吴爱祥等：深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 ·157· 出，随着泥层高度的增加，逐渐增大的泥层压力作用 表明该模型可用于为矿山推荐出合理的泥层高度 于尾矿颗粒上，使其空间结构发生改变，由最初的简 范围 单立体结构变为紧密的锥体结构，同时弱结合水脱 4结论 离尾矿颗粒变为自由水排出，故底流浓度的增加速 率放缓，直至达到极限底流浓度 (1)采用自制小型深锥浓密机，进行了全尾砂 (3)稳定浓密阶段CD:该阶段内，尾矿颗粒间 非连续/连续动态压密实验，分析了底流浓度随时间 的自由水几乎全部排出，颗粒以锥体结构形式存在， 及泥层高度的变化规律 底流浓度达到动态浓密的极限值，不再随泥层高度 (2)借助于有效孔隙比与泥层压强间遵循的 的增加而变化. Power函数关系，结合对尾矿颗粒的受力分析，从理 2.4模型理论误差分析 论角度推导出了基于泥层高度的深锥浓密机底流浓 本文综合考虑浆体孔隙率定义和尾矿动态压密 度数学模型. 时有效孔隙比与泥层压强的数学关系，结合尾矿颗 (3)通过分析不同泥层高度条件下，尾矿颗粒 粒的受力分析得到基于泥层高度的底流浓度数学模 的微观演化规律，揭示了该数学模型的变化机理. 型.但在泥层尾矿颗粒的受力分析中（式(5）)，只 显著浓密阶段AB:尾矿颗粒以松散的简单立体结构 考虑了尾矿自身重力和泥层高度范围内水的浮力作 存在，泥层高度的增加使颗粒间的自由水被挤出，底 用，实际上泥层上部有一定高度的低浓度浆体和澄 流浓度随泥层高度的升高显著提高：衰减浓密阶段 清水，本模型并未考虑这部分压力对底流的影响. BC:随着泥层高度的增加，尾矿颗粒的空间结构发 在本实验中由于实验装置尺寸的限制，这部分压力 生改变，由简单立体结构变为紧密的锥体结构，底流 不会造成过大误差，但在实际浓密机运行中需要考 浓度的增加速率放缓：稳定浓密阶段CD:尾矿颗粒 虑.有效孔隙比随泥层压强的变化遵循Power函数 间的自由水几乎全部排出，颗粒以锥体结构形式存 中的Allometric模型（异速增长模型），参考了相关 在，底流浓度达到极限底流浓度值. 学者的研究结果，二者的关系缺乏一定的理论依据. (4)根据矿山现场对底流浓度的具体要求，应 用该数学模型，为其推荐了泥层高度的合理范围，并 3矿山现场验证 通过与泥层高度现场实测值的对比，验证了底流浓 应用该数学模型，结合新疆某矿山对于底流浓 度数学模型的可靠性 度的要求，为其推荐出了泥层高度的合理范闹，再次 参考文献 验证了底流浓度数学模型的可靠性.由上述实验材 料的基本物理性质（表1）可知，矿山尾砂颗粒的相 [1]Wang Y.Wu A X,Wang H J,et al.Dynamic thickening charac- 对密度2662kg·m-3,饱和孔隙比0.66，根据现场实 teristics and mathematical model of total tailings.Rock Soil Mech, 2014,35(Suppl2):168 测数据得孔隙比与泥层压强的拟合关系为： (王勇，吴爱祥，王洪江，等.全尾膏体动态压密特性及其数 e=262.60P-a58+0.66 (14) 学模型.岩土力学，2014,35（增刊2）：168) 即系数a,b分别为262.60和-0.58，则模型 [2]Henriquez J,Simms P.Dynamic imaging and modelling of multi- 的相应参数值为：K=7.38×10',A=2.63×10, layer deposition of gold paste tailings.Miner Eng,2009.22(2): M=9.21×10,其底流浓度与泥层高度的关系式为 128 [3]Doucet J,Paradis R.Thickening/mud stacking technology-an en- 式(7). vironmental approach to residue managementProceedings of the C=- 738×h0.58 (15) 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings.Ned- 2.63+9.21×h0g lands,2010:3 该矿山满足要求的底流浓度为74%，代入数学 [4]Verburg R.Potential environmental benefits of surface paste dis- 模型计算出的泥层高度为： posal//Proceedings of the 13th International Seminar on Paste 74×2.63 1/0.58 and Thickened Tailings.Nedlands,2010:231 738-74×9.21 =8.42m [5]Wu A X,Jiao HZ,Wang HJ,et al.Mechanical model of scraper (16) rake torque in deep-cone thickener.Cent S Unin Sci Technol, 2012,43(4):1469 故当底流浓度为74%时，模型预测的深锥浓密 (吴爱祥，焦华枯，王洪江，等.深锥浓密机搅拌刮泥粑扭矩 机泥层高度为8.42m,而在矿山现场实测的深锥浓 力学模型.中南大学学报（自然科学版），2012,43(4)： 密机泥层高度约为8m,再次验证了模型的可靠性， 1469)吴爱祥等: 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 出,随着泥层高度的增加,逐渐增大的泥层压力作用 于尾矿颗粒上,使其空间结构发生改变,由最初的简 单立体结构变为紧密的锥体结构,同时弱结合水脱 离尾矿颗粒变为自由水排出,故底流浓度的增加速 率放缓,直至达到极限底流浓度. (3)稳定浓密阶段 CD:该阶段内,尾矿颗粒间 的自由水几乎全部排出,颗粒以锥体结构形式存在, 底流浓度达到动态浓密的极限值,不再随泥层高度 的增加而变化. 2郾 4 模型理论误差分析 本文综合考虑浆体孔隙率定义和尾矿动态压密 时有效孔隙比与泥层压强的数学关系,结合尾矿颗 粒的受力分析得到基于泥层高度的底流浓度数学模 型. 但在泥层尾矿颗粒的受力分析中(式(5)),只 考虑了尾矿自身重力和泥层高度范围内水的浮力作 用,实际上泥层上部有一定高度的低浓度浆体和澄 清水,本模型并未考虑这部分压力对底流的影响. 在本实验中由于实验装置尺寸的限制,这部分压力 不会造成过大误差,但在实际浓密机运行中需要考 虑. 有效孔隙比随泥层压强的变化遵循 Power 函数 中的 Allometric 模型(异速增长模型),参考了相关 学者的研究结果,二者的关系缺乏一定的理论依据. 3 矿山现场验证 应用该数学模型,结合新疆某矿山对于底流浓 度的要求,为其推荐出了泥层高度的合理范围,再次 验证了底流浓度数学模型的可靠性. 由上述实验材 料的基本物理性质(表 1)可知,矿山尾砂颗粒的相 对密度 2662 kg·m - 3 ,饱和孔隙比 0郾 66,根据现场实 测数据得孔隙比与泥层压强的拟合关系为: e = 262郾 60P - 0郾 58 + 0郾 66 (14) 即系数 a, b 分别为 262郾 60 和 - 0郾 58,则模型 的相应参数值为:K = 7郾 38 伊 10 7 ,A = 2郾 63 伊 10 5 , M = 9郾 21 伊 10 5 ,其底流浓度与泥层高度的关系式为 式(7). C = 738 伊 h 0郾 58 2郾 63 + 9郾 21 伊 h 0郾 58 (15) 该矿山满足要求的底流浓度为 74% ,代入数学 模型计算出的泥层高度为: h = ( CA K - ) CM 1 / n = ( 74 伊 2郾 63 ) 738 - 74 伊 9郾 21 1 / 0郾 58 = 8郾 42 m (16) 故当底流浓度为 74% 时,模型预测的深锥浓密 机泥层高度为 8郾 42 m,而在矿山现场实测的深锥浓 密机泥层高度约为 8 m,再次验证了模型的可靠性, 表明该模型可用于为矿山推荐出合理的泥层高度 范围. 4 结论 (1)采用自制小型深锥浓密机,进行了全尾砂 非连续/ 连续动态压密实验,分析了底流浓度随时间 及泥层高度的变化规律. (2)借助于有效孔隙比与泥层压强间遵循的 Power 函数关系,结合对尾矿颗粒的受力分析,从理 论角度推导出了基于泥层高度的深锥浓密机底流浓 度数学模型. (3)通过分析不同泥层高度条件下,尾矿颗粒 的微观演化规律,揭示了该数学模型的变化机理. 显著浓密阶段 AB:尾矿颗粒以松散的简单立体结构 存在,泥层高度的增加使颗粒间的自由水被挤出,底 流浓度随泥层高度的升高显著提高;衰减浓密阶段 BC:随着泥层高度的增加,尾矿颗粒的空间结构发 生改变,由简单立体结构变为紧密的锥体结构,底流 浓度的增加速率放缓;稳定浓密阶段 CD:尾矿颗粒 间的自由水几乎全部排出,颗粒以锥体结构形式存 在,底流浓度达到极限底流浓度值. (4)根据矿山现场对底流浓度的具体要求,应 用该数学模型,为其推荐了泥层高度的合理范围,并 通过与泥层高度现场实测值的对比,验证了底流浓 度数学模型的可靠性. 参 考 文 献 [1] Wang Y, Wu A X, Wang H J, et al. Dynamic thickening charac鄄 teristics and mathematical model of total tailings. Rock Soil Mech, 2014, 35(Suppl 2):168 (王勇, 吴爱祥, 王洪江, 等. 全尾膏体动态压密特性及其数 学模型. 岩土力学, 2014, 35(增刊 2):168) [2] Henriquez J, Simms P. Dynamic imaging and modelling of multi鄄 layer deposition of gold paste tailings. Miner Eng, 2009, 22(2): 128 [3] Doucet J, Paradis R. Thickening / mud stacking technology鄄an en鄄 vironmental approach to residue management / / Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Ned鄄 lands, 2010: 3 [4] Verburg R. Potential environmental benefits of surface paste dis鄄 posal / / Proceedings of the 13th International Seminar on Paste and Thickened Tailings. Nedlands, 2010: 231 [5] Wu A X, Jiao H Z, Wang H J, et al. Mechanical model of scraper rake torque in deep鄄cone thickener. J Cent S Univ Sci Technol, 2012, 43(4): 1469 (吴爱祥, 焦华喆, 王洪江, 等. 深锥浓密机搅拌刮泥耙扭矩 力学模型. 中南大学学报 ( 自然科学版), 2012, 43 ( 4 ): 1469) ·157·