总第535期2021年第1期
Series No. 535January 2021
金 属 矿 山
METAL MINE
面向膏体充填尾砂浓密的絮团结构研究进展综述
李翠平・2陈格仲・2侯贺子・2颜丙恒1'2
(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083)
摘要膏体充填的技术难题之一是如何在尾砂浓密环节制备岀浓度稳定、适宜的底流，从而满足后续工艺
环节的需要，以期为矿山安全高效生产提供技术保障。但实际工程中尾砂浓密的底流浓度常常不稳定，基于国内 外尾砂浓密领域的最新研究进展发现，底流浓度除了受浓密工艺的宏观因素影响外，根本原因取决于浓密脱水过 程中的絮团微细观结构。为此通过综述国内外浓密中尾砂絮凝、尾砂絮团结构改变、絮团水含量变化、床层孔隙通
道发展演化以及压密区脱水等方面的研究进展，系统分析了浓密中外界条件对絮团结构变化的作用机理，絮团结
构形态影响絮团水含量变化的致因，压密区絮团水与床层孔隙通道对底流浓度的影响，得岀絮凝条件决定絮团结 构的初始形态，沉降区流体剪切力、压密区尾砂床层压力以及耙架剪切作用改变絮团结构状态，絮团水含量伴随絮
团结构状态改变而变化、并经床层孔隙通道排岀，提高了浓密机底流浓度。进而基于国内外研究进展深入探讨了
絮团结构改变对尾砂浓密脱水的微细观作用，提岀了尾砂浓密脱水目前存在的问题以及未来发展的趋势。
关键词 膏体充填 尾砂浓密 絮团结构 絮团水 排水通道中图分类号 TD853
文献标志码 A 文章编号1001-1250(2021)-01-014-10
DOI 10.19614/jki.jsks.202101002
Summary of Research Progress on Floc Structure of Tailings Thickening for Paste Backfill
LI Cuiping 1，2 CHEN Gezhong 1，2 HOU Hezi 1，2 YAN Bingheng 1，2
(1. School of Civil and Resource Engineering ，University of S cience & Technology Beijing ，Beijing 100083，China ;2. Key Laboratory of Ministry of E ducation for Efficiency Mining & Safety of M etal Mines ，Beijing 100083, China )
Abstract One of the technical problems of paste backfill is how to prepare a stable and suitable underflow in the pro cess of tailings thickening ，so as to meet the needs of subsequent process links and provide technical support for safe and ef ficient production in mines.However ，in actual engineering ，the underflow concentration of the tailings thickening is often un
stable. Based on the latest research progress in the field of tailings thickening , it is found that the underflow concentration is affected by the macroscopic factors of the thickening process ，and the root cause depends on the microscopic view of the floc
structure during the thick dehydration process. Therefore ，by reviewing domestic and foreign research progress of tailings thickening in tailings flocculation ，tailings floc structure change ，floc water content change ，bed pore channel development
and evolution ，and compaction zone dewatering ，systematic analysis of the mechanism of the external conditions on the change of the floc structure in the dense ，the cause of the change of the floc water content by the structure of the floc ，the influence of the floc water and the pore channels in the compaction zone on the underflow concentration ，it is concluded that the flocculation conditions determine the initial form of the floc structure ，the fluid shear force in the settlement zone ，the
pressure of the tailings bed in the compaction zone and the shearing effect of the rake change the structure of floc ，the water
content of the floc will change with the change of floc structure ，it changes and is discharged through the pore channels of the bed to increase the underflow concentration of the thickener. Furthermore ，based on the research progress at home and abroad ，the microscopic effect of the change of floc structure on the thick dewatering of tailings is deeply discussed ，and the
current problems and future development trends of tailings thickening of dewatering are put forward.
Keywords paste backfill ，thickening of tailings ，floc structure ，floc water ，drainage channel
发展膏体充填技术是践行国家“绿开采”理念 的重要举措，具有环保、安全、高效等优点，是未来矿
收稿日期 2020-05-20
基金项目“十三五”国家重点研发计划重点专项（编号:2018YFC0603705）；国家自然科学基金项目（编号:51774039） 作者简介 李翠平（1974-），女，教授，博士，博士研究生导师。
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李翠平等：面向膏体充填尾砂浓密的絮团结构研究进展综述2021年第1期
山生产发展的主要方向［1'2］o尾砂浓密作为膏体充填技术的首要环节，底流效果的好坏对后续工艺环节产生重要影响，稳定高浓度的底流可为矿山连续充填开采提供有力保障。为此，确保浓密机底流浓度的稳定性是实现膏体充填的关键。
尾砂浓密是将选矿厂排放的低浓度尾砂料浆在浓密机中与絮凝剂溶液混合后形成尾砂絮团，沉降中受尾砂床层压力、耙架剪切力等作用实现固液分离，制备出高浓度底流料浆的复杂动态过程［3］o尾砂浓密工艺涉及流体力学、机械动力学、胶体表面化学、颗粒物质等研究领域，引起国内外学者的广泛关注。
目前学术界从浓密机结构⑷、尾砂床层高度曰、耙架剪切作用〔6］、絮凝剂选型⑺、颗粒絮凝〔8〕等方面开展了相关研究，取得了丰富的研究成果。但在矿山实际生产运营中，依然存在浓密机底流浓度波动大、底流排放连续性差等工程问题，严重影响了后续工艺环节的顺利进行。纵观国内外的研究进展发现，浓密环节底流浓度不稳定现象除了受宏观因素影响外，尾砂絮团结构是决定脱水效果的根本原因。为此，本研究从微细观入手，以尾砂絮团结构为切入点，系统阐述了絮团排水过程中尾砂颗粒絮凝、絮团结构变化、絮团水含量变化、压密区孔隙通道等方面的最新研究进展，深入分析了当前浓密脱水过程中存在的问题以及发展趋势。
1尾砂颗粒絮凝及宏观影响因素
1.1尾砂颗粒絮凝
絮凝是向悬浮液中加入絮凝剂或混凝剂溶液，使悬浮液中颗粒物质与药剂发生物理化学作用在脱稳后进一步形成絮团结构，以提高颗粒介质沉降速率的工业技术，如图1中区域n所示。絮凝主要用于提高废水净化效率、尾矿浓密增稠等领域，在国内外的工业废水处理、食品、医药、造纸、采矿等行业有较为成熟的技术体系，可显著降低固液分离时的经济成本。已有研究表明，絮凝剂与料浆中尾砂颗粒主要发生吸附架桥、网捕卷扫、电荷中和以及压缩双电层等作用⑼，按照作用机理的差异，可将絮凝剂主要分为有机絮凝剂和无机絮凝剂两大类［10-11］。传统无机絮凝剂多为无机盐类，现场应用时存在使用量大
、效果不佳等缺点，已逐步被高分子有机絮凝剂代替。目前，国内矿山企业多采用有机絮凝剂中的阴离子聚丙烯酰胺，其具有经济高效、环保、操作流程简便的优点。
浓密起始阶段低浓度尾砂料浆与絮凝剂溶液在浓密机中心桶中进行物料混合，尾砂颗粒与絮凝剂溶液发生物理化学作用，形成结构松散、强度较低、形态不一的尾砂絮团［10］o初始阶段絮团结构的生成一方面降低了上清液的浊度，有利于工业水资源循环利用；另一方面提高了细尾砂颗粒的沉降速率，解决了细颗粒尾砂难以快速沉降的问题，提高了沉降阶段固液分离效率［7］o絮凝剂与溶液中尾砂颗粒絮凝过程表现为：首先，絮凝剂与水溶液混合；之后，絮凝剂溶液稀释分散与料浆中尾砂颗粒发生凝聚作用；最后发生絮凝作用，形成尾砂絮团⑺12］o絮凝作用发生的前提是料浆中尾砂颗粒表面存在空白电位，絮凝剂链的官能团才能与尾砂颗粒发生吸附架桥作用，打破细颗粒尾砂的悬浮状态进而形成尾砂絮团［9'13］o
1.2絮凝宏观影响因素分析
除了絮凝剂类型外，尾砂颗粒絮凝成团过程受多种外界宏观因素影响，包括絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度、尾砂料浆浓度、溶液pH值、温度、絮凝剂分子量和离子度等因素。
1.2.1絮凝剂单耗
絮凝剂单耗对絮凝效果具有决定性作用。絮凝剂单耗较低时虽可以降低经济成本，但无法使全部尾砂颗粒絮凝成团，部分细尾砂颗粒仍悬浮于上清液中，增大了溢流液的浊度，额外增加了工业循环水再次使用的处理步骤［7］o而较高的絮凝剂单耗不仅增加了经济成本，还会引起尾砂颗粒表面电位过饱和现象从而降低吸附架桥作用的效率［14］，易生成结构稳定的小絮团，产生絮凝效果不佳的问题；同时絮凝剂单耗增加将会提升料浆整体黏度，使絮团沉降阻力加大，絮团沉降速率降低，最后导致压密区尾砂料浆排水阻力升高等问题［15-16］o
1.2.2絮凝剂溶液浓度
絮凝剂溶液浓度较高时，溶液难以快速稀释到与尾砂料浆混合的最佳浓度，易引起部分尾砂颗粒吸附过饱和，无法确保尾砂颗粒有效絮凝，导致絮凝的尾砂絮团较小以及溢流液浊度较高［16］o因此，在现场应用中絮凝剂溶液浓度一般较低，浓度范围多位于千分位到万分位之间。
1.2.3尾砂料浆浓度
尾砂料浆浓度较高，会导致尾砂颗粒难以快速与絮凝剂溶液充分混合，不易达到良好的絮凝效果。尾砂浓度较低，颗粒之间难以形成结构密实的絮团，同时加剧了水资源消耗［17］。因此，选择适宜的絮凝剂用量与尾砂料浆浓度，可促进絮凝剂与尾砂颗粒快速充分接触，提高颗粒絮凝效率。
1.2.4溶液pH值
料浆pH值对絮团形成的影响表现在两个方
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总第535期金属矿山2021年第1期
图1尾砂浓密流程
Fig.1Flow of tailings thickening
i—澄清区；u—中心筒物料混合区；m—自由沉降区；iv—干涉沉降区；v—压密区；vi—耙架剪切区;
。一尾砂颗粒；絮凝剂；的一尾砂絮团；TL隙通道；X—耙架
面［16］：一是通过改变颗粒表面Zeta电位来调节尾砂颗粒之间的相互作用力，压缩颗粒表面双电层结构以便于吸附架桥；二是改变絮凝剂链的状态，促进絮凝剂链吸附至尾砂颗粒表面从而更高效地完成颗粒絮凝［17］o
1.2.5温度
温度对尾砂颗粒絮凝过程的影响主要表现在：适宜溶液温度下可以降低料浆的黏度，提高絮凝剂的溶解
度，便于絮凝剂溶液快速与尾砂料浆混合，更好地完成吸附架桥作用［18］，并且适当提高温度可以加剧料浆中尾砂颗粒的布朗运动，有利于料浆快速絮凝。此外，在适宜温度范围内可有效提高絮凝剂活性，有利于提高颗粒絮凝速率］19如o
1.2.6絮凝剂分子量和离子度
有机高分子絮凝剂的分子量和离子度对颗粒絮凝效率具有重要影响［21-22］o在絮凝剂离子度相同的情况下，低分子量的絮凝剂形成的絮团尺寸较小，结构较为疏松，上清液浊度高。随着絮凝剂分子量增加，尾砂颗粒吸附架桥作用明显增强，形成的絮团尺寸逐步增大，结构较为密实。但过高的分子量难以确保絮凝剂分子链在水解过程中完全打开，无法充分发挥絮凝作用。同理，相同分子量情况下，离子度较低的絮凝剂所提供的电解质有限，不易打破颗粒的稳定状态，降低了尾砂颗粒的絮凝效率。随着絮凝剂离子度增加，水解后得到的电解质增多，有助于稳定悬浮颗粒失稳，实现较好的吸附架桥作用。但是离子度过高则会降低絮凝剂的水解度，进而抑制电解质发挥作用，降低絮凝效率。因此，适量提高絮凝剂分子量和离子度有助于增加尾砂颗粒絮凝效率以及形成结构密实的尾砂絮团。
尾砂颗粒絮凝是浓密机中实行固液分离的第一步，了解其作用机理及影响因素对整个浓密环节具有重要的意义。尾砂颗粒絮凝的宏观影响因素较多，各因素的作用规律往往并非独立存在，多因素之间耦合作用较强。因此，在尾砂絮凝的过程中需要综合考虑各方面的宏观影响因素，进行多因素优化
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李翠平等：面向膏体充填尾砂浓密的絮团结构研究进展综述2021年第1期
设计，实现最理想的颗粒絮凝效果。除此之外，现有
浓密机在中心筒处沿用单点加药、一次絮凝的方式
进行物料混合，存在上清液浊度较高的现象，为工业
生产带来不少困扰。为此，改进物料混合方式，采用
多点加药，多段絮凝的新工艺有望为解决该类工程
问题提供新的技术思路。
2絮团结构变化
浓密机中尾砂颗粒絮凝成团后，在重力作用下
向浓密机底部沉降。沉降过程中絮团受到外力扰动，结构发生相应变化，物理性质也随之改变。国内外
学者根据絮团在浓密机中的受力以及结构变化机制的差异性，将絮团结构变化过程分为沉降区和压密区两个部分。
2.1沉降区絮团结构变化
絮凝沉降过程中影响絮团结构变化的外界因素较多，国内外学者利用不同试验手段对沉降过程中絮团结构变化开展了大量研究工作。由早期的高清
相机拍摄㈤、激光散射［24］等絮团观测方式，逐步发展到探头式原位检测技术，如聚焦光束反射测量技术
(Focused Beam Reflectance Measurement,FBRM)、颗粒录影显微镜技术(Particle Video Microscope, PVM)［25］等观测手段，分析不同条件下絮团尺寸、强度、分形维数等物理性质的变化规律。获得了尾砂絮团尺寸与流体剪切应力紧密相连，并随流体剪切应力增大而降低的一系列实测理论成果［26-27］o其研究表明，絮团早期阶段更容易发生破碎和重组现象，当絮团强度不低于流体剪切应力时，絮团尺寸不再减小，达到平衡阶段，絮团破碎与重组的过程是多次重复的，具有絮凝一破碎一再生(A—B—R)的性质［28］o依据最新研究结果，絮团尺寸的总体发展变化过程可分为初始凝聚阶段、絮凝成团阶段、絮团破碎阶段以及动态平衡阶段［29-30］，如图2所示。破碎和重组后所形成的尾砂絮团性质与之前相比存在较大差异性，主要表现为：破碎后的絮团尺寸整体有所降低，但絮团结构更加致密，絮团
的强度和分形维数比破碎前更高［31-32］o
絮团在沉降区运动过程中，流体剪切、差速沉降
和布朗运动对其结构产生影响［33-34］，其中流体剪切作用是导致沉降区絮团结构变化的根本原因［35］o流体剪切主要发生在两处：一处是中心筒内物料混合时流体强烈剪切作用区；另一处是絮团沉降过程中，由浓密机耙架与导水杆转动所带动的浓密机内液体规则旋转而形成的流体剪切作用区，该处的剪切作用决定了沉降区絮团的最终形态。絮团结构变化以剪切破碎、碰撞重组方式体现，其中，剪切破碎是絮团
Fig.2Division of the variation stages of floc size
in settling area
结构变化的最主要方式［36］o
张雅玫絮团受流体剪切作用后主要有两种破碎形式［37］，如图1区域皿中①、②所示，两种破碎机制以Kolmogorov尺寸作为主要判定标准。当絮团尺寸达到或超过Kolmogorov尺度时，絮团将发生破裂，此时大絮团孔隙率较高，絮团强度较低，在流体剪切作用下，絮团内部结构薄弱区出现破裂，导致大絮团分散为多个小絮团；当絮团尺寸小于Kolmogorov尺度时，絮团发生侵蚀，在较弱的流体剪切作用下，絮
团表面所吸附的不牢固微小絮团脱落，造成絮团体积减小［28,8］，脱落的絮团将重新回到溶液中与其它絮团产生作用［39］o絮团结构破碎过程中，可根据溶液中的金属离子对絮团结构产生的影响，将絮团的破碎分为可逆破碎与不可逆破碎［40］o尾砂絮团破碎后生成的碎片，一方面可为絮团碰撞重组提供更多附着位点［41-42］，另一方面较小的絮团碎片在流动过程中易与大絮团发生碰撞重组过程，如图1区域皿中③所示，进一步改变了絮团结构物理性质［43-44］o
可见，对沉降区絮团结构方面的研究大多是借鉴泥沙、污水处理等相关学科领域的研究成果，而对于尾砂浓密沉降环节国内学者多采用粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV)45］、计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟"6］等技术，分析絮团在沉降过程中的轨迹运移、沉降速度等问题，基于固体通量、C-C法(Coe-Clevenger)、Kynch等理论构建沉降模型，为浓密机设计提供指导，但以往的研究忽略了沉降过程中絮团结构以及密度的变化对底流浓度产生的影响。
2.2压密区絮团结构变化
浓密机上部絮团沉降至底部后，逐渐累积形成具有一定高度的尾砂床层，由于絮团结构的强度较低，在床层压力及耙架剪切力共同作用下，絮团进一步发生破碎，絮团的密度、强度等物理性质出现变化，对底流浓度产生较大影响。
当前对压密区絮团的研究，主要是通过直接取
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总第535期金属矿山2021年第1期
料或冷冻取料的方式开展絮团结构观测试验。借助图像分析技术、显微摄像技术等［47-48］，对不同压力、剪切作用等外界条件影响下的絮团结构、强度、尾砂颗粒间接触状态进行了分析，得出絮团结构在受压、受剪作用下的变化规律。耙架剪切过程中由于絮团形状和尺寸的各向异性，床层中尾砂絮团的结构不断发生破碎、重组等过程，导致絮团整体尺寸逐渐减小，絮团的分形维数逐渐增大，絮团强度与密度逐渐增加［49］o而压滤试验表明，絮团尺寸随压力的增大而逐渐减小，直至床层骨架强度与所施加的压力相当时，絮团尺寸不再发生变化，当再次加压时，絮团尺寸将继续减小，直到再次平衡［50］，如图3所示。因此，随着尾砂床层的不断升高，在床层压力和耙架剪切力的耦合作用下，压密区的絮团结构和物理性质处于动态平衡［51］。通过环境扫描电镜(Environmental Scanning Electron Microscope,ESEM)对压密区絮团结构进一步分析表明，力学作用下压密区尾砂颗粒之间的接触状态同步存在变化［52-53］，使絮团结构向更加密实的状态发展。
压WPa
图3压密区絮团尺寸变化
Fig.3Variation of floc size in compaction area
压密区絮团结构的变化直接影响底流料浆浓度，但目前对压密区尾砂絮团的研究多采用取样分析，此种技术对絮团结构状态具有一定的扰动，难以真实表征压密区絮团结构变化与力学作用之间的关联。
3絮团水含量变化
絮凝沉降对比试验表明，相同条件下，添加絮凝剂后的底流浓度比未添加絮凝剂的底流浓度要低［54-55］，而絮团水含量的变化是引起这一现象的主要原因，研究中通常将絮团水细分为絮团内水和絮团间水［54］，如图1区域V中所示。
3.1沉降区絮团内水含量变化
絮团内水伴随着絮团结构的出现而产生，尾砂颗粒絮凝形成的单个絮团具有较高的孔隙率，孔隙体积均由液相水填充于内，形成絮团内水，显著降低了单个絮团的密度，其含量与絮团结构密切相关，也随絮团结构的变化而改变［55-56］o已有研究表明，絮凝剂单耗对絮团内水含量的变化具有重要影响，过量的絮凝剂可使尾砂絮团内水含量进一步增加，不利于制备高浓度底流［54］。此外，絮团沉降过程中，流体剪切、絮团碰撞等外力作用导致絮团结构在薄弱处发生破裂［57］，使絮团内水得到相应释放，絮团密实度提高，沉降速度加快，有利于提高固液分离效率。同理，不同溶液温度、pH值等宏观条件下絮团内水含量也会出现相应的变化［58-59］，而力学作用下的絮团结构破碎则是导致絮团内水含量减少、絮团密度提高的根本原因。但由于技术水平发展有限，已有的相关研究多基于理论公式推导，进而
推测絮团密度的理论数值，具有一定的借鉴意义，但对于实际絮团密度的物理试验测试成果尚未有相关报道。因此，深入研究尾砂浓密沉降过程中的絮团内水含量变化，分析受外界条件作用下沉降过程中絮团密度的变化规律，可为实现高浓度底流奠定基础。
3.2压密区絮团水含量变化
絮凝形成的絮团结构具有各向异性和不规则性，多以棒状、椭圆状、饼状为主，沉降至浓密机底部的絮团层层堆积，絮团间形成大量的孔隙结构，孔隙内充满液体，构成絮团间水。随着絮团不断堆积压缩，压密区形成具有高孔隙率的“蛋糕”状多孔介质，大量的絮团间水位于其中，促使底流浓度跨度较大，形成高度饱和的非均质多孔介质［60-61］o尾砂床层在重力和耙架剪切作用下，絮团结构破碎，絮团内水和絮团间水均得到释放，浓密机底流浓度得到提高。已有压滤试验表明，低压力作用下的絮团水释放有限［62］，要获得较高的底流浓度必须施以极大的压力和较长的作用时间，但在实际生产中难以实现。床层的剪切屈服应力相比于压缩屈服应力更低，耙架剪切作用对絮团的结构扰动较强烈，有利于絮团水的释放。床层未耙动时，在重力作用下，压密区尾砂床层絮团水含量高并呈现稳定状态，耙架转动时，在耙架剪切和床层压力耦合作用下絮团结构进一步破碎形成更小更致密的絮团［63-64］，絮团水的排放更加彻底。因此，在重力及耙架剪切作用下，压密区絮团水含量随絮团结构变化处于动态变化中。国外学者借助CT扫描技术对稳定后的泥层进行了三维重构分析［65-66］，得出絮团内水含量随絮团结构变化呈正态分布规律。此外，也有学者通过添加化学药剂的方法对絮团水释放进行了相关研究［67］o
但以上研究主要集中在如何释放絮团水，对力学作用下絮团水含量变化问题研究较少，只分析了泥层重力下絮团内水含量变化，未对耙架剪切后絮团内水含量变化进行研究，存在一定的不足之处，且国内鲜有相关研究成
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