全尾砂重力浓密导水通道分布与细观渗流规律

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.05.731

全尾砂重力浓密导水通道分布与细观渗流规律

焦华喆^,, 靳翔飞, 陈新明^,, 杨亦轩, 王金星

河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000

Flow Channel Distribution and Mesoscopic Seepage Rule of Unclassified-tailings in Gravity Thickening Processing

JIAO Huazhe^,, JIN Xiangfei, CHEN Xinming^,, YANG Yixuan, WANG Jinxing

School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China

通讯作者: 陈新明（1970-），男，河南焦作人，教授级高工，从事采矿工程、矿井建设和岩土工程等方面的研究工作。chenxinming@163.com

收稿日期: 2018-10-10 修回日期: 2019-06-09 网络出版日期: 2019-10-29

基金资助:

国家自然科学基金青年基金项目“全粒级尾砂浆的结构—流变—渗流特性及深度脱水机理”.  51704094
国家自然科学基金面上项目“尾砂絮团结构剪切演化特征及对深锥浓密性能影响机制”.  51574013
河南省高等学校重点科研项目“沉降压缩过程中的金属尾矿絮团自密实行为与机理”.  16A440003
国家安全生产重大事故防治关键技术项目“细粒全尾砂浆深锥浓密一段浓缩制备膏体关键技术研究”.  henan-0005-2016AQ
河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室开放基金项目“基于玄武岩纤维的大变形巷道抗裂耐拉喷射混凝土技术”.  S201606

Received: 2018-10-10 Revised: 2019-06-09 Online: 2019-10-29

作者简介 About authors

焦华喆（1985-），男，河南商丘人，博士，讲师，从事金属矿充填开采、超细颗粒表面化学等方面的研究工作Jiaohuazhe@163.com , E-mail：Jiaohuazhe@163.com

摘要

浓密床层导水通道分布特征及通道内部的细观渗流机制是影响全尾砂重力浓密效果的关键因素。利用连续浓密试验与CT扫描技术相结合的方法研究剪切作用对床层孔隙分布特征的影响，将扫描结果导入COMSOL软件进行床层内部液体逆向渗流规律模拟，揭示剪切作用对排水过程的影响机理。结果表明：在给料浓度为10%，絮凝剂浓度为0.01%时，无/有剪切作用下连续浓密平均浓度分别为50.10%和55.82%；内部孔隙率分别为49.90%和44.18%。无/有剪切作用下导水通道数量分别为6和2，剪切作用使导水通道的数量降低了66.7%；流出通道数分别为6和1，流出通道数量降低了83.3%；通道内液体最大渗流速度分别为9.574×10^-6 m/s和2.592×10^-6 m/s，出口最大流速分别为5.372×10^-6 m/s和1.468×10^-6 m/s；孔隙表面最大压力值随着液体逆向渗流逐渐降低。剪切前导水通道呈开放连通状态，排水后孔隙体积减小，导水通道闭合，床层浓度进一步提高。导水通道数量的降低说明剪切作用实现了床层的强化排水，为膏体材料的制备奠定基础。

关键词： 全尾砂 ; 孔隙分布 ; 膏体充填 ; 逆向渗流 ; COMSOL Multiphysics ; 剪切作用 ; 导水通道

Abstract

With the expanding scale of mining exploration and mining，and the increasingly serious environmental problems associated with mining，abandoned tailings and mined-out areas have become major hazards in mine safety construction.The traditional low concentration tailings surface accumulation treatment will not only cause land pollution，but also be eroded by rainwater，aggravate the cracking of tailings reservoir，and there are hidden dangers of dam break.Paste filling technology is a green tailings disposal technology，which can not only save land resources，but also protect the ecological environment by disposing of abandoned tailings.The research results show that the strength of tailings filling body is positively correlated with slurry concentration in a certain range.Therefore，by increasing the concentration of tailings filling slurry，the amount of cement can be greatly reduced，and the cost of tailings disposal can be reduced.The key links of paste filling technology of unclassified-tailings are concentrated dehydration of fine tailings and paste preparation.Distribution characteristics of diversion channel in dense bed and micro-seepage mechanism in channel are key factors affecting gravity concentration effect of unclassified-tailings.The raw material of the unclassified-tailings comes from vanadium iron ore flotation tailings.The flocculation settling and shearing experiments of the unclassified-tailings were carried out on a self-developed intelligent small continuous densification test platform.The effect of shearing on the pore distribution characteristics of the bed was studied by combining the continuous densification test with CT scanning technology.The rotation of the scraper at the bottom of the thickener breaks the static balance between particles and water，connects the pore and discharges the closed water to form a high concentration underflow. Samples were obtained by in-situ sampling-quick freezing-freeze drying process for CT scanning test.The image results obtained by CT scanning were segmented，denoised and binary processed by ImageJ image processing software.Then the results were imported into COMSOL Multiphysics software to simulate the law of reverse seepage of liquid in the bed.Finally，the influence of shear on drainage process was revealed by analysis. The results show that when the feed concentration is 10% and the flocculant concentration is 0.01%，the average concentration is 50.10% wt and 55.82% wt respectively under the continuous dense condition without/with shearing，and the internal porosity is 49.90% and 44.18% respectively，indicating that shearing can increase the average concentration while reducing the internal porosity.The number of diversion channels under non-shearing and shearing is 6 and 2 respectively.The shearing reduces the number of diversion channels by 66.7%，the number of outflow channels by 6 and 1 respectively，and the number of outflow channels by 83.3%.The maximum seepage velocity of the liquid in the channel is 9.574×10^-6 m/s and 2.592×10^-6 m/s respectively，and the maximum flow velocity at the outlet is 5.372×10^-6 m/s and 1.468×10^-6 m/s respectively.The maximum pressure on the pore surface decreases gradually with the reverse seepage of the liquid.Before shearing，the channel is open and connected.After shearing drainage，the pore volume decreases，the channel closes，and the bed concentration increases further.Adding shear action can increase the concentration of tailings and decrease the porosity of tailings，which has a great impact on the channel.The enhanced drainage mechanism under the shear condition studied in this paper will provide theoretical support for the dense dewatering of tailings mortar and lay a foundation for the preparation of high-concentration tailings mortar.

Keywords： unclassified-tailings ; pore distribution ; paste backfill ; upward seepage ; COMSOL Multiphysics ; shearing ; flow chanel

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本文引用格式

焦华喆, 靳翔飞, 陈新明, 杨亦轩, 王金星. 全尾砂重力浓密导水通道分布与细观渗流规律[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(5): 731-739 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.05.731

JIAO Huazhe, JIN Xiangfei, CHEN Xinming, YANG Yixuan, WANG Jinxing. Flow Channel Distribution and Mesoscopic Seepage Rule of Unclassified-tailings in Gravity Thickening Processing[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(5): 731-739 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.05.731

随着我国经济社会的发展，金属矿产资源的需求量不断增大。金属矿开采形成大量采空区，导致地表沉降；传统的尾矿处理方法会污染地表土壤，存在溃坝的危险^[1,2]。膏体充填技术能够有效节约土地资源，保护生态环境，减少地层塌陷。高浓度全尾砂浆是制备优质膏体的前提，全尾砂膏体充填技术的关键问题就是膏体脱水。膏体重力浓密就是水分逆向渗流排出的过程，通过提高尾砂浆浓度，减少膏体内部水分。因此利用数值分析方法和仿真模拟方法研究浓密床层细观孔隙结构中水分渗流规律对提高尾砂浆浓度具有重要意义^[3,4,5]。

近年来许多学者就尾砂微观孔隙渗流做了大量研究^[6,7]。尹升华等^[8]通过数值模拟研究了不同结构的矿岩体内部渗流规律；张钦礼等^[9]运用BP神经网络和遗传学算法建立全尾砂絮凝沉降参数预测模型，得到了最佳的絮凝剂用量和浆体浓度组合。王贻明等^[10]利用有限差分法对颗粒沉积数学模型进行计算，发现渗滤沉积能够增大溶液的渗透阻力；Bürgera等^[11]通过沉降装置对尾砂絮凝沉降性能进行研究，建立了连续沉降和浓缩数学模型；尹光志等^[12]研究了不同粒径尾砂颗粒在堆坝过程中的渗流规律。上述学者在尾砂沉降微观分析、絮凝剂添加量和浆料浓度等方面做了大量研究，但是均未涉及絮凝沉降尾砂膏体中液体的渗流规律。

本文通过全尾砂絮凝沉降和剪切试验，得出无剪切和有剪切作用下全尾砂浓度和孔隙率特征。利用Image J软件对尾砂CT图像进行二值化处理，对其内部的微观孔隙结构进行分析，识别无剪切和有剪切作用下尾砂内部孔隙和导水通道分布情况。利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对尾砂CT图像内部孔隙中的液体渗流进行模拟，得到无剪切和有剪切作用下尾砂内部孔隙中液体的流速图和压力图，从而对尾砂内部孔隙微观渗流情况有了直观了解。

1 试验部分

1.1 试验原料

全尾砂原料取自甘肃北部七角井钒铁矿浮选尾砂，尾砂密度为2.966 t/m³，松散容重为1.438 t/m³，密实容重为1.617 t/m³；尾砂的中位粒度D50为17.20 μm，D10为1.56 μm，D90为94.34 μm；-200目颗粒（74 μm）含量达到87.4%，-400目（37 μm）颗粒含量为68.36%。

经过絮凝剂优选试验^[13]及室内沉降试验^[14]得出最佳试验参数，选择XJTH新疆絮凝剂，絮凝剂浓度为0.01%，单耗为30 g/t，配制全尾砂浓度为10%。

1.2 动态剪切试验装置及样品制备

利用自行研发的智能小型连续浓密试验平台进行全尾砂絮凝沉降和剪切试验，以及无剪切和有剪切作用下的连续浓密试验。当尾矿颗粒沉降至浓密机底部时，尾砂颗粒呈层状沉积，上下层孔隙不连通，使一部分水封闭在沉积层内。浓密机底部的刮泥耙自转形成湍流将沉积层颗粒卷起，打破颗粒与水之间的静力平衡，使上下层孔隙连通，将封闭的水排出，形成高浓度的底流。因此，浓密剪切试验对于提高尾砂浓度具有重大意义^[15]。

在试验过程中记录目标底流浓度、停留时间和床层高度等数据，并采用原位取样—速冻—冻干等制备流程^[16]获取样品进行CT扫描试验，试验平台和样品制备流程分别见图1和图2。

图1

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图1 小型浓密机试验平台

Fig.1 Small thickener test platform

图2

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图2 样品制备流程

Fig.2 Sample preparation process

1.3 CT扫描试验

本试验扫描装置为NANOTOM-160高精度工业显微CT扫描系统，放大倍数为1.5~2 000，最大空间分辨率为0.2 μm；与一般的医用CT扫描仪器相比，其扫描精度更高；经过反复试验调试，确定放大倍数为1 000倍，空间分辨率为5 μm，扫描长度为100 mm，最终得到的图像像素为1 941像元×2 214像元。

1.4 图像二值化处理

由于原始CT图像存在噪声点，故利用Image J软件进行预处理排除干扰信息^[17]。通过对图像滤波和清除噪点后再经过增强处理、二值化处理，有利于图片中真实信息的表达和图像的准确分割^[18]。最后得到的二值化图像中，黑色表示孔隙，白色表示尾砂絮团。图像预处理过程及二值化图像如图3所示。

图3

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图3 原始CT图像预处理过程及二值化图像

（a）原始CT图像；（b）图像截取；（c）无剪切状态下尾砂二值化图像；（d）剪切状态下尾砂二值化图像

Fig.3 Original CT image preprocessing and binary images

2 浓密试验结果

2.1 物理试验结果

全尾砂絮凝沉降试验中，给料浓度为10%，尾砂床层高度为30 cm，停留时间为34 min。无剪切作用下床层尾砂平均浓度为50.10%，底流浓度为58%，顶层浓度为37%。当添加2 r/min搅拌速度时，床层尾砂平均浓度为55.82%，底流浓度为62%，顶层浓度为38%。有剪切作用下尾砂平均浓度较无剪切作用提高了11.44%，尾砂结构更加密实。床层尾砂浓度分布如图4所示。

图4

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图4 床层尾砂浓度分布

Fig.4 Concentration distribution of tailings bed

由物理试验结果可知，无剪切作用下尾砂压缩床层的平均孔隙率为49.90%，有剪切作用下尾砂压缩床层的平均孔隙率为44.18%。相比而言，有剪切作用比无剪切作用下的孔隙率降低12.95%。

2.2 孔隙扫描结果

由CT扫描结果可知，无剪切作用下尾砂压缩床层的平均孔隙率为47.12%，有剪切作用下尾砂压缩床层的平均孔隙率为41.31%。相比而言，有剪切作用比无剪切作用下的孔隙率降低14.06%。

无/有剪切状态下，物理试验与CT扫描计算的孔隙率分别相差2.78%和2.87%，误差在允许范围内。

3 COMSOL逆向渗流模拟

3.1 理论基础

COMSOL内置流体力学接口可对尾砂进行渗流模拟分析^[19]。达西定律反映了水在孔隙中的渗流规律，可以描述渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系^[20]。Darcy方程以流体压力驱动为主，适合低渗透多孔介质，其方程式为

q = k A \frac{∆ h}{l} = k A i

（1）

式中：q为单位时间渗流量（cm³/s或m³/d）；A为垂直于水流方向的截面积（cm²或m²）；△h为总水头损失（cm或m）；l为渗流路径长度（cm或m）；k为渗透系数。

由式（1）可知，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。

3.2 模型建立

选择COMSOL中稳态层流物理场，并将CT扫描结果导入软件中进行建模^[21]。利用CAD对图像进行修复，再导入COMSOL的几何模块中，从而实现几何模型的建立。成功建立的有限元模型，采用自由剖分三角形网格对内部孔隙进行区域划分^[22,23]。几何模型的网格划分如图5所示，模型尺寸为48 μm×72 μm。

图5

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图5 三角形模型网格划分

Fig.5 Triangular mesh generation

3.3 边界条件和参数设定

在COMSOL软件内对模型加载，如图6所示，其中F₀为床层上部静水压力，F_i为浓缩沉降柱静水压力， $∆$ F为床层区域侧向静水压力。通过分析外界压力分布情况，对尾砂内部受力情况进行分析。

图6

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图6 尾砂外部压力分布

Fig.6 External pressure distribution of tailings

全尾砂絮凝沉降柱压强模型如图7所示。沉降柱上部为液体，下部为沉降尾砂絮团，计算过程如下：

图7

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图7 沉降柱压强示意图

Fig.7 Schematic diagram of settlement column pressure

床层上部液体压强p₀：

p_{0} = ρ_{w} g (h_{2} - h_{1})

(2)

床层底部尾砂压强p_i：

p_{i} = p_{0} + (ρ_{w} g φ_{w} + ρ_{t} g φ_{t}) h_{1}

(3)

式中：ρ_w=1 000 kg/m³，为上部静水密度；ρ_t=2 966 kg/m³，为全尾砂比重；g=9.8 N/kg，为重力加速度；h₂=1 m，为沉降柱高度；h₁=0.3 m，为尾砂床层高度。

针对膏体中液体的渗流特性，设置底部边界为液体流入边界^[24]。通过对沉降柱中液体和尾砂压强的计算，得到模型中液体的入口压力P_n（无剪切）和P_y（有剪切），如表1所示。

表1 边界条件输入

Table 1 Boundary condition input

描述	参数符号	单位	数值
Fluid density	rho0	kg/m³	1 000
Dynamic viscosity	eta0	kg/（m·s）	0.001
Pressure drop1	P_n	Pa	0.617
Pressure drop2	P_y	Pa	0.503
Temperature	T	K	293.15

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3.4 导水通道逆向渗流模拟结果

（1）导水通道分布。剪切前后床层逆向渗流模拟结果如图8所示。无剪切作用下液体流入通道数为6，流出通道数为6；有剪切作用下液体流入通道数为2，流出通道数为1。剪切作用的加入使得入口数量降低了66.7%，出口数量降低了83.3%。剪切后尾砂膏体内部主导水通道减少。

图8

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图8 无剪切（a）和有剪切（b）状态下孔隙表面流速图

Fig.8 Velocity profile of pore surface without shear （a） and with shear （b） state

无剪切作用下尾砂内部孔隙含量较多，且孔隙之间相互连通，形成较多的导水通道，孔隙中液体渗流效果较好。剪切作用使得尾砂内部孔隙量减少，打断了原有孔隙之间的连接，形成较多的孔隙断层。剪切作用的加入，使得原来无法导出的水分排了出来，固体颗粒占据了原来导水通道的位置，所以造成尾砂内部孔隙结构减小，导水通道闭合，渗流效果随之下降。

（2）导水通道内部最大流速。尾砂内部孔隙渗流速度如图8所示。从图中可以看出，未经剪切处理的尾砂孔隙中液体含量多，导水通道较多且水分未排出，液体在孔隙中流动时受到的粘滞阻力较小，渗流速度较快。孔隙中表面最大流速为9.574×10^-6 m/s，出口最大流速为5.372×10^-6 m/s。液体在流经狭窄孔隙时流速增大，流经较大孔隙时流速减缓。图像中的面箭头能够清楚地反映出液体流向。

剪切作用下尾砂内部孔隙含量较少且孔隙间连通性较差，液体从底部向上渗流时受到较大的粘滞阻力，能量损失较大，流速相对较缓慢；孔隙中表面最大流速只有2.592×10^-6 m/s，为无剪切状态下流速的27.1%；出口最大流速为1.468×10^-6 m/s，为无剪切状态下流速的27.3%。

尾砂中孔隙的形状和大小是不规则的，水在孔隙中的渗流现象很复杂。剪切作用下的尾砂内部水分被排出，孔隙分布变少，渗流通道关闭，水在尾砂中流动时的粘滞阻力较大，流速缓慢。无剪切作用下尾砂内部孔隙较多，导水通道和液体含量较多，液体渗流效果较好。

（3）孔隙压力分布。孔隙压力分布如图9所示，无剪切和有剪切状态下孔隙压力最大值均分布在入口处。无剪切状态下孔隙内部压力值最大为615.76×10^-3 Pa；有剪切状态下孔隙内部压力值最大为484.54×10^-3 Pa。导水通道内部液体压力随流动距离的增大而减小。

图9

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图9 无剪切（a）和有剪切（b）状态下孔隙内部压力等值线图

Fig.9 Pore pressure diagram without shear （a） and with shear （b） state

液体在孔隙中流动需要克服沿程阻力，压力也随之递减。未经剪切状态下的尾砂浓度含量较低，含水量较大，所以孔隙压力较大；剪切状态下尾砂内部孔隙较曲折且液体渗流通道较少，水分已被有效排出，孔隙压力较小。

（4）床层压力分布。根据压力等值线图（图10），可以从整体上观察到床层中液体流动时压力的递减情况。

图10

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图10 无剪切（a）和有剪切（b）状态下压力等值线图

Fig.10 Contour map of pressure without shear （a） and with shear （b） state

无剪切作用下尾砂内部压力值从入口处的607.4×10^-3 Pa，逐渐递减到中部的349.79×10^-3 Pa，再到出口处的-4.42×10^-3 Pa；有剪切作用下尾砂内部压力值从入口处的488.83×10^-3 Pa，逐渐递减到中部的281.34×10^-3 Pa，再到出口处的-3.95×10^-3 Pa。

尾砂床层中的压力值随液体流动向上渗流而减小。液体向上渗流时会引起水头的损失，能量的损失是由于液体在通道中流动时在颗粒周围产生水力曳力而消耗能量。

4 结论

（1）通过全尾砂絮凝沉降和剪切试验发现，无剪切和有剪切作用下床层尾砂平均浓度分别为50.10%和55.82%；尾砂平均孔隙率分别为49.90%和44.18%。床层底流浓度分别为58%和62%；顶层浓度分别为37%和38%。随着剪切错位的进行，尾砂絮凝沉降时结成团状或絮网状的结构，使得孔隙结构减少和原有孔隙断开。剪切作用有助于全尾砂浓密底流浓度的提高。

（2）导水通道分析表明，无剪切和有剪切作用下尾砂模型中液体流入通道数分别为6和2，流出通道数分别为6和1。剪切作用下尾砂内部孔隙之间断层较多，导水通道减少。导水通道数量的降低说明剪切作用提高了排水过程进行的深度，将原本无法排出的水分挤出，为膏体材料制备奠定了基础。

（3）通过对尾砂膏体的渗流模拟分析，无剪切和有剪切作用下导水通道内部最大流速分别为9.574×10^-6 m/s和2.592×10^-6 m/s，出口最大流速分别为5.372×10^-6 m/s和1.468×10^-6 m/s。渗流强化排水后孔隙体积减小且导水通道闭合，渗流速度随之减小。

（4）无剪切和有剪切作用下尾砂孔隙内部最大压力值分别为615.76×10^-3 Pa和484.54×10^-3 Pa。导水通道内部液体的最大压力随着剪切作用减小，床层压力值随液体逆向渗流而降低。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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杨超，郭利杰，王劼，等.

某金矿大倍线加压充填技术研究与应用

[J]. 黄金科学技术，2019，27（1）：89-96.