焦华喆，王树飞，吴爱祥，王贻明，杨亦轩



膏体浓密床层孔隙结构剪切演化与连通机理

焦华喆1，王树飞1，吴爱祥2，王贻明2，杨亦轩1

(1. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作，454000；2. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京，100083)

开展半工业全尾砂浓密实验，借助计算机断层扫描与三维重构技术分析高质量分数底流床层内部孔隙结构特征；利用最大球算法研究孔隙连通规律，揭示剪切强化导水机理。研究结果表明：当给料体积分数为10%，絮凝剂单耗为30 g/t时，有/无剪切作用下的肃北钒铁矿全尾砂连续浓密底流质量分数分别可达58.5%和55.8%；当添加转速为2 r/min的剪切作用时，床层平均孔隙率从47.62%降低到40.98%；孔隙平均直径由23.11 μm降低至19.01 μm，孔隙数量变化较小；床层内部孔隙数量随床层高度上升而增多，分形盒维数由1.60~1.70增加到1.90~1.95；定义临界孔喉比为1，将导水通道划分为主通道、次通道和全封闭通道，床层内部存在主导水通道周围伴随着若干次导水通道；剪切作用对于重塑尾砂絮团排列方式继而形成导水通道实现强化排水具有重要意义。

膏体充填；剪切作用；三维重构；孔隙率；导水通道

在“绿水青山就是金山银山”的今天，保证矿产企业可持续健康发展的必由之路就是在新形势下建设资源节约型与环境友好型的绿色矿山[1]。随着可持续发展理念的深入，为了充分利用矿产资源，矿产企业普遍提高磨矿细度，但在井下膏体填充时全尾砂细颗粒易与水形成胶体，导致脱水难度增加，因此，超细尾砂脱水成为膏体充填技术发展的瓶颈之一。尾砂浆与絮凝剂产生絮凝作用，形成含有孔隙的絮网或絮团结构，絮团较大的直径和密度有利于絮凝沉降。剪切作用是影响浓密效果的外在条件[2]，可将絮团网状结构破坏、压密，形成导水通道，实现强制性脱水，从而影响底流质量分数。因此，研究絮团孔隙结构在剪切过程中的演化规律对深入了解膏体细观特征、优化浓密脱水具有重要意义。近年来国内外的研究多集中于全尾砂絮凝沉降和固结过程[3−8]，但对有关动态剪切条件下尾砂压密区微观结构演化规律的研究较少，其主要原因是压密区孔隙随机分布且形态复杂，光学仪器放大倍数小等。随着计算机断层扫描(CT)技术在矿业研究领域的应用和发展，人们展开了矿石颗粒微观结构研究[9−12]，但由于CT扫描精度不高，孔隙结构考察参数不统一，因此并没有全面和深入地研究尾砂压密区孔隙结构演化规律。本文作者采用高精度工业CT对有/无剪切作用下的全尾砂压密区样品内部进行微观扫描，对获取的图像预处理并进行三维重构，观察样品内部的微观结构并分析2种条件下的孔隙率、孔隙平均直径、孔隙分维数等变化规律，以期揭示全尾砂压密区内部孔隙结构的演化规律。

1 实验

1.1 全尾砂

实验原材料取自甘肃某钒铁矿选矿厂浮选后的全尾砂，尾砂呈弱碱性，容重小且孔隙率较大。经检测，尾砂相对密度为2.966，容重为1.438 t/m3，孔隙率为51.52%。

该钒铁矿尾砂极细，脱水浓缩制备膏体较困难；颗粒负累积产率为10%，50%和90%时对应的粒径分别为1.56，17.20和94.34 μm；粒径小于74 μm的 颗粒占比(体积分数)达87.4%，粒径小于37 μm的颗粒占比68.36%。图1所示为全尾砂粒度分布。

1.2 絮团动态剪切装置

本实验通过自制小型连续浓密机设备进行动态剪切模拟。该模型柱体直径为10 cm，高度为50 cm，耙架高度为30 cm，设置4根导水杆，耙架转速为2 r/min，中心传动轴可检测转速、扭矩等参数。给料管泵入三通混合管实现动态添加，模拟现场浓密机真实添加方式，保证较好的絮凝效果，同时配有底流排料泵、溢流系统等。

1—体积分数；2—负累积产率。

经过絮凝剂优选及室内沉降实验[13]，得到最优实验参数如下：选择XJTH新疆絮凝剂，絮凝剂单耗为30 g/t，全尾砂质量分数为10%。实验装置示意图如图2所示。

图2 实验装置示意图

1.3 连续浓密实验结果

浓密实验结果表明：有/无剪切作用下的底流质量分数分别为58.5%和55.8%，床层高度分别为20 cm和30 cm，停留时间分别为34 min和87 min。无剪切作用时，絮团内部的水分无法与絮团外部的水分相连通，床层下部水分呈稳定状态且均匀分布，与絮团保持静力平衡。剪切作用下，导水杆旋转产生的作用力打破絮团与水之间的静力平衡，水在静压力的作用下沿着导水通道向上排出，由此可见，添加剪切作用可提高全尾砂浓密效果。

1.4 工业CT扫描

由于全尾砂样品平均粒径极小，需要借助高精度无损扫描仪进行处理。本实验中扫描装置为NANOTOM-160高精度工业显微CT扫描系统，放大倍数为1.5~2 000倍，最大空间分辨率达0.2 μm，可满足检测要求。经调试确定放大倍数为1 000倍，扫描单元分辨率为5 μm，层间距为5 μm即为1个像素，扫描长度约为100 mm，每张图像的分辨率为1 941像素×2 214像素。

1.5 样品制备过程

微观结构扫描实验的关键是制备固液混合体样品。只有当样品能够表达出原始信息时，才能在CT扫描时获得真实的孔隙结构，从而为细观结构的研究提供可能。

本样品制备过程如下：采用有/无剪切连续浓密实验—取样—速冻—冻干—样品。制备完毕的干燥样品直接放入CT机中，样品不宜受到任何的扰动，以免破坏颗粒群结构。

2 样品CT扫描图像三维重构及其原理

2.1 图像预处理

由于受到射线源稳定性、运动误差和电子器件噪声等影响，扫描得到的图像存在噪声点，无法直接进行矢量操作，因此必须对图像进行预处理。

经过对比度改变、噪点清除、颗粒边缘锐化等操作，图片中的干扰信息被排除[14]。原始CT图像预处理过程见图3。图3中黑色表示孔隙，白色表示尾砂絮团。

2.2 图像三维重构原理及其结果

应用MATLAB软件对图像进行三维重构，重构体的生成和显示实质上就是三维体数据的可视化。首先输入幅图像构造三维数据集，得到1个××的矩阵(其中和分别为图像的长和宽)，借助相关函数计算数据集在显示平面的累计投影；然后对碎片信息进行构造，对图像颜色、光线等进行定义[15]，图像三维重构过程见图4。该重构体实际为边长为3 mm的正方体，其中灰色部分代表固体，其余部分代表 孔隙。

3 床层三维孔隙结构细观特征及其演化

3.1 孔隙提取及细观特征分布规律

为分析床层高度对孔隙结构的影响，选取高度为8.0 cm，长和宽均为1.5 cm的样品，根据重构结果，以固定间隔在不同高度处提取0.05 mm厚的样品，观察孔隙细观特征，如图5所示。分析孔隙率与分形盒维数之间的关系，得出孔隙率在高度方向的分布规律，并绘制孔隙率沿高度方向的变化曲线，如图6所示。

3.1.1 不同床层高度下孔隙分布及细观特征

由图5可知：床层底部的孔隙小而密，随着床层高度的增加，孔隙逐步集中扩大，从点逐步演化为斑。

床层高度对孔隙形貌影响较大。床层底部孔隙间的连通性能较差，呈碎片化分布，多为独立或与网状结构不连通的团状孔隙；在床层中上部，孔隙呈扁平状或扁曲面状，孔隙之间连通性较好，呈网络状分布，易在剪切作用的引导下将水分排出[16]。由图6可知：孔隙率随着床层高度的上升而增大，孔隙率由43.4%增加至49.6%，平均孔隙率为47.62%。

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

1—无剪切作用；2—线性拟合。

3.1.2 孔隙的分形特征

图7所示为孔隙结构三维截面分形盒维数。由图7可知：孔隙结构表现出明显的分形特征；床层底部孔隙盒维数较小，为1.60~1.70；随着床层高度上升，分形维数逐步增加到1.90~1.95，有剪切作用下的孔隙分形维数略高于无剪切作用下的孔隙分形维数。分形维数越大表示孔隙结构越复杂，越不利于水分的储存，但有利于水分的流通。孔隙分形参数计算结果与孔隙率重构结果呈相同规律[17]。

1—无剪切作用；2—有剪切作用。

3.2 剪切作用对孔隙分布规律的影响

3.2.1 孔隙率对比

孔隙率是指物体材料中孔隙体积占总体积的百分比。图8所示为有/无剪切作用下试样孔隙率对比。由图8可见：无剪切的试样平均孔隙率为47.62%，有剪切的试样平均孔隙率为40.98%，无剪切作用下试样孔隙率比有剪切作用下试样孔隙率高6.64%，说明剪切作用可以降低试样的孔隙率。

1—无剪切作用；2—有剪切作用。

3.2.2 孔隙数量和直径对比

图9和图10所示为不同剪切条件下孔隙数量和平均直径对比。由图9和图10可知：无剪切试样的孔隙平均数量为8 036个，有剪切试样的孔隙平均数量为 7 968个，二者孔隙数量相差不大，说明剪切作用对孔隙数量变化无明显影响。无剪切试样的平均孔隙直径为23.11 μm，有剪切试样的孔隙平均直径为19.01 μm，有剪切作用下孔隙平均直径相比无剪切作用时减少4.10 μm，下降了17.74%，说明剪切作用极大地降低孔隙的平均直径且在床层中上部的孔隙影响较大。

3.3 剪切作用下孔隙的细观特征

3.3.1 识别喉道的最大球算法

(g−c)2+(g−c)2+(g−c)2,,gg(1)

式中：和g分别为孔隙和固体颗粒；(c,c,c)为球心；gg,g,g)为离球心最近的一个颗粒体素；RIGHT为球心与距离球心最近的固体体素g之间的长度；(,,)为在RIGHT半径范围内离球心最远的1个孔隙体素；LEFT为距离球心最远的1个孔隙体素与球心的距离。

(a) 孔隙数量；(b) 孔隙直径

(a) 孔隙数量，无剪切作用；(b) 孔隙数量，有剪切作用；(c) 孔隙直径，无剪切作用；(d) 孔隙直径，有剪切作用

将孔隙空间中的所有最大球以簇的形式进行排列，簇的源头定义为孔隙，最大球链的主最大球通常由孔隙开始，如果1个最大球可以追溯到2个不同的源头，该最大球定义为喉道。孔隙−喉道链示意图见图11，其中，p为孔隙直径，t为喉道直径。

图11 孔隙-喉道链示意图

3.3.2 细观喉道类型

孔喉比pl是孔隙直径p与喉道直径t的比值，反映了孔隙结构的导水能力与连接强度。

孔喉比的临界值为1；孔喉比越大，说明孔隙的连接强度越弱，喉道特征明显且水分不易通过；孔喉比越小，孔隙的连接强度越大，孔隙结构不易破坏且利于絮团中水分的运移。根据结构特点及运水能力的不同，喉道分为4种类型[19]。

1) 缩颈状。此类喉道是孔隙的缩小部分，孔隙与喉道很难区分，此类孔隙结构属于大孔隙、粗喉道，能够有效地运移孔隙间的水分，孔喉比接近于1，导水通道大多都是有效的。

2) 哑铃状。当尾砂絮团受压时，喉道变窄，此类孔隙结构属于大孔隙、细喉道的类型，水分通过喉道时易受阻，孔喉比很大，此类喉道有的导水通道是无效的。

3) 薄片状。当絮团进一步压实，孔隙变得较小，一般是四面体或曲折的体形，此类孔隙的结构很小、喉道极细，其孔喉比可以由中等到较大，导水通道中的水分很难通过。

4) 树根状。絮团间孔隙可以完全连通，许多微孔隙既是孔隙又是喉道，孔隙与喉道组成的导水通道像众多微毛细管交错分布在尾砂床层中，孔喉比均为1，通道运水能力最强。

3.3.3 剪切作用对导水通道的影响

导水通道由絮团内的孔隙自下而上连通形成，主要作用是将絮团内的水分排出从而提升浓密效果。剪切作用对全尾砂浓密效果有较大的影响，是形成导水通道的主要外部动力[20]。导水杆在旋转过程中强行改变絮团的运行轨迹，将絮团内部多个孤立的孔隙连通起来，形成较长的导水通道且数量有所增加。图12所示为剪切作用对导水通道的影响。

无剪切作用时，尾砂浓密主要依靠自身重力的不断增加来提升，此时的导水通道数量少，长度较短，水分运移能力不强，属于不良导水通道；通道不能保持通畅，分布在絮团间的水分不易排出至泥层上部，这也是无剪切作用时尾砂压密区孔隙率较大的原因。

(a) 无剪切作用下的导水通道；(b) 剪切作用下的导水通道

添加剪切作用时，尾砂絮团会失去松散排列并在剪切作用和泥层压力下重新排列。尾砂浆中的细小颗粒落入絮团孔隙内，孔隙结构得到填充，孔隙数量减少，底部絮团得到压实且结构发生不可恢复的变形，孔隙率降低，尾砂浆质量分数升高；剪切作用下打开的导水通道将水分运移至泥层上部，水分伴随着溢流水溢出。

3.3.4 导水通道的类型

导水通道长轴均为垂直方向，即细长型导水通道，根据结构特征及导水能力划分为以下几类。

1) 主通道。该类通道较长，无剪切作用时由絮团之间的孔隙自由连接组成，剪切作用下也可由多条导水通道重新排列组合而成，并且与周围的次导水通道相连；在静水压力作用下，孔隙间水产生富集，通过次导水通道汇流至主导水通道，水分最后排至泥层上部。

2) 次通道。该类通道一端是盲端，另一端与主导水通道相连，该通道在絮团中的数量大于主导水通道的数量，其主要作用是将水分运移至主导水通道，继而向上继续运移，最终排出泥层。

3) 全封闭通道。该通道单独存在于絮团结构中，被周围的固体颗粒包围。通道里面的水分始终藏匿在微细颗粒之间，与周围的导水通道不相连，不能有效导出，只能在剪切作用下强行和周围的导水通道连通，然后通过主导水通道将水排出。

4 结论

1) 当添加转速为2 r/min剪切作用时，底流质量分数为58.5%，无剪切作用下的底流质量分数为55.8%，剪切作用可以提升全尾砂浓密效果；剪切作用将絮团原有的松散排列打破并对絮团结构重新排列，孔隙间的水分沿着新构建的导水通道排出，床层底部质量分数提高；喉道类型会影响孔隙间水分的运移，剪切作用可以重塑絮团排列，对构建导水通道从而实现强化排水有重要意义。

2) 床层高度对孔隙形貌影响较大，随着床层高度增大，孔隙率由43.4%增加至49.6%，床层上部的孔隙连通性较好，易在剪切条件下将水分排出；孔隙结构表现出明显的分形特征，随着床层高度的增加，分形盒维数从1.60~1.70逐步增加到1.90~1.95，孔隙结构趋于复杂，有利于水分的运移；分形参数与孔隙率呈相同的变化规律。

3) 当添加转速为2 r/min的剪切作用时，压缩絮团的孔隙率从47.62%降低到40.98%，孔隙率降低6.64%，可见剪切作用可以降低絮团的孔隙率；孔隙平均直径由23.11 μm降低到19.01 μm，降低了17.74%，说明剪切作用能够明显缩减孔隙的平均直径，且床层中上部的孔隙变化明显；但剪切作用对孔隙数量的影响不大。

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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

国家自然科学基金资助项目(51704094, 51574013, 51834001); 国家安全生产重大事故防治关键技术项目(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)

王贻明，博士，副教授，从事金属矿山地下充填开采研究；E-mail: ustbwym@126.com

(编辑 伍锦花)