焦华喆等：剪切浓密床层孔隙网络模型与导水通道演化 ·989· 高度30cm,配置4根导水杆，耙架转速设置2r· 品.只有样品能够表达出原始信息，才能在CT扫描 min1,中心传动轴可检测转速、扭矩等参数.给料 时获得真实的孔隙结构，从而为细观结构的研究提 管泵入三通混合管实现动态添加，模拟现场浓密机 供可能 真实添加方式，保证较好的絮凝效果，配有底流排料 样品制备过程包括连续浓密实验、拆卸沉降柱、 泵、溢流系统等 原位取样、样品保护、样品运输、样品冻干，制备过程 经过絮凝剂优选及室内沉降实验)，得出最优 如上图2(b)所示.利用刻度尺确定沉降柱截面的 实验参数：选择XTH新疆絮凝剂，絮凝剂单耗为30 圆心，在距离床层底部10cm处利用圆管状取样器 gt,絮凝剂固相质量分数为0.01%，全尾砂固相 进行取样，保证有无/剪切状态下样品的床层高度、获 质量分数为10%，实验装置示意图如下图2(a). 取位置相同.制备完毕的干燥样品直接放入CT机中， 微观结构扫描实验的关键是制备固液混合体样 样品不宜受到任何的扰动，以免破坏颗粒群结构 混合管 搅拌器 絮凝剂溶液 给料浆 给絮凝剂管 搅拌桶 给料管 图2实验装置示意图及样品制备过程.()半工业连续浓密实验平台：(b)样品制备过程 Fig.2 Schematic diagram of the experimental device and sample preparation process:(a)pilot-scale experimental platform of continuous thickening; (b)sample preparation process 冻干过程中孔隙间的水分会发生冻胀现象， 1.2工业CT扫描 导致样品由未发生冻胀时的体积(V,)增大到冻胀 借助NANOTOM-160高精度工业显微CT扫描 后的体积(V,).冻胀前后的样品体积由固体体积 系统对全尾砂样品进行扫描处理，经调试确定放大 (V圆、'2调)和孔隙体积(V1孔、V2)组成，但冻结后 倍数为1000倍，扫描单元分辨率为5um,层间距为 孔隙结构会整体变大.通过测量冻干前后样品的 5um,即为一个像素，扫描长度约为100mm,每张图 直径(1、2)和高度(H,、H2),计算出孔隙体积增 像的像素为1941×2214. 大率(P),最后由冻胀后的“球体”和“棍体”体积 1.3三维重构与PNM模型建立 (V球体、V'2棍体)反推出未发生冻胀时的“球体”与 扫描得到的CT图像存在一些噪声且图像尺寸 “棍体”体积(V球体、V能体)。由于冻胀过程中孔隙 较大，不利于后续的处理与观察，因此对有/无剪切 空间都在相对应的增大，因此求出未发生冻胀时 作用下的CT图像在相同的位置进行截取.然后对 的(V球体V1能体)体积与比例不会发生变化，如图3 扫描结果进行三维重构与处理，提取孔隙网络模型， 所示. 处理过程如图4所示.处理过程主要包括中值滤 波、三维重构，PNM建立等几个阶段[18-9]，最终从三 H,元 维重构体中提取并建立具有等效几何拓扑结构的 “球-棍”形式结构模型，称为孔隙网络模型(PNM). 5 将床层内部较大的孔隙用“球体”表示，连接各 t国a 个孔隙之间的狭窄通道定义为喉道并用“棍体”表 n=#+埋体， 示.通过统计分析主要特征参数的分布，近似研究 真实的孔隙几何拓扑结构和空间分布特点. 未冻联 已冻胀 2孔隙网络模型提取算法 图3未冻胀孔隙计算示意图 Fig.3 Schematic diagram of the calculation of pores without frost PNM模型的提取是通过最大球算法得到.最大 heaving 球算法首先建立最大球并去除冗余，然后使用快速焦华喆等: 剪切浓密床层孔隙网络模型与导水通道演化 高度 30 cm,配置 4 根导水杆,耙架转速设置 2 r· min - 1 ,中心传动轴可检测转速、扭矩等参数. 给料 管泵入三通混合管实现动态添加,模拟现场浓密机 真实添加方式,保证较好的絮凝效果,配有底流排料 泵、溢流系统等. 经过絮凝剂优选及室内沉降实验[17] ,得出最优 实验参数:选择 XJTH 新疆絮凝剂,絮凝剂单耗为 30 g·t - 1 ,絮凝剂固相质量分数为 0郾 01% ,全尾砂固相 质量分数为 10% ,实验装置示意图如下图 2(a). 微观结构扫描实验的关键是制备固液混合体样 品. 只有样品能够表达出原始信息,才能在 CT 扫描 时获得真实的孔隙结构,从而为细观结构的研究提 供可能. 样品制备过程包括连续浓密实验、拆卸沉降柱、 原位取样、样品保护、样品运输、样品冻干,制备过程 如上图 2(b)所示. 利用刻度尺确定沉降柱截面的 圆心,在距离床层底部 10 cm 处利用圆管状取样器 进行取样,保证有无/ 剪切状态下样品的床层高度、获 取位置相同. 制备完毕的干燥样品直接放入 CT 机中, 样品不宜受到任何的扰动,以免破坏颗粒群结构. 图 2 实验装置示意图及样品制备过程 郾 (a) 半工业连续浓密实验平台; (b) 样品制备过程 Fig. 2 Schematic diagram of the experimental device and sample preparation process: (a)pilot鄄scale experimental platform of continuous thickening; (b) sample preparation process 图 3 未冻胀孔隙计算示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the calculation of pores without frost heaving 冻干过程中孔隙间的水分会发生冻胀现象, 导致样品由未发生冻胀时的体积( V1 )增大到冻胀 后的体积(V2 ) . 冻胀前后的样品体积由固体体积 (V1固 、V2固 )和孔隙体积( V1孔 、V2孔 ) 组成,但冻结后 孔隙结构会整体变大. 通过测量冻干前后样品的 直径( I1 、I2 ) 和高度( H1 、H2 ) ,计算出孔隙体积增 大率(P) ,最后由冻胀后的“球体冶 和“棍体冶 体积 (V2球体 、V2棍体 ) 反推出未发生冻胀时的“ 球体冶 与 “棍体冶体积( V1球体 、V1棍体 ) . 由于冻胀过程中孔隙 空间都在相对应的增大,因此求出未发生冻胀时 的(V1球体 、V1棍体 )体积与比例不会发生变化,如图 3 所示. 1郾 2 工业 CT 扫描 借助 NANOTOM鄄鄄160 高精度工业显微 CT 扫描 系统对全尾砂样品进行扫描处理,经调试确定放大 倍数为 1000 倍,扫描单元分辨率为 5 滋m,层间距为 5 滋m,即为一个像素,扫描长度约为 100 mm,每张图 像的像素为 1941 伊 2214. 1郾 3 三维重构与 PNM 模型建立 扫描得到的 CT 图像存在一些噪声且图像尺寸 较大,不利于后续的处理与观察,因此对有/ 无剪切 作用下的 CT 图像在相同的位置进行截取. 然后对 扫描结果进行三维重构与处理,提取孔隙网络模型, 处理过程如图 4 所示. 处理过程主要包括中值滤 波、三维重构、PNM 建立等几个阶段[18鄄鄄19] ,最终从三 维重构体中提取并建立具有等效几何拓扑结构的 “球鄄鄄棍冶形式结构模型,称为孔隙网络模型(PNM). 将床层内部较大的孔隙用“球体冶表示,连接各 个孔隙之间的狭窄通道定义为喉道并用“棍体冶 表 示. 通过统计分析主要特征参数的分布,近似研究 真实的孔隙几何拓扑结构和空间分布特点. 2 孔隙网络模型提取算法 PNM 模型的提取是通过最大球算法得到. 最大 球算法首先建立最大球并去除冗余, 然后使用快速 ·989·