膏體濃密床層孔隙結構剪切演化與連通機理

焦華喆，王樹飛，吳愛祥，王貽明，楊亦軒

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膏體濃密床層孔隙結構剪切演化與連通機理

焦華喆1，王樹飛1，吳愛祥2，王貽明2，楊亦軒1

(1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作，454000；2. 北京科技大學 土木與資源工程學院，北京，100083)

開展半工業全尾砂濃密實驗，借助計算機斷層掃描與三維重構技術分析高質量分數底流床層內部孔隙結構特征；利用最大球算法研究孔隙連通規律，揭示剪切強化導水機理。研究結果表明：當給料體積分數為10%，絮凝劑單耗為30 g/t時，有/無剪切作用下的肅北釩鐵礦全尾砂連續濃密底流質量分數分別可達58.5%和55.8%；當添加轉速為2 r/min的剪切作用時，床層平均孔隙率從47.62%降低到40.98%；孔隙平均直徑由23.11 μm降低至19.01 μm，孔隙數量變化較小；床層內部孔隙數量隨床層高度上升而增多，分形盒維數由1.60~1.70增加到1.90~1.95；定義臨界孔喉比為1，將導水通道劃分為主通道、次通道和全封閉通道，床層內部存在主導水通道周圍伴隨著若干次導水通道；剪切作用對于重塑尾砂絮團排列方式繼而形成導水通道實現強化排水具有重要意義。

膏體充填；剪切作用；三維重構；孔隙率；導水通道

在“綠水青山就是金山銀山”的今天，保證礦產企業可持續健康發展的必由之路就是在新形勢下建設資源節約型與環境友好型的綠色礦山[1]。隨著可持續發展理念的深入，為了充分利用礦產資源，礦產企業普遍提高磨礦細度，但在井下膏體填充時全尾砂細顆粒易與水形成膠體，導致脫水難度增加，因此，超細尾砂脫水成為膏體充填技術發展的瓶頸之一。尾砂漿與絮凝劑產生絮凝作用，形成含有孔隙的絮網或絮團結構，絮團較大的直徑和密度有利于絮凝沉降。剪切作用是影響濃密效果的外在條件[2]，可將絮團網狀結構破壞、壓密，形成導水通道，實現強制性脫水，從而影響底流質量分數。因此，研究絮團孔隙結構在剪切過程中的演化規律對深入了解膏體細觀特征、優化濃密脫水具有重要意義。近年來國內外的研究多集中于全尾砂絮凝沉降和固結過程[3?8]，但對有關動態剪切條件下尾砂壓密區微觀結構演化規律的研究較少，其主要原因是壓密區孔隙隨機分布且形態復雜，光學儀器放大倍數小等。隨著計算機斷層掃描(CT)技術在礦業研究領域的應用和發展，人們展開了礦石顆粒微觀結構研究[9?12]，但由于CT掃描精度不高，孔隙結構考察參數不統一，因此并沒有全面和深入地研究尾砂壓密區孔隙結構演化規律。本文作者采用高精度工業CT對有/無剪切作用下的全尾砂壓密區樣品內部進行微觀掃描，對獲取的圖像預處理并進行三維重構，觀察樣品內部的微觀結構并分析2種條件下的孔隙率、孔隙平均直徑、孔隙分維數等變化規律，以期揭示全尾砂壓密區內部孔隙結構的演化規律。

1 實驗

1.1 全尾砂

實驗原材料取自甘肅某釩鐵礦選礦廠浮選后的全尾砂，尾砂呈弱堿性，容重小且孔隙率較大。經檢測，尾砂相對密度為2.966，容重為1.438 t/m3，孔隙率為51.52%。

該釩鐵礦尾砂極細，脫水濃縮制備膏體較困難；顆粒負累積產率為10%，50%和90%時對應的粒徑分別為1.56，17.20和94.34 μm；粒徑小于74 μm的 顆粒占比(體積分數)達87.4%，粒徑小于37 μm的顆粒占比68.36%。圖1所示為全尾砂粒度分布。

1.2 絮團動態剪切裝置

本實驗通過自制小型連續濃密機設備進行動態剪切模擬。該模型柱體直徑為10 cm，高度為50 cm，耙架高度為30 cm，設置4根導水桿，耙架轉速為2 r/min，中心傳動軸可檢測轉速、扭矩等參數。給料管泵入三通混合管實現動態添加，模擬現場濃密機真實添加方式，保證較好的絮凝效果，同時配有底流排料泵、溢流系統等。

1—體積分數；2—負累積產率。

經過絮凝劑優選及室內沉降實驗[13]，得到最優實驗參數如下：選擇XJTH新疆絮凝劑，絮凝劑單耗為30 g/t，全尾砂質量分數為10%。實驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

1.3 連續濃密實驗結果

濃密實驗結果表明：有/無剪切作用下的底流質量分數分別為58.5%和55.8%，床層高度分別為20 cm和30 cm，停留時間分別為34 min和87 min。無剪切作用時，絮團內部的水分無法與絮團外部的水分相連通，床層下部水分呈穩定狀態且均勻分布，與絮團保持靜力平衡。剪切作用下，導水桿旋轉產生的作用力打破絮團與水之間的靜力平衡，水在靜壓力的作用下沿著導水通道向上排出，由此可見，添加剪切作用可提高全尾砂濃密效果。

1.4 工業CT掃描

由于全尾砂樣品平均粒徑極小，需要借助高精度無損掃描儀進行處理。本實驗中掃描裝置為NANOTOM-160高精度工業顯微CT掃描系統，放大倍數為1.5~2 000倍，最大空間分辨率達0.2 μm，可滿足檢測要求。經調試確定放大倍數為1 000倍，掃描單元分辨率為5 μm，層間距為5 μm即為1個像素，掃描長度約為100 mm，每張圖像的分辨率為1 941像素×2 214像素。

1.5 樣品制備過程

微觀結構掃描實驗的關鍵是制備固液混合體樣品。只有當樣品能夠表達出原始信息時，才能在CT掃描時獲得真實的孔隙結構，從而為細觀結構的研究提供可能。

本樣品制備過程如下：采用有/無剪切連續濃密實驗—取樣—速凍—凍干—樣品。制備完畢的干燥樣品直接放入CT機中，樣品不宜受到任何的擾動，以免破壞顆粒群結構。

2 樣品CT掃描圖像三維重構及其原理

2.1 圖像預處理

由于受到射線源穩定性、運動誤差和電子器件噪聲等影響，掃描得到的圖像存在噪聲點，無法直接進行矢量操作，因此必須對圖像進行預處理。

經過對比度改變、噪點清除、顆粒邊緣銳化等操作，圖片中的干擾信息被排除[14]。原始CT圖像預處理過程見圖3。圖3中黑色表示孔隙，白色表示尾砂絮團。

2.2 圖像三維重構原理及其結果

應用MATLAB軟件對圖像進行三維重構，重構體的生成和顯示實質上就是三維體數據的可視化。首先輸入幅圖像構造三維數據集，得到1個××的矩陣(其中和分別為圖像的長和寬)，借助相關函數計算數據集在顯示平面的累計投影；然后對碎片信息進行構造，對圖像顏色、光線等進行定義[15]，圖像三維重構過程見圖4。該重構體實際為邊長為3 mm的正方體，其中灰色部分代表固體，其余部分代表 孔隙。

3 床層三維孔隙結構細觀特征及其演化

3.1 孔隙提取及細觀特征分布規律

為分析床層高度對孔隙結構的影響，選取高度為8.0 cm，長和寬均為1.5 cm的樣品，根據重構結果，以固定間隔在不同高度處提取0.05 mm厚的樣品，觀察孔隙細觀特征，如圖5所示。分析孔隙率與分形盒維數之間的關系，得出孔隙率在高度方向的分布規律，并繪制孔隙率沿高度方向的變化曲線，如圖6所示。

3.1.1 不同床層高度下孔隙分布及細觀特征

由圖5可知：床層底部的孔隙小而密，隨著床層高度的增加，孔隙逐步集中擴大，從點逐步演化為斑。

床層高度對孔隙形貌影響較大。床層底部孔隙間的連通性能較差，呈碎片化分布，多為獨立或與網狀結構不連通的團狀孔隙；在床層中上部，孔隙呈扁平狀或扁曲面狀，孔隙之間連通性較好，呈網絡狀分布，易在剪切作用的引導下將水分排出[16]。由圖6可知：孔隙率隨著床層高度的上升而增大，孔隙率由43.4%增加至49.6%，平均孔隙率為47.62%。

樣品高度/cm：(a) 1.5；(b) 3.0；(c) 4.5；(d) 6.0；(e) 7.5

1—無剪切作用；2—線性擬合。

3.1.2 孔隙的分形特征

圖7所示為孔隙結構三維截面分形盒維數。由圖7可知：孔隙結構表現出明顯的分形特征；床層底部孔隙盒維數較小，為1.60~1.70；隨著床層高度上升，分形維數逐步增加到1.90~1.95，有剪切作用下的孔隙分形維數略高于無剪切作用下的孔隙分形維數。分形維數越大表示孔隙結構越復雜，越不利于水分的儲存，但有利于水分的流通。孔隙分形參數計算結果與孔隙率重構結果呈相同規律[17]。

1—無剪切作用；2—有剪切作用。

3.2 剪切作用對孔隙分布規律的影響

3.2.1 孔隙率對比

孔隙率是指物體材料中孔隙體積占總體積的百分比。圖8所示為有/無剪切作用下試樣孔隙率對比。由圖8可見：無剪切的試樣平均孔隙率為47.62%，有剪切的試樣平均孔隙率為40.98%，無剪切作用下試樣孔隙率比有剪切作用下試樣孔隙率高6.64%，說明剪切作用可以降低試樣的孔隙率。

1—無剪切作用；2—有剪切作用。

3.2.2 孔隙數量和直徑對比

圖9和圖10所示為不同剪切條件下孔隙數量和平均直徑對比。由圖9和圖10可知：無剪切試樣的孔隙平均數量為8 036個，有剪切試樣的孔隙平均數量為 7 968個，二者孔隙數量相差不大，說明剪切作用對孔隙數量變化無明顯影響。無剪切試樣的平均孔隙直徑為23.11 μm，有剪切試樣的孔隙平均直徑為19.01 μm，有剪切作用下孔隙平均直徑相比無剪切作用時減少4.10 μm，下降了17.74%，說明剪切作用極大地降低孔隙的平均直徑且在床層中上部的孔隙影響較大。

3.3 剪切作用下孔隙的細觀特征

3.3.1 識別喉道的最大球算法

(g?c)2+(g?c)2+(g?c)2,,gg(1)

式中：和g分別為孔隙和固體顆粒；(c,c,c)為球心；gg,g,g)為離球心最近的一個顆粒體素；RIGHT為球心與距離球心最近的固體體素g之間的長度；(,,)為在RIGHT半徑范圍內離球心最遠的1個孔隙體素；LEFT為距離球心最遠的1個孔隙體素與球心的距離。

(a) 孔隙數量；(b) 孔隙直徑

(a) 孔隙數量，無剪切作用；(b) 孔隙數量，有剪切作用；(c) 孔隙直徑，無剪切作用；(d) 孔隙直徑，有剪切作用

將孔隙空間中的所有最大球以簇的形式進行排列，簇的源頭定義為孔隙，最大球鏈的主最大球通常由孔隙開始，如果1個最大球可以追溯到2個不同的源頭，該最大球定義為喉道。孔隙?喉道鏈示意圖見圖11，其中，p為孔隙直徑，t為喉道直徑。

圖11 孔隙-喉道鏈示意圖

3.3.2 細觀喉道類型

孔喉比pl是孔隙直徑p與喉道直徑t的比值，反映了孔隙結構的導水能力與連接強度。

孔喉比的臨界值為1；孔喉比越大，說明孔隙的連接強度越弱，喉道特征明顯且水分不易通過；孔喉比越小，孔隙的連接強度越大，孔隙結構不易破壞且利于絮團中水分的運移。根據結構特點及運水能力的不同，喉道分為4種類型[19]。

1) 縮頸狀。此類喉道是孔隙的縮小部分，孔隙與喉道很難區分，此類孔隙結構屬于大孔隙、粗喉道，能夠有效地運移孔隙間的水分，孔喉比接近于1，導水通道大多都是有效的。

2) 啞鈴狀。當尾砂絮團受壓時，喉道變窄，此類孔隙結構屬于大孔隙、細喉道的類型，水分通過喉道時易受阻，孔喉比很大，此類喉道有的導水通道是無效的。

3) 薄片狀。當絮團進一步壓實，孔隙變得較小，一般是四面體或曲折的體形，此類孔隙的結構很小、喉道極細，其孔喉比可以由中等到較大，導水通道中的水分很難通過。

4) 樹根狀。絮團間孔隙可以完全連通，許多微孔隙既是孔隙又是喉道，孔隙與喉道組成的導水通道像眾多微毛細管交錯分布在尾砂床層中，孔喉比均為1，通道運水能力最強。

3.3.3 剪切作用對導水通道的影響

導水通道由絮團內的孔隙自下而上連通形成，主要作用是將絮團內的水分排出從而提升濃密效果。剪切作用對全尾砂濃密效果有較大的影響，是形成導水通道的主要外部動力[20]。導水桿在旋轉過程中強行改變絮團的運行軌跡，將絮團內部多個孤立的孔隙連通起來，形成較長的導水通道且數量有所增加。圖12所示為剪切作用對導水通道的影響。

無剪切作用時，尾砂濃密主要依靠自身重力的不斷增加來提升，此時的導水通道數量少，長度較短，水分運移能力不強，屬于不良導水通道；通道不能保持通暢，分布在絮團間的水分不易排出至泥層上部，這也是無剪切作用時尾砂壓密區孔隙率較大的原因。

(a) 無剪切作用下的導水通道；(b) 剪切作用下的導水通道

添加剪切作用時，尾砂絮團會失去松散排列并在剪切作用和泥層壓力下重新排列。尾砂漿中的細小顆粒落入絮團孔隙內，孔隙結構得到填充，孔隙數量減少，底部絮團得到壓實且結構發生不可恢復的變形，孔隙率降低，尾砂漿質量分數升高；剪切作用下打開的導水通道將水分運移至泥層上部，水分伴隨著溢流水溢出。

3.3.4 導水通道的類型

導水通道長軸均為垂直方向，即細長型導水通道，根據結構特征及導水能力劃分為以下幾類。

1) 主通道。該類通道較長，無剪切作用時由絮團之間的孔隙自由連接組成，剪切作用下也可由多條導水通道重新排列組合而成，并且與周圍的次導水通道相連；在靜水壓力作用下，孔隙間水產生富集，通過次導水通道匯流至主導水通道，水分最后排至泥層上部。

2) 次通道。該類通道一端是盲端，另一端與主導水通道相連，該通道在絮團中的數量大于主導水通道的數量，其主要作用是將水分運移至主導水通道，繼而向上繼續運移，最終排出泥層。

3) 全封閉通道。該通道單獨存在于絮團結構中，被周圍的固體顆粒包圍。通道里面的水分始終藏匿在微細顆粒之間，與周圍的導水通道不相連，不能有效導出，只能在剪切作用下強行和周圍的導水通道連通，然后通過主導水通道將水排出。

4 結論

1) 當添加轉速為2 r/min剪切作用時，底流質量分數為58.5%，無剪切作用下的底流質量分數為55.8%，剪切作用可以提升全尾砂濃密效果；剪切作用將絮團原有的松散排列打破并對絮團結構重新排列，孔隙間的水分沿著新構建的導水通道排出，床層底部質量分數提高；喉道類型會影響孔隙間水分的運移，剪切作用可以重塑絮團排列，對構建導水通道從而實現強化排水有重要意義。

2) 床層高度對孔隙形貌影響較大，隨著床層高度增大，孔隙率由43.4%增加至49.6%，床層上部的孔隙連通性較好，易在剪切條件下將水分排出；孔隙結構表現出明顯的分形特征，隨著床層高度的增加，分形盒維數從1.60~1.70逐步增加到1.90~1.95，孔隙結構趨于復雜，有利于水分的運移；分形參數與孔隙率呈相同的變化規律。

3) 當添加轉速為2 r/min的剪切作用時，壓縮絮團的孔隙率從47.62%降低到40.98%，孔隙率降低6.64%，可見剪切作用可以降低絮團的孔隙率；孔隙平均直徑由23.11 μm降低到19.01 μm，降低了17.74%，說明剪切作用能夠明顯縮減孔隙的平均直徑，且床層中上部的孔隙變化明顯；但剪切作用對孔隙數量的影響不大。

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Shear evolution and connected mechanism of pore structure in thickening bed of paste

JIAO Huazhe1, WANG Shufei1, WU Aixiang2, WANG Yiming2, YANG Yixuan1

(1. School of Civil and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

A semi-industrial unclassified-tailings thickening experiment was carried out. The internal pore structure of bed with high mass fraction of underflow was analyzed by using CT scanning and 3D reconstruction technique. The rule of pore connectivity was studied based on the maximal ball algorithm, and the water conduction mechanism of shear strengthening was revealed. The results show that when the feed volume fraction is 10% and the agent consumption of flocculant is 30 g/t, the underflow mass fraction of vanadium iron ore in northern Gansu reaches 58.5% and 55.8% with or without shear action. When adding 2 r/min shear action, the average porosity of bed decreases from 47.62% to 40.98%. The pore average diameter decreases from 23.11 μm to 19.01 μm, but there is little change in the number of pores. The number of inner pore of bed increases with the height of bed, and the fractal box dimension increases from 1.60?1.70 to 1.90?1.95. The critical pore-throat ratio is defined to be 1, and the channels are divided into main channel, subchannel and completely closed channel. There are main water conduction channels which are accompanied by several subchannels. Shear action plays an important role in remolding unclassified-tailings floc arrangement and forming water conduction channels to achieve enhanced drainage.

paste filling; 3D reconstruction; porosity; water conduction channel

TD853

A

1672?7207(2019)05?1173?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.021

2018?05?13；

2018?07?13

國家自然科學基金資助項目(51704094, 51574013, 51834001); 國家安全生產重大事故防治關鍵技術項目(henan-0005- 2016AQ) (Projects(51704094, 51574013, 51834001) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(henan-0005-2016AQ) supported by the Key Technology Program for the Prevention and Control of Major Accidents in Safety Production)

王貽明，博士，副教授，從事金屬礦山地下充填開采研究；E-mail: ustbwym@126.com

(編輯 伍錦花)