·988· 工程科学学报，第41卷，第8期 the average radius of balls decreases slightly in the range of 40-60 um under shearing.The average radius of sticks decreases from 9.83 pm to 8.58 um,i.e.,by 12.7%.Nevertheless,the length of sticks exhibits only a slight change.The coordination number of balls increases significantly from 25.73%to 44.58%in the range of 5-10 under shearing,and the particles are in close contact.The concept of "the volume ratio of pores to balls"is proposed for the quantitative characterization of the pore structure.The volume frac- tion of balls decreases from 14.14%to 12.75%,the decrease rate of volume fraction is 9.83%,and volume fraction of sticks decrea- ses from 28.91%to 23.84%,the decrease rate of volume fraction is 17.54%.The volume ratio of balls to sticks increases from 48.91%to 53.48%,and increase rate of it is 9.34%.When the volume decrease of balls is more than that of sticks,the volume ratio of balls to sticks increases.This work reveals the shearing drainage mechanism of unclassified tailings gravity thickening from the per- spective of pore structure change,i.e.,the drainage is mainly discharged from the throat more than the pore from the tailings thickener bed shear dewatering process. KEY WORDS paste filling;gravity thickening;shearing;porosity;water drainage channel;volume ratio of ball to stick 全尾砂膏体充填技术是建设绿色矿山实现高效 本文采用高精度工业CT对有/无剪切作用下 安全生产的关键技术，能够有效地解决生产过程中 的全尾砂压密区样品内部进行微观扫描，对获取的 带来的环境问题和安全问题.高浓度全尾砂浆是制 图像预处理并进行三维重构，在重构体的基础上建 备优质膏体的前提，全尾砂充填技术存在的关键问 立等价的孔隙网络模型，对孔隙空间结构进行定量 题之一就是膏体脱水，提高尾砂浆浓度、减少尾砂絮 分析.观察样品内部球体和棍体的演化规律，分析 团孔隙间水分含量成为研究的关键和热点.剪切 剪切前后导水通道和配位数的变化：为提高全尾砂 作用是影响全尾砂浓密效果的外在条件，可以破坏 孔隙间水分排出的研究奠定基础，为解决目前全尾 松散的絮团结构，使得微颗粒填充至孔隙中间，从而 砂膏体充填过程中遇到的脱水困难等问题提供新的 减小孔隙尺寸形成导水通道，实现强制性脱水并增 研究思路和技术方法 强底流浓度[)，因此研究剪切作用下浓密床层细观 1实验 孔隙结构及导水通道的演化规律对优化膏体脱水具 有重要意义. 1.1全尾砂动态连续浓密试验 国内外学者在膏体充填方面做了很多研究并将 实验尾矿取自甘肃某钒铁矿厂，通过筛分试验 研究成果与实际工程结合起来[36].在膏体充填力 确定尾砂颗粒的级配，如图1所示.尾砂累计粒度 学方面[0]，尹升华等研究了填充体单轴抗压与裂 分布达到10%、50%、90%时所对应的粒径分别用 隙发育特征的关系；Cao等研究了分层尾砂胶结充 D1o、D0和Do表示，其中D1o为1.56um,D0为17.20 填体的力学特征：杨志强等进行了混合集料充填体 m,Do为94.34um.-200目颗粒(74um)质量分 的强度研究.在膏体微观孔隙方面-]，刘浪等研 数达到87.4%，-400目(37m)68.36%.通过比 究了微观尺度下含硫尾砂孔隙裂隙对充填体的影 重实验测出该全尾砂的密度为2.966t·m3,密实容 响：Sun等借助CT技术对单轴压缩下的填充体进行 重为1.617tm-3,松散容重为1.438tm-3 微观结构分析：杨保华等采用CT技术结合三维图 本实验通过自制小型连续浓密机设备进行动态 像分析氧化铜酸浸前后孔隙结构特征演变.在多场 剪切模拟.该模型柱体高度50cm,直径10cm,耙架 耦合方面[5-6]，Wu等对充填体的热液耦合过程进 ·一微分分布 100 行了分析，缪秀秀对浸多场耦合模型进行了研究. 。一累计分布 80 虽然众多学者在尾砂充填方面做出大量研究，丰富 了膏体充填方面的理论与成果，但是在膏体排水方 60 面做出的研究较少，尤其是微观孔隙结构方面.全 40 尾砂音体保水性较好且脱水速度慢，大量水分使得 20 充填体存在重大安全隐患.孔隙空间结构复杂且不 易进行定量分析，因此需要借助几何拓扑学将孔隙 10 100 结构抽象为理想的几何形状，通过相互连通的球体 颗粒尺寸/μm 和棍体表征孔隙空间：但是目前在金属矿开采方面 图1全尾砂粒度分布曲线 尚未有学者对膏体三维孔隙结构进行定量研究 Fig.I Grain size distribution curve of unclassified tailings工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 the average radius of balls decreases slightly in the range of 40鄄鄄 60 滋m under shearing. The average radius of sticks decreases from 9郾 83 滋m to 8郾 58 滋m, i. e. , by 12郾 7% . Nevertheless, the length of sticks exhibits only a slight change. The coordination number of balls increases significantly from 25郾 73% to 44郾 58% in the range of 5鄄鄄10 under shearing, and the particles are in close contact. The concept of “the volume ratio of pores to balls冶 is proposed for the quantitative characterization of the pore structure. The volume frac鄄 tion of balls decreases from 14郾 14% to 12郾 75% , the decrease rate of volume fraction is 9郾 83% , and volume fraction of sticks decrea鄄 ses from 28郾 91% to 23郾 84% , the decrease rate of volume fraction is 17郾 54% . The volume ratio of balls to sticks increases from 48郾 91% to 53郾 48% , and increase rate of it is 9郾 34% . When the volume decrease of balls is more than that of sticks, the volume ratio of balls to sticks increases. This work reveals the shearing drainage mechanism of unclassified tailings gravity thickening from the per鄄 spective of pore structure change, i. e. , the drainage is mainly discharged from the throat more than the pore from the tailings thickener bed shear dewatering process. KEY WORDS paste filling; gravity thickening; shearing; porosity; water drainage channel; volume ratio of ball to stick 全尾砂膏体充填技术是建设绿色矿山实现高效 安全生产的关键技术,能够有效地解决生产过程中 带来的环境问题和安全问题. 高浓度全尾砂浆是制 备优质膏体的前提,全尾砂充填技术存在的关键问 题之一就是膏体脱水,提高尾砂浆浓度、减少尾砂絮 团孔隙间水分含量成为研究的关键和热点[1] . 剪切 作用是影响全尾砂浓密效果的外在条件,可以破坏 松散的絮团结构,使得微颗粒填充至孔隙中间,从而 减小孔隙尺寸形成导水通道,实现强制性脱水并增 强底流浓度[2] ,因此研究剪切作用下浓密床层细观 孔隙结构及导水通道的演化规律对优化膏体脱水具 有重要意义. 国内外学者在膏体充填方面做了很多研究并将 研究成果与实际工程结合起来[3鄄鄄6] . 在膏体充填力 学方面[7鄄鄄10] ,尹升华等研究了填充体单轴抗压与裂 隙发育特征的关系;Cao 等研究了分层尾砂胶结充 填体的力学特征;杨志强等进行了混合集料充填体 的强度研究. 在膏体微观孔隙方面[11鄄鄄14] ,刘浪等研 究了微观尺度下含硫尾砂孔隙裂隙对充填体的影 响;Sun 等借助 CT 技术对单轴压缩下的填充体进行 微观结构分析;杨保华等采用 CT 技术结合三维图 像分析氧化铜酸浸前后孔隙结构特征演变. 在多场 耦合方面[15鄄鄄16] ,Wu 等对充填体的热液耦合过程进 行了分析,缪秀秀对浸矿多场耦合模型进行了研究. 虽然众多学者在尾砂充填方面做出大量研究,丰富 了膏体充填方面的理论与成果,但是在膏体排水方 面做出的研究较少,尤其是微观孔隙结构方面. 全 尾砂膏体保水性较好且脱水速度慢,大量水分使得 充填体存在重大安全隐患. 孔隙空间结构复杂且不 易进行定量分析,因此需要借助几何拓扑学将孔隙 结构抽象为理想的几何形状,通过相互连通的球体 和棍体表征孔隙空间;但是目前在金属矿开采方面 尚未有学者对膏体三维孔隙结构进行定量研究. 本文采用高精度工业 CT 对有/ 无剪切作用下 的全尾砂压密区样品内部进行微观扫描,对获取的 图像预处理并进行三维重构,在重构体的基础上建 立等价的孔隙网络模型,对孔隙空间结构进行定量 分析. 观察样品内部球体和棍体的演化规律,分析 剪切前后导水通道和配位数的变化;为提高全尾砂 孔隙间水分排出的研究奠定基础,为解决目前全尾 砂膏体充填过程中遇到的脱水困难等问题提供新的 研究思路和技术方法. 1 实验 1郾 1 全尾砂动态连续浓密试验 实验尾矿取自甘肃某钒铁矿厂,通过筛分试验 确定尾砂颗粒的级配,如图 1 所示. 尾砂累计粒度 分布达到 10% 、50% 、90% 时所对应的粒径分别用 D10 、D50和 D90表示,其中 D10为 1郾 56 滋m,D50为 17郾 20 滋m,D90为 94郾 34 滋m. - 200 目颗粒(74 滋m)质量分 数达到 87郾 4% , - 400 目(37 滋m)68郾 36% . 通过比 重实验测出该全尾砂的密度为 2郾 966 t·m - 3 ,密实容 重为 1郾 617 t·m - 3 ,松散容重为 1郾 438 t·m - 3 . 图 1 全尾砂粒度分布曲线 Fig. 1 Grain size distribution curve of unclassified tailings 本实验通过自制小型连续浓密机设备进行动态 剪切模拟. 该模型柱体高度 50 cm,直径 10 cm,耙架 ·988·