膏體濃密床層孔隙結(jié)構(gòu)剪切演化與連通機(jī)理

焦華喆，王樹飛，吳愛祥，王貽明，楊亦軒

?

膏體濃密床層孔隙結(jié)構(gòu)剪切演化與連通機(jī)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(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作，454000；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

開展半工業(yè)全尾砂濃密實(shí)驗(yàn)，借助計(jì)算機(jī)斷層掃描與三維重構(gòu)技術(shù)分析高質(zhì)量分?jǐn)?shù)底流床層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征；利用最大球算法研究孔隙連通規(guī)律，揭示剪切強(qiáng)化導(dǎo)水機(jī)理。研究結(jié)果表明：當(dāng)給料體積分?jǐn)?shù)為10%，絮凝劑單耗為30 g/t時(shí)，有/無剪切作用下的肅北釩鐵礦全尾砂連續(xù)濃密底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達(dá)58.5%和55.8%；當(dāng)添加轉(zhuǎn)速為2 r/min的剪切作用時(shí)，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(shù)量變化較??；床層內(nèi)部孔隙數(shù)量隨床層高度上升而增多，分形盒維數(shù)由1.60~1.70增加到1.90~1.95；定義臨界孔喉比為1，將導(dǎo)水通道劃分為主通道、次通道和全封閉通道，床層內(nèi)部存在主導(dǎo)水通道周圍伴隨著若干次導(dǎo)水通道；剪切作用對(duì)于重塑尾砂絮團(tuán)排列方式繼而形成導(dǎo)水通道實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化排水具有重要意義。

膏體充填；剪切作用；三維重構(gòu)；孔隙率；導(dǎo)水通道

在“綠水青山就是金山銀山”的今天，保證礦產(chǎn)企業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的必由之路就是在新形勢(shì)下建設(shè)資源節(jié)約型與環(huán)境友好型的綠色礦山[1]。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，為了充分利用礦產(chǎn)資源，礦產(chǎn)企業(yè)普遍提高磨礦細(xì)度，但在井下膏體填充時(shí)全尾砂細(xì)顆粒易與水形成膠體，導(dǎo)致脫水難度增加，因此，超細(xì)尾砂脫水成為膏體充填技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。尾砂漿與絮凝劑產(chǎn)生絮凝作用，形成含有孔隙的絮網(wǎng)或絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)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(tuán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞、壓密，形成導(dǎo)水通道，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制性脫水，從而影響底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此，研究絮團(tuán)孔隙結(jié)構(gòu)在剪切過程中的演化規(guī)律對(duì)深入了解膏體細(xì)觀特征、優(yōu)化濃密脫水具有重要意義。近年來國內(nèi)外的研究多集中于全尾砂絮凝沉降和固結(jié)過程[3?8]，但對(duì)有關(guān)動(dòng)態(tài)剪切條件下尾砂壓密區(qū)微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的研究較少，其主要原因是壓密區(qū)孔隙隨機(jī)分布且形態(tài)復(fù)雜，光學(xué)儀器放大倍數(shù)小等。隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)在礦業(yè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，人們展開了礦石顆粒微觀結(jié)構(gòu)研究[9?12]，但由于CT掃描精度不高，孔隙結(jié)構(gòu)考察參數(shù)不統(tǒng)一，因此并沒有全面和深入地研究尾砂壓密區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。本文作者采用高精度工業(yè)CT對(duì)有/無剪切作用下的全尾砂壓密區(qū)樣品內(nèi)部進(jìn)行微觀掃描，對(duì)獲取的圖像預(yù)處理并進(jìn)行三維重構(gòu)，觀察樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)并分析2種條件下的孔隙率、孔隙平均直徑、孔隙分維數(shù)等變化規(guī)律，以期揭示全尾砂壓密區(qū)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 全尾砂

實(shí)驗(yàn)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(jīng)檢測(cè)，尾砂相對(duì)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(xì)，脫水濃縮制備膏體較困難；顆粒負(fù)累積產(chǎn)率為10%，50%和90%時(shí)對(duì)應(yīng)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?jǐn)?shù))達(dá)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(tuán)動(dòng)態(tài)剪切裝置

本實(shí)驗(yàn)通過自制小型連續(xù)濃密機(jī)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(shè)置4根導(dǎo)水桿，耙架轉(zhuǎn)速為2 r/min，中心傳動(dòng)軸可檢測(cè)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。給料管泵入三通混合管實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)添加，模擬現(xiàn)場濃密機(jī)真實(shí)添加方式，保證較好的絮凝效果，同時(shí)配有底流排料泵、溢流系統(tǒng)等。

1—體積分?jǐn)?shù)；2—負(fù)累積產(chǎn)率。

經(jīng)過絮凝劑優(yōu)選及室內(nèi)沉降實(shí)驗(yàn)[13]，得到最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：選擇XJTH新疆絮凝劑，絮凝劑單耗為30 g/t，全尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 連續(xù)濃密實(shí)驗(yàn)結(jié)果

濃密實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：有/無剪切作用下的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58.5%和55.8%，床層高度分別為20 cm和30 cm，停留時(shí)間分別為34 min和87 min。無剪切作用時(shí)，絮團(tuán)內(nèi)部的水分無法與絮團(tuán)外部的水分相連通，床層下部水分呈穩(wěn)定狀態(tài)且均勻分布，與絮團(tuán)保持靜力平衡。剪切作用下，導(dǎo)水桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力打破絮團(tuán)與水之間的靜力平衡，水在靜壓力的作用下沿著導(dǎo)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(yè)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(jìn)行處理。本實(shí)驗(yàn)中掃描裝置為NANOTOM-160高精度工業(yè)顯微CT掃描系統(tǒng)，放大倍數(shù)為1.5~2 000倍，最大空間分辨率達(dá)0.2 μm，可滿足檢測(cè)要求。經(jīng)調(diào)試確定放大倍數(shù)為1 000倍，掃描單元分辨率為5 μm，層間距為5 μm即為1個(gè)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(jié)構(gòu)掃描實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是制備固液混合體樣品。只有當(dāng)樣品能夠表達(dá)出原始信息時(shí)，才能在CT掃描時(shí)獲得真實(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)，從而為細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究提供可能。

本樣品制備過程如下：采用有/無剪切連續(xù)濃密實(shí)驗(yàn)—取樣—速凍—凍干—樣品。制備完畢的干燥樣品直接放入CT機(jī)中，樣品不宜受到任何的擾動(dòng)，以免破壞顆粒群結(jié)構(gòu)。

2 樣品CT掃描圖像三維重構(gòu)及其原理

2.1 圖像預(yù)處理

由于受到射線源穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)誤差和電子器件噪聲等影響，掃描得到的圖像存在噪聲點(diǎn)，無法直接進(jìn)行矢量操作，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)過對(duì)比度改變、噪點(diǎn)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(yù)處理過程見圖3。圖3中黑色表示孔隙，白色表示尾砂絮團(tuán)。

2.2 圖像三維重構(gòu)原理及其結(jié)果

應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，重構(gòu)體的生成和顯示實(shí)質(zhì)上就是三維體數(shù)據(jù)的可視化。首先輸入幅圖像構(gòu)造三維數(shù)據(jù)集，得到1個(gè)××的矩陣(其中和分別為圖像的長和寬)，借助相關(guān)函數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)集在顯示平面的累計(jì)投影；然后對(duì)碎片信息進(jìn)行構(gòu)造，對(duì)圖像顏色、光線等進(jìn)行定義[15]，圖像三維重構(gòu)過程見圖4。該重構(gòu)體實(shí)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(jié)構(gòu)細(xì)觀特征及其演化

3.1 孔隙提取及細(xì)觀特征分布規(guī)律

為分析床層高度對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響，選取高度為8.0 cm，長和寬均為1.5 cm的樣品，根據(jù)重構(gòu)結(jié)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(xì)觀特征，如圖5所示。分析孔隙率與分形盒維數(shù)之間的關(guān)系，得出孔隙率在高度方向的分布規(guī)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(xì)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(kuò)大，從點(diǎn)逐步演化為斑。

床層高度對(duì)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(dú)立或與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不連通的團(tuán)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(wǎng)絡(luò)狀分布，易在剪切作用的引導(dǎo)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(jié)構(gòu)三維截面分形盒維數(shù)。由圖7可知：孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的分形特征；床層底部孔隙盒維數(shù)較小，為1.60~1.70；隨著床層高度上升，分形維數(shù)逐步增加到1.90~1.95，有剪切作用下的孔隙分形維數(shù)略高于無剪切作用下的孔隙分形維數(shù)。分形維數(shù)越大表示孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，越不利于水分的儲(chǔ)存，但有利于水分的流通?？紫斗中螀?shù)計(jì)算結(jié)果與孔隙率重構(gòu)結(jié)果呈相同規(guī)律[17]。

1—無剪切作用；2—有剪切作用。

3.2 剪切作用對(duì)孔隙分布規(guī)律的影響

3.2.1 孔隙率對(duì)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(duì)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(shù)量和直徑對(duì)比

圖9和圖10所示為不同剪切條件下孔隙數(shù)量和平均直徑對(duì)比。由圖9和圖10可知：無剪切試樣的孔隙平均數(shù)量為8 036個(gè)，有剪切試樣的孔隙平均數(shù)量為 7 968個(gè)，二者孔隙數(shù)量相差不大，說明剪切作用對(duì)孔隙數(shù)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(shí)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(xì)觀特征

3.3.1 識(shí)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(gè)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(nèi)離球心最遠(yuǎn)的1個(gè)孔隙體素；LEFT為距離球心最遠(yuǎn)的1個(gè)孔隙體素與球心的距離。

(a) 孔隙數(shù)量；(b) 孔隙直徑

(a) 孔隙數(shù)量，無剪切作用；(b) 孔隙數(shù)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(jìn)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(gè)最大球可以追溯到2個(gè)不同的源頭，該最大球定義為喉道?？紫?喉道鏈?zhǔn)疽鈭D見圖11，其中，p為孔隙直徑，t為喉道直徑。

圖11 孔隙-喉道鏈?zhǔn)疽鈭D

3.3.2 細(xì)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(jié)構(gòu)的導(dǎo)水能力與連接強(qiáng)度。

孔喉比的臨界值為1；孔喉比越大，說明孔隙的連接強(qiáng)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(qiáng)度越大，孔隙結(jié)構(gòu)不易破壞且利于絮團(tuán)中水分的運(yùn)移。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)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(qū)分，此類孔隙結(jié)構(gòu)屬于大孔隙、粗喉道，能夠有效地運(yùn)移孔隙間的水分，孔喉比接近于1，導(dǎo)水通道大多都是有效的。

2) 啞鈴狀。當(dāng)尾砂絮團(tuán)受壓時(shí)，喉道變窄，此類孔隙結(jié)構(gòu)屬于大孔隙、細(xì)喉道的類型，水分通過喉道時(shí)易受阻，孔喉比很大，此類喉道有的導(dǎo)水通道是無效的。

3) 薄片狀。當(dāng)絮團(tuán)進(jìn)一步壓實(shí)，孔隙變得較小，一般是四面體或曲折的體形，此類孔隙的結(jié)構(gòu)很小、喉道極細(xì)，其孔喉比可以由中等到較大，導(dǎo)水通道中的水分很難通過。

4) 樹根狀。絮團(tuán)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(dǎo)水通道像眾多微毛細(xì)管交錯(cuò)分布在尾砂床層中，孔喉比均為1，通道運(yùn)水能力最強(qiáng)。

3.3.3 剪切作用對(duì)導(dǎo)水通道的影響

導(dǎo)水通道由絮團(tuán)內(nèi)的孔隙自下而上連通形成，主要作用是將絮團(tuán)內(nèi)的水分排出從而提升濃密效果。剪切作用對(duì)全尾砂濃密效果有較大的影響，是形成導(dǎo)水通道的主要外部動(dòng)力[20]。導(dǎo)水桿在旋轉(zhuǎn)過程中強(qiáng)行改變絮團(tuán)的運(yùn)行軌跡，將絮團(tuán)內(nèi)部多個(gè)孤立的孔隙連通起來，形成較長的導(dǎo)水通道且數(shù)量有所增加。圖12所示為剪切作用對(duì)導(dǎo)水通道的影響。

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

(a) 無剪切作用下的導(dǎo)水通道；(b) 剪切作用下的導(dǎo)水通道

添加剪切作用時(shí)，尾砂絮團(tuán)會(huì)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(xì)小顆粒落入絮團(tuán)孔隙內(nèi)，孔隙結(jié)構(gòu)得到填充，孔隙數(shù)量減少，底部絮團(tuán)得到壓實(shí)且結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的變形，孔隙率降低，尾砂漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；剪切作用下打開的導(dǎo)水通道將水分運(yùn)移至泥層上部，水分伴隨著溢流水溢出。

3.3.4 導(dǎo)水通道的類型

導(dǎo)水通道長軸均為垂直方向，即細(xì)長型導(dǎo)水通道，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征及導(dǎo)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(shí)由絮團(tuán)之間的孔隙自由連接組成，剪切作用下也可由多條導(dǎo)水通道重新排列組合而成，并且與周圍的次導(dǎo)水通道相連；在靜水壓力作用下，孔隙間水產(chǎn)生富集，通過次導(dǎo)水通道匯流至主導(dǎo)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(dǎo)水通道相連，該通道在絮團(tuán)中的數(shù)量大于主導(dǎo)水通道的數(shù)量，其主要作用是將水分運(yùn)移至主導(dǎo)水通道，繼而向上繼續(xù)運(yùn)移，最終排出泥層。

3) 全封閉通道。該通道單獨(dú)存在于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)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(xì)顆粒之間，與周圍的導(dǎo)水通道不相連，不能有效導(dǎo)出，只能在剪切作用下強(qiáng)行和周圍的導(dǎo)水通道連通，然后通過主導(dǎo)水通道將水排出。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)添加轉(zhuǎn)速為2 r/min剪切作用時(shí)，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.5%，無剪切作用下的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tuán)原有的松散排列打破并對(duì)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)重新排列，孔隙間的水分沿著新構(gòu)建的導(dǎo)水通道排出，床層底部質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高；喉道類型會(huì)影響孔隙間水分的運(yùn)移，剪切作用可以重塑絮團(tuán)排列，對(duì)構(gòu)建導(dǎo)水通道從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化排水有重要意義。

2) 床層高度對(duì)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(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的分形特征，隨著床層高度的增加，分形盒維數(shù)從1.60~1.70逐步增加到1.90~1.95，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，有利于水分的運(yùn)移；分形參數(shù)與孔隙率呈相同的變化規(guī)律。

3) 當(dāng)添加轉(zhuǎn)速為2 r/min的剪切作用時(shí)，壓縮絮團(tuán)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(tuán)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(duì)孔隙數(shù)量的影響不大。

[1] 古德生, 周科平. 現(xiàn)代金屬礦業(yè)的發(fā)展主題[J]. 金屬礦山, 2012(7): 1?8. GU Desheng, ZHOU Keping. Development theme of the modern metal mining[J]. Metal Mine, 2012(7): 1?8.

[2] 楊柳華, 王洪江, 吳愛祥, 等.全尾砂膏體攪拌技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬礦山, 2016(7): 34?41. YANG Liuhua, WANG Hongjiang, WU Aixiang, et al. Status and development tendency of the full-tailings paste mixing technology [J]. Metal Mine, 2016(7): 34?41.

[3] 卞繼偉, 王新民, 肖崇春. 全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 48(12): 3278?3283. BIAN Jiwei, WANG Xinmin, XIAO Chongchun. Experimental study on dynamic flocculating sedimentation of unclassified tailings[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017, 48(12): 3278?3283.

[4] BOTHA L, DAVEY S, NGUYEN B, et al. Flocculation of oil sands tailings by hyperbranched functionalized polyethylenes (HBPE)[J]. Minerals Engineering, 2017, 108: 71?82.

[5] 陳秋松, 張欽禮, 王新民, 等. 磁化水改善全尾砂絮凝沉降效果的試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 46(11): 4256?4261. CHEN Qiusong, ZHANG Qinli, WANG Xinmin, et al. Experimental study on the effect of magnetized water on flocculating sedimentation of unclassified tailings[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(11): 4256?4261.

[6] LU Qiuyi, YAN Bin, XIE Lie, et al. A two-step flocculation process on oil sands tailings treatment using oppositely charged polymer flocculants[J]. Science of the Total Environment, 2016, 565: 369?375.

[7] 侯運(yùn)炳, 劉暢, 丁鵬初, 等. 尾砂固結(jié)排放的重金屬固化效應(yīng)研究[J].工程科學(xué)與技術(shù), 2018, 50(5): 231?238. HOU Yunbing, LIU Chang, DING Pengchu, et al. Study on solidification effect of heavy metal by tailings cementation and discharging technology [J]. Advanced Engineering Sciences, 2018, 50(5): 231?238.

[8] ESWARAIAH C, BISWAL S K, MISHRA B K. Settling characteristics of ultrafine iron ore slimes[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2012, 19(2): 95? 99.

[9] NOSRATI A, QUAST K, XU D, et al. Agglomeration and column leaching behaviour of nickel laterite ores: Effect of ore mineralogy and particle size distribution[J]. Hydrometallurgy, 2014, 146(3): 29?39.

[10] IZADI H, BANIASSADI M, HASANABADI A, et al. Application of full set of two point correlation functions from a pair of 2D cut sections for 3D porous media reconstruction[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2017, 149: 789? 800.

[11] 楊保華, 吳愛祥, 繆秀秀. 基于圖像處理的礦石顆粒三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 38(3): 328?334. YANG Baohua, WU Aixiang, MIAO Xiuxiu. 3D micropore structure evolution of ore particles based on image processing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(3): 328?334.

[12] ZHOU N, MATSUMOTO T, HOSOKAWA T, et al. Pore-scale visualization of gas trapping in porous media by X-ray CT scanning[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2010, 21(3): 262?267.

[13] 張欽禮, 王石, 王新民. 絮凝劑單耗對(duì)全尾砂漿渾液面沉速的影響規(guī)律[J].中國有色金屬學(xué)報(bào), 2017, 27(2): 318?324. ZHANG Qinli, WANG Shi, WANG Xinmin. Influence rules of unit consumptions of flocculants on interface sedimentation velocity of unclassified tailings slurry [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(2): 318?324.

[14] PEREZ J M M, PASCAU J. Image processing with image J[M]. Birmingham, UK: Packt Publishing,2013: 100?146.

[15] 羅斯 J C. 數(shù)字圖像處理[M]. 余翔宇, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011: 469?506. RUSS J C. The image processing handbook[M]. YU Xiangyu, trans. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011: 469?506.

[16] 吳愛祥, 劉曉輝, 王洪江, 等. 恒定剪切作用下全尾膏體微觀結(jié)構(gòu)演化特征[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 37(2): 145?149. WU Aixiang, LIU Xiaohui, WANG Hongjiang, et al. Microstructural evolution characteristics of an unclassified tailing paste in constant shearing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2015, 37(2): 145?149.

[17] 楊峰, 寧正福, 王慶, 等. 頁巖納米孔隙分形特征[J]. 天然氣地球科學(xué), 2014, 25(4): 618?623. YANG Feng, NING Zhengfu, WANG Qing, et al. Fractal characteristics of nanopore in shales[J]. Natural Gas Geoscience, 2014, 25(4): 618?623.

[18] 黃豐. 多孔介質(zhì)模型的三維重構(gòu)研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 2007: 61?68. HUANG Feng. Three-dimensional reconstruction and simulation of porous media[D]. Hefei: University of Science and Technology of China. College of Engineering Science, 2007: 61?68.

[19] 楊保華. 堆浸體系中散體孔隙演化機(jī)理與滲流規(guī)律研究[D]. 長沙: 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院. 2010: 19?31. YANG Baohua. The evolution mechanisms of the pore structure of granular ore media and seepage rules in heap leaching system[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2010: 19?31.

[20] 吳愛祥, 王勇, 王洪江. 導(dǎo)水桿數(shù)量和排列對(duì)尾礦濃密的影響機(jī)理[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 45(1): 244?248. WU Aixiang, WANG Yong, WANG Hongjiang. Effect of rake rod number and arrangement on tailings thickening performance [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(1): 244?248.

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(xué)基金資助項(xiàng)目(51704094, 51574013, 51834001); 國家安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)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)