工程科学学报，第44卷，第X期 为四，初次絮凝剂通过电中和/架桥作用与尾砂浆 用使得絮团之间的相互位置不断发生改变，当上 中的细颗粒结合形成初始絮团，初始絮团再与二 下部孔隙连通时，便形成导水通道.絮团之间的水 次絮凝剂结合形成最终絮团.因此，适当添加带相 分在静压力作用下，沿着导水通道上排 反电荷的聚合物，以增强絮凝效果)除了影响单 Jeldres等B7研究了颗粒物料静态沉降过程， 一絮凝剂使用效果的因素外，多重絮凝效果的主 发现了导水通道在床层表面形成的“火山口现 要影响因素还包括絮凝剂组合类型、絮凝剂添 象”，如图l所示；O'Donnell和Bayrak ta8发现了 加方式2和絮凝剂的添加顺序2等 静态浓密过程中的区域通道、主通道、交叉通道 2.2床层压缩理论 等导水通道；Du等B9在对搅拌前后絮团细观结构 床层压缩理论是尾砂浓密的重要依据，主要 变化的研究中，发现了“蜂房结构”和搅拌产生的 考察静态/动态压缩条件下，絮团变形过程中的固 瞬时导水通道.对于导水通道的尺寸、存在时间、 液分离.床层压缩理论主要包括静态/动态絮团压 连通度与絮网结构的关系等还需要进一步探索 缩变形理论、剪切导水理论等 (1)静态/动态絮团压缩变形理论 Volcano 絮团压缩变形是指在重力作用下，一定厚度 的絮团得到压缩，并释放其内部水分，实现尾砂与 水进一步分离.絮团压缩方式主要分为静态压缩 Crater 和动态压缩两种，静态压缩主要研究形成网状结 构的絮团，进入压密区域后，因重力作用发生尾砂 脱水的现象.静态压缩研究中，絮团结构强度和内 部含水量是影响脱水效果的重要因素27-2刘动态 压缩研究，除了借助絮团本身的重力作用外，还通 国1某颗粒物料静态沉降导水通道与火山口现象 过浓密机耙架的剪切作用，进一步改善压密区床 Fig.1 Water channel and the volcanic phenomenon of static 层的脱水效果.此时，剪切作用比重力作用的影响 sedimentation of a granular material 更大、耙架结构、转速]等也是影响尾砂脱水 2.3重力浓密理论 效果的主要因素 重力浓密理论是尾砂浓密的根本原因.重力 为了进一步探讨絮团压缩变形的内在规律， 浓密理论主要包括C-C沉降理论、Kytch沉降理 国内外学者针对浓密机内不同阶段絮团的形成和 论、B-W沉降理论及不同理论的扩展研究等O 演化展开研究.Gladman等B自制尾砂浓密物理 2.3.1C-C沉降理论 模拟实验平台，开展了剪切环境对压缩絮团影响 Coe-Clevenger沉降理论（简称C-C沉降理 的研究，剪切作用显著提高了高岭土底流浓度 论)是基于斯托克斯定律(Stokes law),对单个 Comings等B]研究表明，浓密机耙架能够改善压 颗粒行为进行研究而提出的.该理论认为，在整个 密区尾砂浓密效果，其主要影响因素是耙子转速 自由沉降期间，沉降速度是浓度的函数.将沉降模 和浓密机底部锥角.Usher和Scales!研究获得了 型分为四大区域，包括澄清区、干涉沉降区、过渡 类似的结论，耙架转速和锥角的提高能够获得更 区和压密区.澄清区的固体浓度非常低，尾砂絮团 高浓度的底流.Gladman等研究表明，机械搅拌 以最大的速率沉降，絮团之间互不干涉：干涉沉降 能够提高压密区尾砂脱水速度，扩大尾砂脱水区域 区的固体浓度较低，尾砂絮团快速沉降，沉降过程 (2)剪切导水理论 中絮团之间发生轻微干涉，但未形成连续网状结 剪切导水理论是絮团压缩变形理论的有力补 构；过渡区的固体浓度逐渐提高，尾砂絮团沉降速 充，主要分析压缩床层内部水分流出的通道.该理 度逐渐降低，絮团之间的干涉作用增强，絮网结构 论认为，在自然沉积状态下，床层下部水分均匀 介于沉降区和压密区之间：压密区的固体浓度很 分布，絮团之间水和絮团内部水均呈稳定状态.水 高，沉降速度变得非常小，尾砂絮团之间相互接 分相互无法连通，与絮团形成静力平衡.侧向搅拌 触、支撑，形成连续网状结构 时，搅拌产生压力作用和拉力作用，打破了絮团与 在一组沉降实验中，随着时间的延长，固体浓 水之间的静力平衡，破坏了絮团自身结构，絮团内 度由初始浓度逐步增加至底流浓度；沉降速度逐 部水分释放，并在局部集中.同时，搅拌的扰动作 步降低，造成固体通量呈升高-降低-升高的变化为[22] ，初次絮凝剂通过电中和/架桥作用与尾砂浆 中的细颗粒结合形成初始絮团，初始絮团再与二 次絮凝剂结合形成最终絮团. 因此，适当添加带相 反电荷的聚合物，以增强絮凝效果[23] . 除了影响单 一絮凝剂使用效果的因素外，多重絮凝效果的主 要影响因素还包括絮凝剂组合类型[24]、絮凝剂添 加方式[25] 和絮凝剂的添加顺序[26] 等. 2.2    床层压缩理论 床层压缩理论是尾砂浓密的重要依据，主要 考察静态/动态压缩条件下，絮团变形过程中的固 液分离. 床层压缩理论主要包括静态/动态絮团压 缩变形理论、剪切导水理论等. （1）静态/动态絮团压缩变形理论. 絮团压缩变形是指在重力作用下，一定厚度 的絮团得到压缩，并释放其内部水分，实现尾砂与 水进一步分离. 絮团压缩方式主要分为静态压缩 和动态压缩两种. 静态压缩主要研究形成网状结 构的絮团，进入压密区域后，因重力作用发生尾砂 脱水的现象. 静态压缩研究中，絮团结构强度和内 部含水量是影响脱水效果的重要因素[27−29] . 动态 压缩研究，除了借助絮团本身的重力作用外，还通 过浓密机耙架的剪切作用，进一步改善压密区床 层的脱水效果. 此时，剪切作用比重力作用的影响 更大. 耙架结构[30]、转速[31] 等也是影响尾砂脱水 效果的主要因素. 为了进一步探讨絮团压缩变形的内在规律， 国内外学者针对浓密机内不同阶段絮团的形成和 演化展开研究. Gladman 等[32] 自制尾砂浓密物理 模拟实验平台，开展了剪切环境对压缩絮团影响 的研究，剪切作用显著提高了高岭土底流浓度. Comings 等[33] 研究表明，浓密机耙架能够改善压 密区尾砂浓密效果，其主要影响因素是耙子转速 和浓密机底部锥角. Usher 和 Scales[34] 研究获得了 类似的结论，耙架转速和锥角的提高能够获得更 高浓度的底流. Gladman 等[35] 研究表明，机械搅拌 能够提高压密区尾砂脱水速度，扩大尾砂脱水区域. （2）剪切导水理论. 剪切导水理论是絮团压缩变形理论的有力补 充，主要分析压缩床层内部水分流出的通道. 该理 论认为[36] ，在自然沉积状态下，床层下部水分均匀 分布，絮团之间水和絮团内部水均呈稳定状态. 水 分相互无法连通，与絮团形成静力平衡. 侧向搅拌 时，搅拌产生压力作用和拉力作用，打破了絮团与 水之间的静力平衡，破坏了絮团自身结构，絮团内 部水分释放，并在局部集中. 同时，搅拌的扰动作 用使得絮团之间的相互位置不断发生改变，当上 下部孔隙连通时，便形成导水通道. 絮团之间的水 分在静压力作用下，沿着导水通道上排. Jeldres 等[37] 研究了颗粒物料静态沉降过程， 发现了导水通道在床层表面形成的“火山口现 象”，如图 1 所示；O’Donnell 和 Bayrak [38] 发现了 静态浓密过程中的区域通道、主通道、交叉通道 等导水通道；Du 等[39] 在对搅拌前后絮团细观结构 变化的研究中，发现了“蜂房结构”和搅拌产生的 瞬时导水通道. 对于导水通道的尺寸、存在时间、 连通度与絮网结构的关系等还需要进一步探索. Volcano Crater 图 1    某颗粒物料静态沉降导水通道与火山口现象 Fig.1     Water  channel  and  the  volcanic  phenomenon  of  static sedimentation of a granular material 2.3    重力浓密理论 重力浓密理论是尾砂浓密的根本原因. 重力 浓密理论主要包括 C−C 沉降理论、Kytch 沉降理 论、B−W 沉降理论及不同理论的扩展研究等[40] . 2.3.1    C−C 沉降理论 Coe−Clevenger 沉降理论 （简 称 C−C 沉降理 论 ）[41] 是基于斯托克斯定律（Stokes law），对单个 颗粒行为进行研究而提出的. 该理论认为，在整个 自由沉降期间，沉降速度是浓度的函数. 将沉降模 型分为四大区域，包括澄清区、干涉沉降区、过渡 区和压密区. 澄清区的固体浓度非常低，尾砂絮团 以最大的速率沉降，絮团之间互不干涉；干涉沉降 区的固体浓度较低，尾砂絮团快速沉降，沉降过程 中絮团之间发生轻微干涉，但未形成连续网状结 构；过渡区的固体浓度逐渐提高，尾砂絮团沉降速 度逐渐降低，絮团之间的干涉作用增强，絮网结构 介于沉降区和压密区之间；压密区的固体浓度很 高，沉降速度变得非常小，尾砂絮团之间相互接 触、支撑，形成连续网状结构. 在一组沉降实验中，随着时间的延长，固体浓 度由初始浓度逐步增加至底流浓度；沉降速度逐 步降低，造成固体通量呈升高−降低−升高的变化 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期