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（F<J），絮团相互吸附搭接聚合，处于生长 阶段. F = J 根据实验获得的 6 组 PVM 图像分形维数和对 应时间，在图 10 中绘制 DF=2.2 的分割线对应于 ，则絮团生长阶段大致发生于 t=0～1700 s 时 间段内，1700 s 附近絮团处于重构阶段，重构阶段 后絮团进入破碎阶段. 0 2000 4000 6000 8000 2.1 2.2 2.3 2.4 F>J 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 ·