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 ·