20 工程科学学报，第44卷，第1期 年提出的Usher剪切浓密模型，充分考虑了耙架剪 性.王洪江等通过工程分析认为，通过搅拌液 切对浓密性能的影响，将絮团直径变化程度和 位、搅拌时间、搅拌功率和搅拌转速的综合调节， 絮团直径变化率引入了现代脱水理论，该模型能 可促使物料产生更多轨迹交叉，有效改善搅拌效 够有效预测稳态条件下固体通量、泥层高度和底 果.根据粒子流相互作用理论(P℉I理论)，浆体中 流浓度 的多尺度粒子被它们的总势能压在一起，其中 近两年，深锥浓密理论与技术在我国也得到 D是粒子两个固体表面之间的距离.总势能相互 了长足发展.李公成2叨结合C-C沉降理论和B-W 作用来源于范德华引力、空间位阻和静电斥力 脱水理论对全尾砂絮团尺度变化及其压渗性能进 的合力，在大于V的剪切力作用下，颗粒被分离， 行了研究，推导了考虑时效性的全尾砂絮团压缩 如图14所示.杨柳华B通过分析搅拌过程中的剪 性和渗透性参数变化关系式，提出了有动力膏体 切过程，认为剪切作用是搅拌效果的主导动力，探 浓密性能分析方法.周旭阁通过聚焦光束反射测 讨了剪切速率与浆体细观结构响应机制，推导了 量技术(FBRM)和颗粒录影显微镜技术(PVM)在 浆体流变与扭矩关系方程，实现了搅拌质量的定 线原位监测技术研究了全尾砂脱水性能，建立了 量化表征 泥层有效应力表征函数和固体通量密度表征函 数.阮竹恩等90通过构建全尾砂絮凝动力学模 型，分析了给料井内全尾砂絮凝行为，实现了全尾 砂絮凝过程的定量描述.这对高浓度底流砂浆的 稳定制备起到了重要指导作用. 3.3固液混合与搅拌制备 固液混合与搅拌制备是充填料浆形成的关键 环节，主要是将废石等多尺度惰性材料、水泥等活 性材料、泵送剂等改性材料与高浓度砂浆混合搅 图14粒子间的总势能相互作用 拌，在搅拌机叶片作用下通过物料的轴向循环与 Fig.14 Total potential energy interaction Vr between particles 径向对流，充分分散散体材料，实现充填料浆的 3.4多尺度浆体长距离输送 均质化，提高料浆的可输性和充填体的强度性能 充填料浆在长距离、高落差管道输送过程中， 搅拌机是充填料浆搅拌制备的核心设备，其 存在压力脉冲扰动剧烈、温度敏感性高、触变性 性能的优劣直接关系到料浆生产的质量和效率 强等一系列影响因素，阻力变化异常复杂.复杂条 搅拌工艺一般分为间歇式和连续式两种.间歇式 件下的流变行为和阻力变化不仅与微观絮团间的 搅拌工艺为周期性循环作业，具有物料计量准确、 强力化学键相关，同时还受跨尺度颗粒群间的摩 可靠，搅拌均质等优点.连续搅拌的料浆进料、拌 擦作用、颗粒与流体间动态连接机制的影响.同 和和卸料工序不间断进行，具有工艺便捷、效率高 时由于输送压力工况扰动剧烈、管路布设形态复 等优点.矿山充填中多采用连续搅拌工艺.连续搅 杂，输送阻力波动敏感性高，堵管、爆管等一系列 拌设备主要包括立式搅拌桶、卧式搅拌机等，通过 问题严重影响充填工作的有序开展 对流混合、扩散混合与剪切混合综合实现良好的 传统的阻力计算模型多是在固-液两相流理 搅拌效果.立式搅拌通过创造强大的局部湍动，破 论基础上发展的.各模型的发展都是在扩散理 坏浆体内部平衡，实现多种物料的均匀混合.优点 论、重力理论和能量理论3大理论的基础上建立 是活化效果好，质量均匀，缺点为浓度高时负荷较 的.根据重力理论发展的有杜兰德公式、卡杜里 大，转子磨损快，适应性较差，卧式搅拌采用螺旋 斯基公式、金川公式等，根据能量理论发展的有全 叶片，与浆体接触点多，机械力大的特点，通常使 苏煤炭科学研究院公式、鞍山黑色金属矿山设计 用二级串联搅拌，具有适应性强，制备质量稳定， 院公式等.重力理论认为固体颗粒的加入不会改 能够连续运行的优点 变水在流动中的力学性质，固体颗粒的悬浮是由 大量研究表明，搅拌时间越长，拌合物黏度越 水的紊流产生脉冲引起的.扩散理论则考虑了固 小，良好的搅拌时间可以改善物料输送性能 体颗粒与水之间的相互作用，能量理论不仅考虑 Mazanec研究认为，搅拌过程的强剪切作用可释放 了固体颗粒悬浮所消耗的能量，同时考虑了颗粒 团块内部的包裹水分，提高自由水含量，改善流动 运动所消耗的能量年提出的 Usher 剪切浓密模型，充分考虑了耙架剪 切对浓密性能的影响[26] ，将絮团直径变化程度和 絮团直径变化率引入了现代脱水理论，该模型能 够有效预测稳态条件下固体通量、泥层高度和底 流浓度. 近两年，深锥浓密理论与技术在我国也得到 了长足发展. 李公成[27] 结合 C‒C 沉降理论和 B‒W 脱水理论对全尾砂絮团尺度变化及其压渗性能进 行了研究，推导了考虑时效性的全尾砂絮团压缩 性和渗透性参数变化关系式，提出了有动力膏体 浓密性能分析方法. 周旭[28] 通过聚焦光束反射测 量技术 (FBRM) 和颗粒录影显微镜技术 (PVM) 在 线原位监测技术研究了全尾砂脱水性能，建立了 泥层有效应力表征函数和固体通量密度表征函 数. 阮竹恩等[29−30] 通过构建全尾砂絮凝动力学模 型，分析了给料井内全尾砂絮凝行为，实现了全尾 砂絮凝过程的定量描述. 这对高浓度底流砂浆的 稳定制备起到了重要指导作用. 3.3    固液混合与搅拌制备 固液混合与搅拌制备是充填料浆形成的关键 环节，主要是将废石等多尺度惰性材料、水泥等活 性材料、泵送剂等改性材料与高浓度砂浆混合搅 拌，在搅拌机叶片作用下通过物料的轴向循环与 径向对流[31] ，充分分散散体材料，实现充填料浆的 均质化，提高料浆的可输性和充填体的强度性能. 搅拌机是充填料浆搅拌制备的核心设备，其 性能的优劣直接关系到料浆生产的质量和效率. 搅拌工艺一般分为间歇式和连续式两种. 间歇式 搅拌工艺为周期性循环作业，具有物料计量准确、 可靠，搅拌均质等优点. 连续搅拌的料浆进料、拌 和和卸料工序不间断进行，具有工艺便捷、效率高 等优点. 矿山充填中多采用连续搅拌工艺. 连续搅 拌设备主要包括立式搅拌桶、卧式搅拌机等，通过 对流混合、扩散混合与剪切混合综合实现良好的 搅拌效果. 立式搅拌通过创造强大的局部湍动，破 坏浆体内部平衡，实现多种物料的均匀混合. 优点 是活化效果好，质量均匀，缺点为浓度高时负荷较 大，转子磨损快，适应性较差. 卧式搅拌采用螺旋 叶片，与浆体接触点多，机械力大的特点，通常使 用二级串联搅拌，具有适应性强，制备质量稳定， 能够连续运行的优点. 大量研究表明，搅拌时间越长，拌合物黏度越 小 ，良好的搅拌时间可以改善物料输送性能 . Mazanec 研究认为，搅拌过程的强剪切作用可释放 团块内部的包裹水分，提高自由水含量，改善流动 性. 王洪江等[32] 通过工程分析认为，通过搅拌液 位、搅拌时间、搅拌功率和搅拌转速的综合调节， 可促使物料产生更多轨迹交叉，有效改善搅拌效 果. 根据粒子流相互作用理论（PFI 理论），浆体中 的多尺度粒子被它们的总势能压在一起 ，其中 Ds 是粒子两个固体表面之间的距离. 总势能相互 作用 VT 来源于范德华引力、空间位阻和静电斥力 的合力. 在大于 VT 的剪切力作用下，颗粒被分离， 如图 14 所示. 杨柳华[33] 通过分析搅拌过程中的剪 切过程，认为剪切作用是搅拌效果的主导动力，探 讨了剪切速率与浆体细观结构响应机制，推导了 浆体流变与扭矩关系方程，实现了搅拌质量的定 量化表征. Ds VT Ds 图 14    粒子间的总势能相互作用 Fig.14    Total potential energy interaction VT between particles 3.4    多尺度浆体长距离输送 充填料浆在长距离、高落差管道输送过程中， 存在压力脉冲扰动剧烈、温度敏感性高、触变性 强等一系列影响因素，阻力变化异常复杂. 复杂条 件下的流变行为和阻力变化不仅与微观絮团间的 强力化学键相关，同时还受跨尺度颗粒群间的摩 擦作用、颗粒与流体间动态连接机制的影响. 同 时由于输送压力工况扰动剧烈、管路布设形态复 杂，输送阻力波动敏感性高，堵管、爆管等一系列 问题严重影响充填工作的有序开展. 传统的阻力计算模型多是在固‒液两相流理 论基础上发展的. 各模型的发展都是在扩散理 论、重力理论和能量理论 3 大理论的基础上建立 的. 根据重力理论发展的有杜兰德公式、卡杜里 斯基公式、金川公式等，根据能量理论发展的有全 苏煤炭科学研究院公式、鞍山黑色金属矿山设计 院公式等. 重力理论认为固体颗粒的加入不会改 变水在流动中的力学性质，固体颗粒的悬浮是由 水的紊流产生脉冲引起的. 扩散理论则考虑了固 体颗粒与水之间的相互作用，能量理论不仅考虑 了固体颗粒悬浮所消耗的能量，同时考虑了颗粒 运动所消耗的能量. · 20 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期