面向膏體充填尾砂濃密的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展綜述

李翠平 陳格仲 侯賀子 顏丙恒

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

發(fā)展膏體充填技術(shù)是踐行國家“綠色開采”理念 的重要舉措，具有環(huán)保、安全、高效等優(yōu)點(diǎn)，是未來礦山生產(chǎn)發(fā)展的主要方向［1-2］。尾砂濃密作為膏體充填技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，底流效果的好壞對后續(xù)工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要影響，穩(wěn)定高濃度的底流可為礦山連續(xù)充填開采提供有力保障。為此，確保濃密機(jī)底流濃度的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)膏體充填的關(guān)鍵。

尾砂濃密是將選礦廠排放的低濃度尾砂料漿在濃密機(jī)中與絮凝劑溶液混合后形成尾砂絮團(tuán)，沉降中受尾砂床層壓力、耙架剪切力等作用實(shí)現(xiàn)固液分離，制備出高濃度底流料漿的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程［3］。尾砂濃密工藝涉及流體力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、膠體表面化學(xué)、顆粒物質(zhì)等研究領(lǐng)域，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前學(xué)術(shù)界從濃密機(jī)結(jié)構(gòu)［4］、尾砂床層高度［5］、耙架剪切作用［6］、絮凝劑選型［7］、顆粒絮凝［8］等方面開展了相關(guān)研究，取得了豐富的研究成果。但在礦山實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營中，依然存在濃密機(jī)底流濃度波動(dòng)大、底流排放連續(xù)性差等工程問題，嚴(yán)重影響了后續(xù)工藝環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。縱觀國內(nèi)外的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，濃密環(huán)節(jié)底流濃度不穩(wěn)定現(xiàn)象除了受宏觀因素影響外，尾砂絮團(tuán)結(jié)構(gòu)是決定脫水效果的根本原因。為此，本研究從微細(xì)觀入手，以尾砂絮團(tuán)結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)闡述了絮團(tuán)排水過程中尾砂顆粒絮凝、絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化、絮團(tuán)水含量變化、壓密區(qū)孔隙通道等方面的最新研究進(jìn)展，深入分析了當(dāng)前濃密脫水過程中存在的問題以及發(fā)展趨勢。

1 尾砂顆粒絮凝及宏觀影響因素

1.1 尾砂顆粒絮凝

絮凝是向懸浮液中加入絮凝劑或混凝劑溶液，使懸浮液中顆粒物質(zhì)與藥劑發(fā)生物理化學(xué)作用在脫穩(wěn)后進(jìn)一步形成絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，以提高顆粒介質(zhì)沉降速率的工業(yè)技術(shù)，如圖1中區(qū)域Ⅱ所示。絮凝主要用于提高廢水凈化效率、尾礦濃密增稠等領(lǐng)域，在國內(nèi)外的工業(yè)廢水處理、食品、醫(yī)藥、造紙、采礦等行業(yè)有較為成熟的技術(shù)體系，可顯著降低固液分離時(shí)的經(jīng)濟(jì)成本。已有研究表明，絮凝劑與料漿中尾砂顆粒主要發(fā)生吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃、電荷中和以及壓縮雙電層等作用［9］，按照作用機(jī)理的差異，可將絮凝劑主要分為有機(jī)絮凝劑和無機(jī)絮凝劑兩大類［10-11］。傳統(tǒng)無機(jī)絮凝劑多為無機(jī)鹽類，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)存在使用量大、效果不佳等缺點(diǎn)，已逐步被高分子有機(jī)絮凝劑代替。目前，國內(nèi)礦山企業(yè)多采用有機(jī)絮凝劑中的陰離子聚丙烯酰胺，其具有經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)保、操作流程簡便的優(yōu)點(diǎn)。

濃密起始階段低濃度尾砂料漿與絮凝劑溶液在濃密機(jī)中心桶中進(jìn)行物料混合，尾砂顆粒與絮凝劑溶液發(fā)生物理化學(xué)作用，形成結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度較低、形態(tài)不一的尾砂絮團(tuán)［10］。初始階段絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的生成一方面降低了上清液的濁度，有利于工業(yè)水資源循環(huán)利用；另一方面提高了細(xì)尾砂顆粒的沉降速率，解決了細(xì)顆粒尾砂難以快速沉降的問題，提高了沉降階段固液分離效率［7］。絮凝劑與溶液中尾砂顆粒絮凝過程表現(xiàn)為：首先，絮凝劑與水溶液混合；之后，絮凝劑溶液稀釋分散與料漿中尾砂顆粒發(fā)生凝聚作用；最后發(fā)生絮凝作用，形成尾砂絮團(tuán)［7，12］。絮凝作用發(fā)生的前提是料漿中尾砂顆粒表面存在空白電位，絮凝劑鏈的官能團(tuán)才能與尾砂顆粒發(fā)生吸附架橋作用，打破細(xì)顆粒尾砂的懸浮狀態(tài)進(jìn)而形成尾砂絮團(tuán)［9，13］。

1.2 絮凝宏觀影響因素分析

除了絮凝劑類型外，尾砂顆粒絮凝成團(tuán)過程受多種外界宏觀因素影響，包括絮凝劑單耗、絮凝劑溶液濃度、尾砂料漿濃度、溶液pH值、溫度、絮凝劑分子量和離子度等因素。

1.2.1 絮凝劑單耗

絮凝劑單耗對絮凝效果具有決定性作用。絮凝劑單耗較低時(shí)雖可以降低經(jīng)濟(jì)成本，但無法使全部尾砂顆粒絮凝成團(tuán)，部分細(xì)尾砂顆粒仍懸浮于上清液中，增大了溢流液的濁度，額外增加了工業(yè)循環(huán)水再次使用的處理步驟［7］。而較高的絮凝劑單耗不僅增加了經(jīng)濟(jì)成本，還會(huì)引起尾砂顆粒表面電位過飽和現(xiàn)象從而降低吸附架橋作用的效率［14］，易生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小絮團(tuán)，產(chǎn)生絮凝效果不佳的問題；同時(shí)絮凝劑單耗增加將會(huì)提升料漿整體黏度，使絮團(tuán)沉降阻力加大，絮團(tuán)沉降速率降低，最后導(dǎo)致壓密區(qū)尾砂料漿排水阻力升高等問題［15-16］。

1.2.2 絮凝劑溶液濃度

絮凝劑溶液濃度較高時(shí)，溶液難以快速稀釋到與尾砂料漿混合的最佳濃度，易引起部分尾砂顆粒吸附過飽和，無法確保尾砂顆粒有效絮凝，導(dǎo)致絮凝的尾砂絮團(tuán)較小以及溢流液濁度較高［16］。因此，在現(xiàn)場應(yīng)用中絮凝劑溶液濃度一般較低，濃度范圍多位于千分位到萬分位之間。

1.2.3 尾砂料漿濃度

尾砂料漿濃度較高，會(huì)導(dǎo)致尾砂顆粒難以快速與絮凝劑溶液充分混合，不易達(dá)到良好的絮凝效果。尾砂濃度較低，顆粒之間難以形成結(jié)構(gòu)密實(shí)的絮團(tuán)，同時(shí)加劇了水資源消耗［17］。因此，選擇適宜的絮凝劑用量與尾砂料漿濃度，可促進(jìn)絮凝劑與尾砂顆粒快速充分接觸，提高顆粒絮凝效率。

1.2.4 溶液pH值

料漿pH值對絮團(tuán)形成的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面［16］：一是通過改變顆粒表面Zeta電位來調(diào)節(jié)尾砂顆粒之間的相互作用力，壓縮顆粒表面雙電層結(jié)構(gòu)以便于吸附架橋；二是改變絮凝劑鏈的狀態(tài)，促進(jìn)絮凝劑鏈吸附至尾砂顆粒表面從而更高效地完成顆粒絮凝［17］。

1.2.5 溫 度

溫度對尾砂顆粒絮凝過程的影響主要表現(xiàn)在：適宜溶液溫度下可以降低料漿的黏度，提高絮凝劑的溶解度，便于絮凝劑溶液快速與尾砂料漿混合，更好地完成吸附架橋作用［18］，并且適當(dāng)提高溫度可以加劇料漿中尾砂顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，有利于料漿快速絮凝。此外，在適宜溫度范圍內(nèi)可有效提高絮凝劑活性，有利于提高顆粒絮凝速率［19-20］。

1.2.6 絮凝劑分子量和離子度

有機(jī)高分子絮凝劑的分子量和離子度對顆粒絮凝效率具有重要影響［21-22］。在絮凝劑離子度相同的情況下，低分子量的絮凝劑形成的絮團(tuán)尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為疏松，上清液濁度高。隨著絮凝劑分子量增加，尾砂顆粒吸附架橋作用明顯增強(qiáng)，形成的絮團(tuán)尺寸逐步增大，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。但過高的分子量難以確保絮凝劑分子鏈在水解過程中完全打開，無法充分發(fā)揮絮凝作用。同理，相同分子量情況下，離子度較低的絮凝劑所提供的電解質(zhì)有限，不易打破顆粒的穩(wěn)定狀態(tài)，降低了尾砂顆粒的絮凝效率。隨著絮凝劑離子度增加，水解后得到的電解質(zhì)增多，有助于穩(wěn)定懸浮顆粒失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)較好的吸附架橋作用。但是離子度過高則會(huì)降低絮凝劑的水解度，進(jìn)而抑制電解質(zhì)發(fā)揮作用，降低絮凝效率。因此，適量提高絮凝劑分子量和離子度有助于增加尾砂顆粒絮凝效率以及形成結(jié)構(gòu)密實(shí)的尾砂絮團(tuán)。

尾砂顆粒絮凝是濃密機(jī)中實(shí)行固液分離的第一步，了解其作用機(jī)理及影響因素對整個(gè)濃密環(huán)節(jié)具有重要的意義。尾砂顆粒絮凝的宏觀影響因素較多，各因素的作用規(guī)律往往并非獨(dú)立存在，多因素之間耦合作用較強(qiáng)。因此，在尾砂絮凝的過程中需要綜合考慮各方面的宏觀影響因素，進(jìn)行多因素優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最理想的顆粒絮凝效果。除此之外，現(xiàn)有濃密機(jī)在中心筒處沿用單點(diǎn)加藥、一次絮凝的方式進(jìn)行物料混合，存在上清液濁度較高的現(xiàn)象，為工業(yè)生產(chǎn)帶來不少困擾。為此，改進(jìn)物料混合方式，采用多點(diǎn)加藥，多段絮凝的新工藝有望為解決該類工程問題提供新的技術(shù)思路。

2 絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化

濃密機(jī)中尾砂顆粒絮凝成團(tuán)后，在重力作用下向濃密機(jī)底部沉降。沉降過程中絮團(tuán)受到外力擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化，物理性質(zhì)也隨之改變。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)絮團(tuán)在濃密機(jī)中的受力以及結(jié)構(gòu)變化機(jī)制的差異性，將絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化過程分為沉降區(qū)和壓密區(qū)兩個(gè)部分。

2.1 沉降區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化

絮凝沉降過程中影響絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的外界因素較多，國內(nèi)外學(xué)者利用不同試驗(yàn)手段對沉降過程中絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化開展了大量研究工作。由早期的高清相機(jī)拍攝［23］、激光散射［24］等絮團(tuán)觀測方式，逐步發(fā)展到探頭式原位檢測技術(shù)，如聚焦光束反射測量技術(shù)（Focused Beam Reflectance Measurement，F(xiàn)BRM）、顆粒錄影顯微鏡技術(shù)（Particle Video Microscope，PVM）［25］等觀測手段，分析不同條件下絮團(tuán)尺寸、強(qiáng)度、分形維數(shù)等物理性質(zhì)的變化規(guī)律。獲得了尾砂絮團(tuán)尺寸與流體剪切應(yīng)力緊密相連，并隨流體剪切應(yīng)力增大而降低的一系列實(shí)測理論成果［26-27］。其研究表明，絮團(tuán)早期階段更容易發(fā)生破碎和重組現(xiàn)象，當(dāng)絮團(tuán)強(qiáng)度不低于流體剪切應(yīng)力時(shí)，絮團(tuán)尺寸不再減小，達(dá)到平衡階段，絮團(tuán)破碎與重組的過程是多次重復(fù)的，具有絮凝—破碎—再生（A—B—R）的性質(zhì)［28］。依據(jù)最新研究結(jié)果，絮團(tuán)尺寸的總體發(fā)展變化過程可分為初始凝聚階段、絮凝成團(tuán)階段、絮團(tuán)破碎階段以及動(dòng)態(tài)平衡階段［29-30］，如圖2所示。破碎和重組后所形成的尾砂絮團(tuán)性質(zhì)與之前相比存在較大差異性，主要表現(xiàn)為：破碎后的絮團(tuán)尺寸整體有所降低，但絮團(tuán)結(jié)構(gòu)更加致密，絮團(tuán)的強(qiáng)度和分形維數(shù)比破碎前更高［31-32］。

絮團(tuán)在沉降區(qū)運(yùn)動(dòng)過程中，流體剪切、差速沉降和布朗運(yùn)動(dòng)對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［33-34］，其中流體剪切作用是導(dǎo)致沉降區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的根本原因［35］。流體剪切主要發(fā)生在兩處：一處是中心筒內(nèi)物料混合時(shí)流體強(qiáng)烈剪切作用區(qū)；另一處是絮團(tuán)沉降過程中，由濃密機(jī)耙架與導(dǎo)水桿轉(zhuǎn)動(dòng)所帶動(dòng)的濃密機(jī)內(nèi)液體規(guī)則旋轉(zhuǎn)而形成的流體剪切作用區(qū)，該處的剪切作用決定了沉降區(qū)絮團(tuán)的最終形態(tài)。絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化以剪切破碎、碰撞重組方式體現(xiàn)，其中，剪切破碎是絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的最主要方式［36］。

絮團(tuán)受流體剪切作用后主要有兩種破碎形式［37］，如圖1區(qū)域Ⅲ中①、②所示，兩種破碎機(jī)制以Kolmogorov尺寸作為主要判定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)絮團(tuán)尺寸達(dá)到或超過Kolmogorov尺度時(shí)，絮團(tuán)將發(fā)生破裂，此時(shí)大絮團(tuán)孔隙率較高，絮團(tuán)強(qiáng)度較低，在流體剪切作用下，絮團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致大絮團(tuán)分散為多個(gè)小絮團(tuán)；當(dāng)絮團(tuán)尺寸小于Kolmogorov尺度時(shí)，絮團(tuán)發(fā)生侵蝕，在較弱的流體剪切作用下，絮團(tuán)表面所吸附的不牢固微小絮團(tuán)脫落，造成絮團(tuán)體積減小［28，38］，脫落的絮團(tuán)將重新回到溶液中與其它絮團(tuán)產(chǎn)生作用［39］。絮團(tuán)結(jié)構(gòu)破碎過程中，可根據(jù)溶液中的金屬離子對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，將絮團(tuán)的破碎分為可逆破碎與不可逆破碎［40］。尾砂絮團(tuán)破碎后生成的碎片，一方面可為絮團(tuán)碰撞重組提供更多附著位點(diǎn)［41-42］，另一方面較小的絮團(tuán)碎片在流動(dòng)過程中易與大絮團(tuán)發(fā)生碰撞重組過程，如圖1區(qū)域Ⅲ中③所示，進(jìn)一步改變了絮團(tuán)結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)［43-44］。

可見，對沉降區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)方面的研究大多是借鑒泥沙、污水處理等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究成果，而對于尾砂濃密沉降環(huán)節(jié)國內(nèi)學(xué)者多采用粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）［45］、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬［46］等技術(shù)，分析絮團(tuán)在沉降過程中的軌跡運(yùn)移、沉降速度等問題，基于固體通量、C-C法（Coe-Clevenger）、Kynch等理論構(gòu)建沉降模型，為濃密機(jī)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，但以往的研究忽略了沉降過程中絮團(tuán)結(jié)構(gòu)以及密度的變化對底流濃度產(chǎn)生的影響。

2.2 壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化

濃密機(jī)上部絮團(tuán)沉降至底部后，逐漸累積形成具有一定高度的尾砂床層，由于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較低，在床層壓力及耙架剪切力共同作用下，絮團(tuán)進(jìn)一步發(fā)生破碎，絮團(tuán)的密度、強(qiáng)度等物理性質(zhì)出現(xiàn)變化，對底流濃度產(chǎn)生較大影響。

當(dāng)前對壓密區(qū)絮團(tuán)的研究，主要是通過直接取料或冷凍取料的方式開展絮團(tuán)結(jié)構(gòu)觀測試驗(yàn)。借助圖像分析技術(shù)、顯微攝像技術(shù)等［47-48］，對不同壓力、剪切作用等外界條件影響下的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、尾砂顆粒間接觸狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在受壓、受剪作用下的變化規(guī)律。耙架剪切過程中由于絮團(tuán)形狀和尺寸的各向異性，床層中尾砂絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生破碎、重組等過程，導(dǎo)致絮團(tuán)整體尺寸逐漸減小，絮團(tuán)的分形維數(shù)逐漸增大，絮團(tuán)強(qiáng)度與密度逐漸增加［49］。而壓濾試驗(yàn)表明，絮團(tuán)尺寸隨壓力的增大而逐漸減小，直至床層骨架強(qiáng)度與所施加的壓力相當(dāng)時(shí)，絮團(tuán)尺寸不再發(fā)生變化，當(dāng)再次加壓時(shí)，絮團(tuán)尺寸將繼續(xù)減小，直到再次平衡［50］，如圖3所示。因此，隨著尾砂床層的不斷升高，在床層壓力和耙架剪切力的耦合作用下，壓密區(qū)的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)處于動(dòng)態(tài)平衡［51］。通過環(huán)境掃描電鏡（Environmental Scanning Electron Microscope，ESEM）對壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析表明，力學(xué)作用下壓密區(qū)尾砂顆粒之間的接觸狀態(tài)同步存在變化［52-53］，使絮團(tuán)結(jié)構(gòu)向更加密實(shí)的狀態(tài)發(fā)展。

壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化直接影響底流料漿濃度，但目前對壓密區(qū)尾砂絮團(tuán)的研究多采用取樣分析，此種技術(shù)對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)狀態(tài)具有一定的擾動(dòng)，難以真實(shí)表征壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)作用之間的關(guān)聯(lián)。

3 絮團(tuán)水含量變化

絮凝沉降對比試驗(yàn)表明，相同條件下，添加絮凝劑后的底流濃度比未添加絮凝劑的底流濃度要低［54-55］，而絮團(tuán)水含量的變化是引起這一現(xiàn)象的主要原因，研究中通常將絮團(tuán)水細(xì)分為絮團(tuán)內(nèi)水和絮團(tuán)間水［54］，如圖1區(qū)域Ⅴ中所示。

3.1 沉降區(qū)絮團(tuán)內(nèi)水含量變化

絮團(tuán)內(nèi)水伴隨著絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)而產(chǎn)生，尾砂顆粒絮凝形成的單個(gè)絮團(tuán)具有較高的孔隙率，孔隙體積均由液相水填充于內(nèi)，形成絮團(tuán)內(nèi)水，顯著降低了單個(gè)絮團(tuán)的密度，其含量與絮團(tuán)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也隨絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化而改變［55-56］。已有研究表明，絮凝劑單耗對絮團(tuán)內(nèi)水含量的變化具有重要影響，過量的絮凝劑可使尾砂絮團(tuán)內(nèi)水含量進(jìn)一步增加，不利于制備高濃度底流［54］。此外，絮團(tuán)沉降過程中，流體剪切、絮團(tuán)碰撞等外力作用導(dǎo)致絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在薄弱處發(fā)生破裂［57］，使絮團(tuán)內(nèi)水得到相應(yīng)釋放，絮團(tuán)密實(shí)度提高，沉降速度加快，有利于提高固液分離效率。同理，不同溶液溫度、pH值等宏觀條件下絮團(tuán)內(nèi)水含量也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化［58-59］，而力學(xué)作用下的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)破碎則是導(dǎo)致絮團(tuán)內(nèi)水含量減少、絮團(tuán)密度提高的根本原因。但由于技術(shù)水平發(fā)展有限，已有的相關(guān)研究多基于理論公式推導(dǎo)，進(jìn)而推測絮團(tuán)密度的理論數(shù)值，具有一定的借鑒意義，但對于實(shí)際絮團(tuán)密度的物理試驗(yàn)測試成果尚未有相關(guān)報(bào)道。因此，深入研究尾砂濃密沉降過程中的絮團(tuán)內(nèi)水含量變化，分析受外界條件作用下沉降過程中絮團(tuán)密度的變化規(guī)律，可為實(shí)現(xiàn)高濃度底流奠定基礎(chǔ)。

3.2 壓密區(qū)絮團(tuán)水含量變化

絮凝形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)具有各向異性和不規(guī)則性，多以棒狀、橢圓狀、餅狀為主，沉降至濃密機(jī)底部的絮團(tuán)層層堆積，絮團(tuán)間形成大量的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙內(nèi)充滿液體，構(gòu)成絮團(tuán)間水。隨著絮團(tuán)不斷堆積壓縮，壓密區(qū)形成具有高孔隙率的“蛋糕”狀多孔介質(zhì)，大量的絮團(tuán)間水位于其中，促使底流濃度跨度較大，形成高度飽和的非均質(zhì)多孔介質(zhì)［60-61］。尾砂床層在重力和耙架剪切作用下，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)破碎，絮團(tuán)內(nèi)水和絮團(tuán)間水均得到釋放，濃密機(jī)底流濃度得到提高。已有壓濾試驗(yàn)表明，低壓力作用下的絮團(tuán)水釋放有限［62］，要獲得較高的底流濃度必須施以極大的壓力和較長的作用時(shí)間，但在實(shí)際生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)。床層的剪切屈服應(yīng)力相比于壓縮屈服應(yīng)力更低，耙架剪切作用對絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較強(qiáng)烈，有利于絮團(tuán)水的釋放。床層未耙動(dòng)時(shí)，在重力作用下，壓密區(qū)尾砂床層絮團(tuán)水含量高并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，耙架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在耙架剪切和床層壓力耦合作用下絮團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破碎形成更小更致密的絮團(tuán)［63-64］，絮團(tuán)水的排放更加徹底。因此，在重力及耙架剪切作用下，壓密區(qū)絮團(tuán)水含量隨絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化處于動(dòng)態(tài)變化中。國外學(xué)者借助CT掃描技術(shù)對穩(wěn)定后的泥層進(jìn)行了三維重構(gòu)分析［65-66］，得出絮團(tuán)內(nèi)水含量隨絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化呈正態(tài)分布規(guī)律。此外，也有學(xué)者通過添加化學(xué)藥劑的方法對絮團(tuán)水釋放進(jìn)行了相關(guān)研究［67］。但以上研究主要集中在如何釋放絮團(tuán)水，對力學(xué)作用下絮團(tuán)水含量變化問題研究較少，只分析了泥層重力下絮團(tuán)內(nèi)水含量變化，未對耙架剪切后絮團(tuán)內(nèi)水含量變化進(jìn)行研究，存在一定的不足之處，且國內(nèi)鮮有相關(guān)研究成果見諸報(bào)道。

目前業(yè)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為尾砂絮團(tuán)結(jié)構(gòu)中存有絮團(tuán)內(nèi)水和絮團(tuán)間水，借鑒相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論，將多孔介質(zhì)中存在的水分類型分為4種［68］：結(jié)晶水、表面吸附水、間隙水以及自由水。常規(guī)手段難以去除尾砂顆粒的結(jié)晶水和表面吸附水［69］，間隙水在泥層中存在的比例較高，是造成泥層濃度較低的根本原因，自由水存在于泥層上部，不與泥層顆粒發(fā)生作用。但是這些概念主要從其它學(xué)科借鑒而來，雖然具有一定的價(jià)值，但尾砂顆粒的性質(zhì)與泥沙、污泥不盡相同，尤其是化學(xué)添加劑的引入，導(dǎo)致絮團(tuán)水含量增加的理論不夠明確。因此，明晰尾砂濃密環(huán)節(jié)水分種類至關(guān)重要，探究絮團(tuán)水含量在外界宏觀因素作用下的變化規(guī)律以及如何更好、更快地降低絮團(tuán)水含量，對于提高濃密機(jī)底流濃度具有重要意義。

4 尾砂床層孔隙通道演化

壓密區(qū)床層料漿濃度的質(zhì)量直接影響后續(xù)充填環(huán)節(jié)的開展，進(jìn)而制備出穩(wěn)定的高濃度料漿是濃密環(huán)節(jié)的首要目標(biāo)。尾砂床層的沉積行為反映了料漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)對力學(xué)作用的響應(yīng)，尾砂絮團(tuán)在重力及耙架剪切力的作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，釋放的絮團(tuán)內(nèi)水與絮團(tuán)間水相匯聚，在床層壓力作用下通過絮團(tuán)間復(fù)雜的孔隙通道向上部排出，如圖1區(qū)域Ⅵ中所示，進(jìn)而制備出高濃度的底流料漿，滿足充填需要。研究表明，尾砂床層沉積是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，床層的骨架強(qiáng)度和孔隙水壓力最終會(huì)與上部床層重力形成平衡，達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，在到達(dá)平衡之前，床層中排水通道的形狀和結(jié)構(gòu)伴隨壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化一直處于動(dòng)態(tài)演變過程中。不斷演變的孔隙結(jié)構(gòu)將影響孔隙內(nèi)流體流動(dòng)和顆粒運(yùn)移，進(jìn)而影響壓密區(qū)料漿的排水效率。早期研究發(fā)現(xiàn)，床層中的液相水通過孔隙通道向上排出的過程中將會(huì)與尾砂顆粒進(jìn)行等體積交換。但實(shí)際中顆粒的沉積與流體流動(dòng)之間的耦合是一個(gè)復(fù)雜的過程，力學(xué)作用下尾砂床層中孔隙通道的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化以及通道結(jié)構(gòu)對流體流動(dòng)影響的研究依然充滿了挑戰(zhàn)［70-71］。

實(shí)際生產(chǎn)中，絮團(tuán)沉積至底部所形成的尾砂床層高度不斷增加，床層壓力從上到下逐漸遞增，絮團(tuán)間隙不斷縮小，床層孔隙體積不斷降低。因此，隨著尾砂床層的高度增加，濃密機(jī)底部的尾砂料漿濃度較高。壓滲試驗(yàn)表明，力學(xué)作用下的孔隙結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)變化較為明顯［72］，尾砂床層孔隙、孔徑變化范圍較大，導(dǎo)致床層滲透系數(shù)在垂直方向上出現(xiàn)較大的差異性，致使壓密區(qū)尾砂料漿具有高度非均質(zhì)性的多孔介質(zhì)屬性。基于水力傳導(dǎo)率的特征，將床層中孔隙通道分為有效通道和無效通道兩大類［73］，床層中絮團(tuán)水通過有效通道排出，無效通道單獨(dú)存在于床層中，無法有效地將床層中的水排出，不利于提高底流濃度。在床層不斷增高的過程中，沉積作用使排水通道的孔隙連通性及孔隙結(jié)構(gòu)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，通道的分散性隨床層高度的增加急劇增長，從而增加了流體運(yùn)輸?shù)那鄱龋哟罅肆黧w的排出阻力［74］。絮團(tuán)水在孔隙通道向上排出的過程中，伴隨通道結(jié)構(gòu)的變化，致使部分通道中流體剪切力增加，當(dāng)流體剪切力大于尾砂顆粒間的黏附力時(shí)，尾砂顆粒將會(huì)從排水通道內(nèi)部脫離，流體帶動(dòng)微細(xì)顆粒尾砂向上流動(dòng)，最終在床層界面處形成火山口［75］。此外，床層的力學(xué)作用改變了尾砂顆粒間的接觸狀態(tài)，不僅使絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，堆積的尾砂顆粒還增加了床層中孔隙微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，促使部分尾砂顆粒對有效通道產(chǎn)生封堵效應(yīng)，相應(yīng)增加了無效通道的數(shù)量。同時(shí)床層中細(xì)顆粒尾砂易將孔隙填充得更加密實(shí)，降低了床層的逆向滲透率［76-77］，表明尾砂顆粒級配對孔隙排水通道產(chǎn)生的影響也不容忽視。

濃密機(jī)底部的尾砂料漿受到床層重力作用的同時(shí)，還會(huì)受到耙架轉(zhuǎn)動(dòng)引起的機(jī)械剪切力作用。耙架剪切不僅改變了壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，還會(huì)影響床層孔隙結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及排水通道類型［78］。在導(dǎo)水桿和耙架綜合剪切作用下，床層內(nèi)的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)將發(fā)生破裂，進(jìn)一步改變了孔隙通道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)［79］。耙架轉(zhuǎn)動(dòng)下尾砂床層中產(chǎn)生低引力區(qū)域，進(jìn)而形成新的孔隙通道，逐步使絮團(tuán)水得到釋放。因此耙架的轉(zhuǎn)速大小將直接影響濃密機(jī)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合理轉(zhuǎn)速范圍有利于尾砂床層內(nèi)孔隙通道的形成，提高尾砂料漿底流濃度。目前國內(nèi)學(xué)者主要對床層受剪切時(shí)排水通道的出現(xiàn)與湮滅進(jìn)行了理論描述，同時(shí)考慮了耙架轉(zhuǎn)速等宏觀影響因素的作用規(guī)律［79］，而涉及壓密區(qū)床層排水通道的微觀結(jié)構(gòu)分析較少，尤其是實(shí)際工程中耙架和導(dǎo)水桿的綜合剪切作用使孔隙通道的結(jié)構(gòu)變化更為復(fù)雜，目前國內(nèi)對此方面問題的研究處于起步階段，需進(jìn)一步探究壓密區(qū)絮團(tuán)水的排出規(guī)律以及孔隙通道結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，以期為濃密環(huán)節(jié)的現(xiàn)場調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

5 現(xiàn)存的問題與研究趨勢

5.1 現(xiàn)存的問題

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，雖然在尾砂濃密領(lǐng)域針對顆粒絮凝、絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化、剪切排水等方面開展了大量的研究工作，取得了豐富的科研進(jìn)展，但理論研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。以往研究將沉降區(qū)和壓密區(qū)單獨(dú)分離開，研究內(nèi)容主要集中在宏觀試驗(yàn)，并且多為室內(nèi)靜態(tài)濃密試驗(yàn)，對沉降區(qū)與壓密區(qū)同步開展研究的連續(xù)動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)涉及較少。微細(xì)觀方面雖然進(jìn)行了一定程度的研究，但不夠深入，如尾砂絮團(tuán)水含量變化研究，沉降區(qū)到壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)整體變化的原位觀測研究，壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化對尾砂床層孔隙通道的影響研究，以及孔隙通道中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究等領(lǐng)域，均需要進(jìn)一步開展更全面深入的分析。針對現(xiàn)場實(shí)際需求以及相應(yīng)的研究進(jìn)展?fàn)顩r，目前還存在以下幾方面問題亟待解決：

（1）力學(xué)作用下對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)效應(yīng)認(rèn)識不足。目前對尾砂絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的研究主要集中于特定條件下的二維圖像分析領(lǐng)域，以沉降區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)分析為主。但對整個(gè)濃密環(huán)節(jié)由沉降區(qū)到壓密區(qū)，由單一重力壓密到重力—剪切力耦合作用下的尾砂絮團(tuán)原位結(jié)構(gòu)觀測研究較少，同時(shí)尚未對力學(xué)作用下絮團(tuán)三維結(jié)構(gòu)變化機(jī)理進(jìn)行分析。

（2）絮團(tuán)結(jié)構(gòu)效應(yīng)下對絮團(tuán)水含量變化認(rèn)識不足。目前對濃密環(huán)節(jié)尾砂料漿中的水分分類認(rèn)識不明晰。添加絮凝劑雖然解決了細(xì)尾砂難以快速沉降的問題，卻導(dǎo)致絮團(tuán)水含量增加的負(fù)面效應(yīng)，目前還未能開展使用化學(xué)添加劑后絮團(tuán)水含量增加原因的研究，以及絮團(tuán)水含量的定量分析研究，更未對外界宏觀條件作用下絮團(tuán)水含量隨絮團(tuán)結(jié)構(gòu)變化問題進(jìn)行相關(guān)分析。

（3）壓密區(qū)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)效應(yīng)下尾砂料漿微觀孔隙結(jié)構(gòu)的演化機(jī)理不明晰。目前對壓密區(qū)力學(xué)作用下尾砂料漿排水問題的研究多集中在宏觀作用規(guī)律上，而力學(xué)作用下絮團(tuán)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對孔隙通道的微細(xì)觀影響分析較少。同時(shí)尚未開展絮團(tuán)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對孔隙通道形態(tài)的影響分析，也未對孔隙三維結(jié)構(gòu)發(fā)展以及演化趨勢進(jìn)行分析，更未見力學(xué)作用下尾砂顆粒級配以及尾砂顆粒間的接觸狀態(tài)對孔隙通道形態(tài)產(chǎn)生的影響以及孔隙通道形態(tài)變化影響流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究。

5.2 研究趨勢

（1）在現(xiàn)有靜態(tài)沉降研究的基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室濃密機(jī)模型開展連續(xù)動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)，結(jié)合原位監(jiān)測技術(shù)，對絮團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、原位的監(jiān)測與表征，從沉降區(qū)至壓密區(qū)進(jìn)行一體化研究，揭示力學(xué)作用下絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化規(guī)律。

（2）在現(xiàn)有絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的二維研究基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)與三維重構(gòu)技術(shù)對尾砂絮團(tuán)進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)表征，研究絮團(tuán)孔隙體積的變化規(guī)律以及不同試驗(yàn)條件下絮團(tuán)水含量隨絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)宏觀到微觀、定性到定量、二維到三維的拓展研究。

（3）在現(xiàn)有尾砂床層宏觀試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展壓密區(qū)床層排水通道的微觀觀測試驗(yàn)，建立孔隙通道的三維立體結(jié)構(gòu)模型，通過物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，探究床層壓力與耙架剪切耦合作用下孔隙通道結(jié)構(gòu)演化以及通道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，研究尾砂床層內(nèi)水的排出過程，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高濃度底流排放提供理論指導(dǎo)。