tailings can be simulated by theoretical extrusion models:the static compaction behavior corresponds to a simple spatial structure,while a cone structure for the dynamic compaction behavior.The theoretical value of unit sedimentation height calculated by the two kinds of models is 29.32%,and the test result is 28.81%,0.51%lower than the theoretical value. KEY WORDS mining;tailings;compaction;mathematical models;thickeners 深锥浓密机适用于处理细粒和微细粒物料，具装置的浓缩效果是否一样，目前尚无一致的看法. 有极大的生产能力，可以获得较高的底流浓度1-2！，国外认为，Steep Cone(60)浓密机可以产出音体， 应用范围越来越广3-刃.按照浓密机内有无耙架， 但是其底流浓度是膏体浓密机中最低的④ 浓密机分为两类，即有粑装置与无耙装置.这两类 浓密机工作原理是尾砂颗粒在重力及搅拌作 收稿日期：2011-12-18 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB08B02):国家自然科学基金重点资助项目（⑤0934002）：国家自然科学 基金资助项目(51074013,51104011)：长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0950)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 细粒全尾动态压密与静态压密机理 王洪江 `, , 王 勇 `, , 吴爱祥 , , 困, 周 勃, , , 杨 鹏 , 于少峰 , 彭乃兵 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 北京科技大学土木与环境工程学院 , 北京 困 通信作者 , 一 摘 要 采用 自制深锥模型进行尾矿浓缩实验 ,研究了全尾在动态与静态条件下的压密效果 当转速为 卜 一' 时尾矿的极限质量分数范围为 滩 、 , 而同等条件下静态压密时尾矿的极限质量分数只有 静态压密 主要依靠重力作用 而动态压密时颗粒更加紧密 , 导水杆形成的通道使多余的水向上移动 理论挤密模型可 以反映全尾 压密过程 , 静态压密行为对应于简单立体结构 , 动态压密行为对应锥体结构 理论计算的两种模型产生的单位高度沉降 量为 , 实验结果为 , 与理论沉降量相差 关键词 采矿 尾矿 压密 数学模型 浓密机 分类号 恻 万` 价 。口 、`· , 叭 万` 肠 。`, , ` 一、 。`, 网, 册 刀。`,“ , 以万 尸 尹 , 撇 。一 护 , 尸 刃 乞一乙乞护 即 理 一布 叮 , 即 , , , , , 困 , 一 , · 一 , 滩 , , , , , 深锥浓密机适用于处理细粒和微细粒物料 , 具 有极大的生产能力 , 可以获得较高的底流浓度 `一 , 应用 范围越来越广 一刘 按照浓密机 内有无耙架 , 浓密机分为两类 , 即有耙装置与无耙装置 这两类 装置的浓缩效果是否一样 , 目前尚无 一致 的看法 国外认为 , 浓密机可以产 出膏体 , 但是其底流浓度是膏体浓密机中最低的 叫 浓密机工作原理是尾砂颗粒在重力及搅 拌作 收稿 日期 一 一 基金项 目 “十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 国家 自然科学基金重点资助项 目 国家 自然科学 基金资助项 目 , 长江学者和创新 团队发展计划资助项 目 盯 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.05.004
第5期 王洪江等：细粒全尾动态压密与静态压密机理 567. 用下脱水压密，形成高浓度的底流[8).重力作用 絮凝剂溶液中絮凝剂的质量分数为0.3%，絮凝剂单 对应着无耙架结构的浓密机，搅拌作用对应着有耙 耗为25gt1. 结构的浓密机.耙架是深锥浓密机的动力装置，在 (4)实验过程先添加水，再加絮凝剂溶液，通过 深锥内做缓慢的旋转搅拌，尾矿不仅做沉降运动， 程序设定转子转速为3rmin~1进行低速搅拌.搅拌 而且做圆周运动；立式砂仓没有动力装置，尾矿在 约5min,重新修改程序，设置转速为0.05rmin-1. 重力作用下做沉降运动，浓密机的高径比值影响较 同时采用自制漏斗快速添加尾砂750g 大⑨，为了区别起见，尾矿在有耙装置的浓密机内 视为动态压密，在无耙装置的浓密机内视为静态压 2实验结果 密.因此，有必要对细粒尾矿动态压密与静态压密 当搅拌时间达到12h时，料浆高度不再变化， 效果进行对比分析，揭示膏体浓密机理. 达到尾矿的极限质量分数.实验结果如表3. 1实验装置和方法 表3实验结果 1.1实验材料 Table 3 Test results 尾矿的极限 实验材料来自某铜钼矿选厂，该尾矿容重较 转速/(rmin1)初始高度/mm极限高度/mm 质量分数/% 小，孔隙率相对较大，尾矿的理论饱和质量分数低， 0 340 118 55.82 基本物理性能如表1所示.粒级组成如表2所示， 0.05 340 86 67.86 该尾矿-45um质量分数为45%. 0.10 341 81 70.73 0.20 342 84 69.75 表1全尾砂基本物理性能 0.40 340 83 69.27 Table 1 Basic physical properties of the tailings 0.80 338 85 67.41 理论饱和质量 真密度/(t-m-3)容重/(tm-3)孔隙率/% 分数/% 根据表3，绘制尾矿的极限底流质量分数与转 2.688 1.4 47.92 74.50 子转速之间的关系如图1. 表2尾矿粒度分布 Table 2 Particle size distribution of tailings ￥70 筛孔尺寸/m -180-120 -74 -45 -25 质量分数/%9878654532 1.2实验装置 60 采用自制深锥模型装置，该装置内径100mm, 上部留有加料口，侧壁接有滋流管，筒壁正面有刻 55A 度，整个装置呈透明状，可直接记录沉降高度，观 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 察浓密情况.该装置与传统静态沉降装置主要有两 转子转速/(r.min-) 点不同：一是顶部有专门的絮凝剂添加位置，使得 图1尾矿的极限质量分数与转子转速之间的关系 絮凝剂添加混合更加方便、均匀：二是内部添加了 Fig.1 Relationship between the limit mass fraction of solid 一个转速可调的耙架，最低转速可达0.03rmin-1 and rotational speed 1.3实验方法 (1)观察模型中尾砂的沉降情况.以固液分离 3 分析与讨论 界面不再变化时浆体高度为极限高度，将极限高度 3.1动态与静态压密效果比较 内的浆体视为底流.计算极限高度对应的尾矿极限 通过动态压密和静态压密对比实验可知，在 质量分数，此时的用水量为总水量减去上清液量. 料浆浓度、絮凝剂浓度、单耗等因素相同的情况 (2)每组实验以转速不同作为影响因素.按 下，同样的集料其动态与静态压密时尾矿的极限质 照等比数列设置转子搅拌速度，分别为0.05、 量分数差别较大.静态压密时尾矿的极限质量分数 0.1、0.2、0.4和0.8rmim-1,并与转速为零的静态 为55.82%，而动态压密时尾矿的极限质量分数为 沉降实验作对比. 70.73%,两者相差14.91%.可见，依靠静态沉降装 (3)每组实验料浆配置尾矿的质量分数为25%， 置预测尾矿的极限质量分数并不可靠，不能得到青
第 期 王洪江等 细粒全尾动态压密与静态压密机理 · · 用下脱水压密 , 形成高浓度 的底流 重力作用 对应着无耙架结构的浓密机 , 搅拌作用对应着有耙 结构的浓密机 耙架是深锥浓密机 的动力装置 , 在 深锥 内做缓慢 的旋转搅拌 , 尾矿不仅做沉 降运动 , 而且做圆周运 动 立式砂仓没有动力装置 , 尾矿在 重力作用下做沉降运动 , 浓密机的高径 比值影响较 大 为了区别起见 , 尾矿在有耙装置的浓密机 内 视 为动态压密 , 在无耙装置的浓密机 内视为静态压 密 因此 , 有必要对细粒尾矿动态压密与静态压密 效果进行对 比分析 , 揭示膏体浓密机理 絮凝剂溶液 中絮凝剂 的质量分数为 , 絮凝剂单 耗为 一' 实验过程先添加水 , 再加絮凝剂溶液 , 通过 程序设定转子转速为 · 一 进行低速搅拌 搅拌 约 , 重新修改程序 , 设置转速为 一` 同时采用 自制漏斗快速添加尾砂 实验结果 当搅拌时间达到 时 , 料浆高度不再变化 , 达 到尾矿 的极限质量分数 实验结果如表 表 实验结果 尸 三 转速 · 一` 初始高度 极限高度 尾矿的极限 质量分数 一 几」门只︶︸︵ 实验装置和方法 实验材料 实验材料来 自某铜铝矿选厂 , 该尾矿 容重较 小 , 孔隙率相对较大 , 尾矿的理论饱和质量分数低 , 基本物理性能如表 所示 粒级组成如表 所示 , 该尾矿 一 卜 质量分数为 表 全尾砂基本物理性能 一 一 一 真密度 · 一 容重 一 孔隙率 理论饱和质量 分数 根据表 , 绘制尾矿 的极限底流质量分数与转 子转速之间的关系如图 氧众圳妈璐矍叠形岁 阮日 表 尾矿粒度分布 泊 筛孔尺 寸 卜 质量分数 一 一 一 一 一 实验装置 采用 自制深锥模型装置 , 该装置 内径 , 上部留有加料口 , 侧壁接有溢流管 , 筒壁正面有刻 度 , 整个装置呈透 明状 , 可直接记录沉降高度 , 观 察浓密情况 该装置与传统静态沉 降装置主要有两 点不 同 一是顶部有专 门的絮凝剂添加位置 , 使得 絮凝剂添加混合更加方便 、均匀 二是 内部添加 了 一个转速可调 的耙架 , 最低转速可达 一` 实验方法 观 察模型中尾砂的沉 降情况 以固液分离 界面不再变化时浆体高度为极限高度 , 将极 限高度 内的浆体视为底流 计算极限高度对应的尾矿极 限 质量分数 , 此时的用水量为总水量减去上清液量 每组实验 以转速 不 同作 为影响 因素 按 照 等 比数列设置 转子搅拌速 度 , 分别为 、 · 、 、 和 一 , 并与转速为零的静态 沉降实验作对 比 每组实验料浆配置尾矿 的质量分数为 , 匕一一一一 — 习— 一 一 一 一 — `一 一习 刃 滩 石 转子转速 一' 图 尾矿的极 限质量分数与转子转速之间的关系 分 析 与讨论 动态与静态压密效果 比较 通过动态压密和静态压密对 比实验可知 , 在 料浆浓度 、 絮凝剂浓度 、 单耗等 因素相 同的情况 下 , 同样的集料其动态与静态压密时尾矿 的极限质 量分数差别较大 静态压密时尾矿的极限质量分数 为 , 而动态压密时尾矿 的极限质量分数为 , 两者相差 可见 , 依靠静态沉降装 置预测尾矿的极限质量分数并不可靠 , 不能得到膏
568. 北京科技大学学报 第35卷 体中尾矿的最大质量分数值 式中，w为水的容重，s为颗粒容重. 实验结果表明，没有内部旋转结构的浓密机底 流浓度是很难提高的.因此，只有通过动态压密，才 能大幅度提高尾矿的极限质量分数. 3.2不同转速对尾矿极限质量分数的影响 由图1可知，当转速为0.1r/min时，尾矿极限 质量分数最大为70.73%.随着转速的增大，尾矿极 限质量分数迅速上升，并达到峰值.之后，尾矿极限 质量分数逐渐下降.这是因为转速过快对尾砂造成 扰动，絮凝效果受到影响；转速太慢，影响导水效 率，由于泥层较高，颗粒间水分来不及泌出，泌水 通道又重新堵死. 絮凝剂缓慢、均匀地加入矿浆中，逐渐形成絮 团，并慢慢长大.耙子搅拌速度对絮团的沉降非常 重要，低速搅拌不会破坏已长大的絮团.转速不同， 图2静态压密过程静水压力示意图(1代表澄清层高度，h1 尾矿秘水效率不同，其极限质量分数也不相同. 代表泥层高度) 3.3膏体浓密机理 Fig.2 Hydrostatic pressure of static compaction (h,clarifi- 3.3.1静态与动态浓密的共同点 cation height;hi,mud height) 深锥内部的压缩层是由固体颗粒和孔隙组成， 处于压缩过程中的颗粒，由于各自的高度不 孔隙中充满水，颗粒之间相互接触，通过接触点传 同，因此所受的有效应力各不相同.在不同的高度 递压力.将压缩层任一单元上所有接触点传递的力 下孔隙率也不同，即压力不同时，颗粒间的孔隙不 ,的总和称为有效应力σ'，孔隙水产生的静水压力称 同.在压力的作用下，颗粒之间互相连接的强度将 为孔隙水压力P.因为水中任何一点所受压力值在 由于受到削弱或破坏而产生相对移动，使得颗粒重 各个方向上都是同等的，所以并不能使其中的颗粒 新排列，相互挤紧.颗粒之间孔隙中的水也同时被 产生位移，也不能使颗粒层压缩.只有有效应力可 排出，颗粒间的孔隙体积因而变小 以使颗粒产生位移，同时又使颗粒之间相互产生压 3.3.2静态与动态压密机理的区别 缩。 浓密机浓密过程是利用药剂对部分颗粒作用 如图2所示，某一压缩层有效应力σ等于泥 形成包裹层，在包裹的过程，必然有水分积聚在絮 层高度h2乘以浮容重1o,即 团内部，以及絮团之间.在静态压密时，没有外力 打破絮团之间的平衡。深锥浓密机内部耙架结构相 a'=h2.Y. (1) 当于在静态重力压密的基础上增加外力，即扭矩， 其中，表示浮容重 如图3.在动态压密过程中，由于添加了导水装置， 可以通过对平衡状态的料浆进行有效搅动，部分絮 Y=Ys-Yw. (2) 团或颗粒受力平衡被打破 滋流清水 矿层面一 料浆 底流排 (a) (b) 图3两类浓密机结构对比示意图.()无耙结构；(b)有耙结构 Fig.3 Structure contrast between two kinds of thickeners:(a)rake-less structure;(b)structure with a rakes
5 6 8 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 体中尾矿 的最大质量分数值 实验结果表 明 , 没有 内部旋转结构 的浓密机底 流浓度是很难提高的 因此 , 只有通过动态压密 , 才 能大幅度提高尾矿 的极 限质量分数 不 同转速对尾矿极限质量分数的影响 由图 可知 , 当转速为 时 , 尾矿极限 质量分数最大为 随着转速的增大 , 尾矿极 限质量分数迅速上升 , 并达到峰值 之后 , 尾矿极限 质量分数逐渐下降 这 是因为转速过快对尾砂造成 扰动 , 絮凝效果受到影响 转速太慢 , 影响导水效 率 , 由于泥层较高 , 颗粒 间水分来不及泌 出 , 泌水 通道 又重新堵死 絮凝剂缓慢 、均匀地加入矿 浆中 , 逐渐形成絮 团 , 并慢慢长大 耙子搅拌速度对絮团的沉 降非常 重要 , 低速搅拌不会破坏已长大的絮 团 转速不同 , 尾矿泌水效率不同 , 其极限质量分数也不相 同 膏体浓密机理 静态 与动态浓密 的共同点 深锥 内部 的压缩层是 由固体颗粒和孔 隙组成 , 孔隙中充满水 , 颗粒之 间相互接触 , 通过接触点传 递压力 将压缩层任一单元上所有接触点传递 的力 的总和称为有效应力 日 , 孔隙水产生的静水压力称 为孔 隙水压力 尸 因为水 中任何一点所受压力值在 各个方 向上都是同等的 , 所以并不能使其中的颗粒 产生位移 , 也不能使颗粒 层压缩 只有有效应力可 以使颗粒产生位移 , 同时又使颗粒之 间相互产生压 缩 如 图 所示 , 某一压缩层有效应力 ' 等于泥 层高度 乘以浮容重 训 ` , 即 式 中 , 枷 为水的容重 , 甲 为颗粒容重 扭 土 图 静态压密过程静水压力示意图 恤 代表澄清层高度 , 代表泥层高度 , 人 , ` ·丫 其中 , 丫 表示浮容重 丫 甲 一枷 · 处于压缩过程 中的颗粒 , 由于各 自的高度不 同 , 因此所受的有效应力各不相同 在不 同的高度 下孑 隙率也不同 , 即压力不 同时 , 颗粒间的孔隙不 同 在压力的作用下 , 颗粒之间互相连接 的强度将 由于受到削弱或破坏而产生相对移动 , 使得颗粒重 新排列 , 相互挤紧 颗粒之间孔 隙中的水也 同时被 排出 , 颗粒间的孔隙体积因而变小 静态与动态压密机理的区别 浓 密机浓密过程是利用 药剂对部分颗粒作用 形成包裹层 , 在包裹的过程 , 必然有水分积聚在絮 团内部 , 以及絮团之间 在静态压密时 , 没有 外力 打破絮 团之间的平衡 深锥浓密机 内部耙架结构相 当于在静态 重力压密 的基础上增加外力 , 即扭矩 , 如图 在动态压密过程中 , 由于添加 了导水装置 , 可 以通过对平衡状态 的料浆进行有效搅动 , 部分絮 团或颗粒受力平衡被打破 溢流清水 矿层 面 黝 图 两类浓密机结构对比示意图 无耙结构 有耙结构 一 毛
第5期 王洪江等：细粒全尾动态压密与静态压密机理 569 尾砂颗粒由于自重远大于粒间相互作用力，所 扰，对应于简单立体结构.对于动态压密，有耙子 以粒间联结很傲弱，在重力作用下堆积形成单粒结 的旋转，相当于颗粒在四个方向进行滑动，对应于 构.静态压密时絮凝结构疏松，水分无法排出.动态 椎体结构或四面体结构：而深锥浓密机内料浆只有 压密时水分排出后，体重增大，压力上升，结构变 泥层压力，并没有人为外加很大的压力，很难达到 形.因此，静态压密与动态压密时颗粒排列方式有 四面体结构，因此动态压密对应于锥体结构 松散和紧密两种状态，如图4. 静态压密基本依靠重力沉降，对应于挤密模型 松散排列是颗粒与颗粒相互接触，孔隙比较 中的简单立体结构，因此孔隙比较大，如图5.经 大，这种孔隙从力学角度分析是不稳定的，使料浆 过足够动态压密时间的细粒全尾，料浆已经趋于饱 处于松散状态.在耙子外力扰动时，松散排列就会 和，孔隙比较小，根据上述分析，此时料浆颗粒结 失去稳定，颗粒在重力和泥层压力作用下重新排列， 构对应于理论密实程度的锥体结构，如图6 周围微细颗粒将落入孔隙内，浆体结构将产生不可 恢复的变形，使得料浆得到压实，浓度升高.与此 同时，孔隙间的水分沿着导水装置打开的一条条泌 水通道升至泥层上部，伴随着溢流水溢出 可见，静态压密时，料浆浓密主要依靠泥层压 力的不断增加来提升浓度，而分布于絮团之间的水 分不易达到泥层上部，这也是静态压密浓度较低的 平面图 侧面图 原因. 图5简单立体结构 空隙 Fig.5 Simple three-dimensional structure (a) (b) V2R 平面图 侧面图 图4耙子扰动前后料浆松散程度示意图.(a)松散：(b)紧密 图6锥体结构 Fig.4 Slurry loose degree before and after the rake's distur- Fig.6 Pyramidal structure bance:(a)loose;(b)close 简单立体结构和锥体结构密度和孔隙比等参 3.3.3全尾砂音体的理论挤密模型 数如表413，表中密度是指颗粒体积与单位体积结 上述分析表明，静态压密的物料颗粒处于松散 构体积的比值，孔隙比是指孔隙和颗粒的体积比. 状态，动态压密的物料颗粒处于紧密状态，可见颗 粒结构起到了至关重要的作用.散体颗粒的挤密方 表4不同挤密方式下的密度和孔隙比 式分为简单立体结构、简单交错结构、楔形结构、 Table 4 Density and porosity ratio for different compaction 锥体结构和四面体结构五种2，密实程度依次递 ways 增 挤密方式 接触点数层间距密度 孔隙比 五种理论挤密方式，有两个前提条件：第一，有 简单立体结构 6 2R /6 0.91 锥体结构 12 V2R π/3V2 0.35 边界条件；第二，球体滑动或者旋转.简单立体结 构是颗粒整齐紧密的排列，没有受到外界影响的排 列方式：简单交错结构是颗粒只向一个方向滑动： 对于简单立体结构，切取一个立方体单元，则 楔形结构是颗粒向相对的两个方向滑动；锥体结构 该单元所占空间为(2R)3,球的体积为(4/3)πR3,因 是颗粒向四个方向滑动；而四面体结构与锥体结构 此简单立体结构孔隙比为 的孔隙比相同，只是层间距更小，该类结构需要强 加较大的压力才能达到. 8R3、4 e1= 4 =0.91 (3) 综上所述，深锥浓密机静态压密没有外力的干 3n3
第 期 王洪江等 细粒全尾动态压密与静态压密机理 · · 尾砂颗粒 由于 自重远大于粒间相互作用力 , 所 以粒间联结很微弱 , 在重力作用下堆积形成单粒结 构 静态压密时絮凝结构疏松 , 水分无法排出 动态 压密时水分排 出后 , 体重增大 , 压力上升 , 结构变 形 因此 , 静态压密与动态压密时颗粒排列方式有 松散和 紧密两种状态 , 如图 松 散排 列是颗粒与颗粒相互接触 , 孔 隙比较 大 , 这种孔隙从力学角度分析是不稳定的 , 使料浆 处于松散状态 在耙子外力扰动 时 , 松散排列就会 失去稳定 , 颗粒在重力和泥层压力作用下重新排列 , 周围微细颗粒将落入孔隙内 , 浆体结构将产生不可 恢复的变形 , 使得料浆得到压实 , 浓度升高 与此 同时 , 孔隙间的水分沿着导水装置打开的一条条泌 水通道升至泥层上部 , 伴随着溢流水溢 出 口' 可见 , 静态压密时 , 料浆浓密主要依靠泥层压 力的不断增加来提升浓度 , 而分布于絮团之间的水 分不易达到泥层上部 , 这也是静态压密浓度较低的 原因 扰 , 对应于简单立体结构 对于动态压密 , 有耙 子 的旋转 , 相当于颗粒在 四个方 向进行滑动 , 对应于 椎体结构或四面体结构 而深锥浓密机内料浆只有 泥层压力 , 并没有人为外加很大 的压力 , 很难达到 四面体结构 , 因此动态压密对应于锥体结构 静态压密基本依靠重力沉降 , 对应于挤密模型 中的简单立体结构 , 因此孔 隙比较大 , 如 图 经 过足够动态压密时间的细粒全尾 , 料浆 己经趋于饱 和 , 孔隙比较小 , 根据上述分析 , 此 时料浆颗粒结 构对应于理论密实程度的锥体结构 , 如图 卜令件拭 窦 卜冷价拭 篇 平面图 空 隙 侧面图 图 简单立体结构 一 峥 图 耙子扰动前后料浆松散程度示意 图 松散 紧密 , 平面图 侧面图 图 锥体结构 · 全尾砂膏体 的理论挤密模型 上述分析表明 , 静态压密的物料颗粒处于松散 状态 , 动态压密的物料颗粒处于紧密状态 , 可见颗 粒结构起到了至关重要的作用 散体颗粒 的挤密方 式分为简单立体结构 、 简单交错结构 、 楔形结构 、 锥 体结构和四面体结构五种 阵 , 密实程度依次递 增 五种理论挤密方式 , 有两个前提条件 第一 , 有 边 界条件 第二 , 球体滑动或者旋转 简单立体结 构是颗粒整齐紧密的排列 , 没有受到外界影响的排 列方式 简单交错结构是颗粒只 向一个方 向滑动 楔形结构是颗粒 向相对的两个方向滑动 锥体结构 是颗粒向四个方 向滑动 而四面体结构与锥体结构 的孔隙比相 同 , 只是层 间距更小 , 该类结构需要强 加较大的压力才能达到 综上所述 , 深锥浓密机静态压密没有外力的干 简单 立体 结构和锥 体结构密度和孔隙 比等参 数如表 , 表中密度是指颗粒体积与单位体积结 构体积 的比值 , 孔 隙比是指孔隙和颗粒的体积比 表 不同挤密方式下的密度和孔隙比 挤密方式 接触点数 层 间距 厄 密度 兀 兀 扼 孔 隙比 简单立体结构 锥体结构 对于简单立体结构 , 切取一个立方体单元 , 则 该单元所 占空间为 “, 球的体积为 二 “, 因 此简单立体结构孔隙 比为 吕瓦 。, 一 二兀月 。 — — — 沙 任 二兀此
.570 北京科技大学学报 第35卷 对于锥体结构，切取一个立方体单元，其边长是 (4)采用理论挤密模型对实验结果进行验证. (4/√2)R,体积为(32/V2)R,在这个立方体单元 验证结果显示，静态压密行为对应于简单立体结构， 中有6个半球和8个1/8球体，每个球体的体积为 动态压密行为对应锥体结构，理论计算的两种模型 (4/3)元R3,所以孔隙比为 的单位高度沉降量为29.32%.实验结果计算的单 32R3-4 位高度沉降量为28.81%，与理论沉降量相差0.51%. e2=v 实验结果与理论挤密模型相吻合， =0.35. (4) 3R 4 4 参考文献 散体颗粒两种不同排列方式所产生的单位厚度沉降 量计算方法为13) [1]Wang H J,Wang Y,Wu A X,et al.Research of paste 4=1-e2 new definition from the viewpoint of saturation ratio and 1+e1 (5) bleeding rate.J Wuhan Univ Technol,2011,33(6):85 (王洪江，王勇，吴爱祥，等.从饱和率和泌水率角度探讨膏 式中：△为单位厚度沉降量：e1为简单交错结构孔 体新定义.武汉理工大学学报，2011,33(6)：85) 隙比；e2为锥体结构孔隙比. [2)Gou J L,Zhao F G.Application of high-efficiency deep 将孔隙比e1、e2的值代入式（⑤），计算得A为 cone thickener in Meishan concentrator.Express Inf Min 0.2932,即厚度可减少29.32%. 1nd,2007(3):70 3.3.4动态压密与静态压密时尾矿的极限质量分数 (勾金玲，赵福刚.高效深锥浓密机在梅山选厂的应用.矿 验算 业快报，2007(3)：70) 静态压密实验料浆中尾矿的极限质量分数 3 Lake P,Boris M E,Gollaher T.High density paste thick- 55.82%,动态压密时平均质量分数为69.07%，对应 ener in siberia /Proceedings of the 13th International 的泥层极限高度分别为118cm和84cm,则沉降量 Seminar on Paste and Thickened Tailings.Canada,2010: 为 411 △h=h1-h2=118-84=0.281. [4]Daniel Tao,Parekh B K,Honaker R.Development and (6) 118 Pilot-scale Demonstration of Deep ConeTM Paste Thick- 计算得到静态压密与动态压密泥层高度沉降 ening Process for Phosphatic Clay Disposal Final Report. 量2881%，与按照静态压密对应简单立体结构，动 Lexington:University of Kentucky.Florida Institute of 态压密对应于锥体结构排列，计算得到的单位厚度 Phosphate Research(FIPR),2008 沉降量29.32%相差0.51%.说明实验结果与理论挤 5)Gu Z J.Application of the biggest deep cone paste thick- 密模型高度吻合. ener in domestic copper-molybdenum mine.Gold,2010, 31(11):43 4结论 (谷志君，最大型膏体膏体浓密机在中国铜钼矿山的应用 黄金，2010,31(11)：43) (1)通过自制深锥模型进行静态与动态压密对 [6 Rosart J W.Advantages of bolted tank construction for 比实验，发现尾矿的极限质量分数差别较大.当转 paste thickeners /Proceedings of the 13th International 速为0.1r/min,极限质量分数最大为70.73%：随着 Seminar on Paste and Thickened Tailings.Toronto,2010: 转速的增大，尾矿的极限质量分数迅速上升，并达 403 到峰值：之后，极限质量分数逐渐下降 [7]Huynh L,Beattie D A,Fornasiero D,et al.Effect of (2)与同等条件下动态压密相比，静态压密下 polyphosphate and naphthalene sulfonate formaldehyde 的极限质量分数只有55.82%，下降了14.91%.可 condensate on the rheological properties of dewatered tail- 见，依靠静态沉降装置预测尾矿的极限质量分数并 ings and cemented paste backfill.Miner Eng,2006,19 (1): 不可靠，只有动态压密实验才能测出尾矿的膏体浓 28 度最大值. 8 Jiao H Z,Wang H J,Wu A X,et al.Rule and mecha- (3)膏体动态压密与静态压密的共同点是都遵 nism of flocculation sedimentation of unclassified tailings. J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(6):702 循有效应力原理，受到泥层重力压密.二者区别是， (焦华喆，王洪江，吴爱祥，等。全尾砂絮凝沉降规律及其机 动态压密添加了耙架装置，通过对平衡状态的料浆 理.北京科技大学学报，2010,32(6)：702) 进行有效搅动，部分絮团或颗粒受力平衡被打破， 9 Wang Y,Wang H J,Wu A X.Mathematical model of 使得颗粒更加密实. deep cone thickener underflow concentration based on the
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 对于锥体结构 , 切取一个立方体单元 , 其边长是 梅 , 体积为 梅 ”, 在这个立方体单元 中有 个半球和 个 球体 , 每个球体的体积为 二 “, 所以孔隙比为 。 八 上毛 一 二兀 、一 、 二兀 】 散体颗粒两种不 同排列方式所产生的单位厚度沉降 量计算方法为 卜 乙二兰匕二兰 式中 乙 为单位厚度沉降量 。 为简单交错结构孔 隙比 。 为锥体结构孔隙比 将孔隙比 。, 、 的值代入式 , 计算得 乙为 , 即厚度可减少 动态压密与静态压密时尾矿的极限质量分数 验算 静 态 压密 实 验 料浆 中尾矿 的极 限质 量 分数 , 动态压 密时平均质量分数为 , 对应 的泥层极限高度分别为 和 , 则沉降量 为 采用理论挤密模型对 实验 结果进行验证 验证结果显示 , 静态压密行为对应于简单立体结构 , 动态压密行为对应锥体结构 , 理论计算的两种模型 的单位高度沉降量 为 实验 结果计算 的单 位高度沉降量为 , 与理论沉降量相差 实验结果与理论挤密模型相吻合 参 考 文 献 ■ 一 一 计算得 到静态压密与动态压密泥层 高度沉 降 量 , 与按照静态压密对应简单立体结构 , 动 态压密对应于锥体结构排列 , 计算得到的单位厚度 沉降量 相差 说明实验结果与理论挤 密模型高度吻合 结论 通过 自制深锥模型进行静态与动态压密对 比实验 , 发现尾矿 的极限质量分数差别较大 当转 速为 , 极限质量分数最大为 随着 转速 的增大 , 尾矿的极 限质量分数迅速上升 , 并达 到峰值 之后 , 极 限质量分数逐渐下降 与同等条件下动态压密相比 , 静态压密下 的极 限质量分数只有 , 下降了 可 见 , 依靠静态沉降装置预测尾矿的极限质量分数并 不可靠 , 只有动态压密实验才能测 出尾矿的膏体浓 度最大值 膏体动态压密与静态压密 的共同点是都遵 循有效应力原理 , 受到泥层重力压密 二者区别是 , 动态压密添加 了耙架装置 , 通过对平衡状态的料浆 进行 有效搅动 , 部分絮 团或颗粒受力平衡被 打破 , 使得颗粒更加密实 〔 , , 认、 , , · 八` 枷 。几` , , 王洪江, 王勇, 吴爱祥 , 等 从饱和率和泌水率角度探讨膏 体新定义 武汉理工大学学报 , , , 一 百哪〕二 械 几 , 勾金玲 , 赵福刚 高效深锥浓密机在梅山选厂的应用 矿 业快报, , , 。夕 爪 二 二 仇乞 几 几 几 几 , , , , 。。 二 尸 亡一、 亡二 乞。二 刀 尹 。。 入了尸 。 丸 即 、, 云 夕 尸。, 几 、 , 」 职 。 一 , , 谷志君 最大型膏体膏体浓密机在中国铜铝矿山的应用 黄金 , , 鳍 , 。夕 几 二 艺乞 爪 坛几 几 七 已 几夕 , 【 , , 凡 , , 。。 夕, , 【 , , 、 , , , 战 协。夕, , 焦华品, 王洪江 , 吴爱祥, 等 全尾砂絮凝沉降规律及其机 理 北京科技大学学报 , , , 叭 , · 二 一
第5期 王洪江等：细粒全尾动态压密与静态压密机理 .571· height to diameter ratio.J Wuhan Unin Technol,2011. (王勇，王洪江，吴爱祥，等.细粒尾矿泌水特性及其影响因 338):113 素.黄金，2011,32(9)：51) (任勇，王洪江，吴爱祥.基于高径比的深锥浓密机底流浓[12 Japan Soil Society.Site Compaction of Coarse-grained 度数学模型.武汉理工大学学报，2011.33(8)：113) Materials.Guo X L.Wen D,Translated.Beijing:China [10]Zhan HH.Yang X S.Cai M H.Thickener compression Water Power Press.1999 process and its relevant calculation.Met Mine,1989(11): (日本土质工学会.粗粒料的现场压实.郭熙灵，文丹，译 45 北京：中国水利水电出版社，1999) (湛含辉，杨小生，蔡明华.浓密机中压缩过程及其有关计[l3)WuAX,SunY乙，Liu X P.Granular Dynamic The- 算.金属矿山，1989(11)：45) ory and Its Application.Beijing:Metallurgical Industry [11]Wang Y,Wang H J,Wu A X,et al.Research of fine tail- Press,2002 ings bleeding characteristics and influence factors.Gold. (吴爱祥，孙业志，刘湘平，散体动力学理论及其应用.北 2011.32(9):51 京：冶金工业出版社，2002)
第 期 王洪江等 细粒全尾动态压密与静态压密机理 【 」 , 晰 ` 阶 , 牲 , , 王勇, 王洪江, 吴爱祥`基于高径 比的深锥浓密机底流浓 度数学模 型 武汉理工大学学报, , , 跳 材。 人了, , 。, 湛含辉 杨 小生, 蔡明华 浓密机 中压缩过程及其有关计 算 金属矿 , 、从 、 、丫 , 、 , , 、 、 、 , 【 【 王勇, 王洪江 , 吴爱祥, 等 细粒尾矿泌水特性及其影响因 素 黄金 , 亡 刀 几 咫 一夕 乞倪 一 , 七 , , 几 口 沪尸 。叼 尸理 , 日本土质工学会 粗粒料的现场压实 郭熙灵 文丹 , 译 北京 中国水利水 电出版社 , , 几私 写几 爪 , 艺 夕 亡 , 吴爱祥, 孙业志 刘湘平 散体动力学理论及其应用 北 京 冶金工业 出版社