超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂

工程科学学报，第39卷，第9期：1313-1320,2017年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.9:1313-1320,September 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.003;htp:/journals.usth.edu.cn 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 王志凯)，杨鹏2)，吕文生)区，汤寒松》，宋世文)，王志军) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京联合大学北京市信息服务工程重点试验室，北京100101 3)纽约城市大学土木工程系，纽约10031 ☒通信作者，E-mail:sunluw@sina.com 摘要为了提高砂仓中尾砂浓密效率，实现高浓度的放砂，引入声场作为研究手段，创新性的利用声场辐射方式传播的特 性，将声场非接触性地作用于尾砂浆介质中.通过设计试验，配制质量分数为40%的尾砂砂浆，在尾砂浆分别沉降15,20,25， 30,35和40mi后，施加频率20kHz,功率50W的超声波，探究不同沉降时间后施加超声波作用对最终沉降时间和浓度的影 响，同时将超声波作用在砂仓放砂阶段，并对超声波作用后不同浓度的砂浆进行流变参数测定.试验结果表明：在沉降20m 后施加超声波，砂浆沉降浓密时间最短为80mi,尾砂浆最终质量分数可达77.5%，与此同时超声波作用下可以实现砂仓稳 定高浓度的放砂，放出砂浆质量分数为74.04%.对比超声波处理前后砂浆黏度与屈服应力可知，超声波可有效降低砂浆黏 度22.3%，具有良好的降黏效果.超声波的振动作用，空化作用以及声流效应是使得砂浆快速浓密沉降以及放出的原因. 关键词超声波；立式砂仓：浓密沉降：放砂；充填采矿 分类号TD853 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic WANG Zhi-kai),YANG Peng),L0 Wen-sheng,TANG Han-song,SONG Shi-wen,WANG Zhi-jun) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering,Beijing Union University,Beijing 100101,China 3)Department of Civil Engineering.City College of New York,New York 10031,USA Corresponding author,E-mail:sunluw@sina.com ABSTRACT To improve the thickening efficiency of tailings in sand bins and achieve a high-concentration sand discharge,the sound field as a research method was introduced,and the characteristics of sound-field radiation to transmit the non-contact sound field was innovatively used to tailings slurry.Tailings slurry with 40%in mass fraction was prepared for the experiment.After 15,20,25, 30,35,and 40 min of sedimentation,an ultrasonic wave of 20kHz and 50 W of power were applied to investigate the effect of ultrason- ic waves on the final settling time and concentration with different settling times.Ultrasonic wave was also applied to the sand discharge stage,and the rheological parameters of the tailings slurry at different concentrations were measured.The results show that when an ultrasonic wave is applied after 20 min of sedimentation,the shortest slurry sedimentation time of 80 min can be obtained and the final sediment mass fraction of the tailings slurry can reach 77.5%.Therefore,under ultrasonic action,it is possible to achieve stable sand discharge with a high-concentration tailings slurry at the same time,and the discharge mass fraction up to 74.04%. Comparisons of the viscosity and yield stress of the tailings slurry before and after ultrasonic treatment indicate that the viscosity of the slurry can be effectively reduced by 22.3%by ultrasonic action,which is a good viscosity reduction effect.Ultrasonic vibration, cavitation,and the acoustic streaming effect are the reasons for the rapidly thickening sedimentation and discharge of the tailings slurry. KEY WORDS ultrasonic wave;vertical silo;thickening sedimentation;slurry discharge;backfill mining 收稿日期：2016-11-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51641401)

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期:1313鄄鄄1320,2017 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 9: 1313鄄鄄1320, September 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 09. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 王志凯1) , 杨 鹏1,2) , 吕文生1)苣 , 汤寒松3) , 宋世文1) , 王志军1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 北京联合大学北京市信息服务工程重点试验室, 北京 100101 3) 纽约城市大学土木工程系, 纽约 10031 苣 通信作者, E鄄mail: sunluw@ sina. com 摘 要 为了提高砂仓中尾砂浓密效率,实现高浓度的放砂,引入声场作为研究手段,创新性的利用声场辐射方式传播的特 性,将声场非接触性地作用于尾砂浆介质中. 通过设计试验,配制质量分数为 40% 的尾砂砂浆,在尾砂浆分别沉降 15,20,25, 30,35 和 40 min 后,施加频率 20 kHz,功率 50 W 的超声波,探究不同沉降时间后施加超声波作用对最终沉降时间和浓度的影 响,同时将超声波作用在砂仓放砂阶段,并对超声波作用后不同浓度的砂浆进行流变参数测定. 试验结果表明:在沉降 20 min 后施加超声波,砂浆沉降浓密时间最短为 80 min,尾砂浆最终质量分数可达 77郾 5% ,与此同时超声波作用下可以实现砂仓稳 定高浓度的放砂,放出砂浆质量分数为 74郾 04% . 对比超声波处理前后砂浆黏度与屈服应力可知,超声波可有效降低砂浆黏 度 22郾 3% ,具有良好的降黏效果. 超声波的振动作用,空化作用以及声流效应是使得砂浆快速浓密沉降以及放出的原因. 关键词 超声波; 立式砂仓; 浓密沉降; 放砂; 充填采矿 分类号 TD853 收稿日期: 2016鄄鄄11鄄鄄07 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51641401) Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic WANG Zhi鄄kai 1) , YANG Peng 1,2) , L譈 Wen鄄sheng 1)苣 , TANG Han鄄song 3) , SONG Shi鄄wen 1) , WANG Zhi鄄jun 1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering, Beijing Union University, Beijing 100101, China 3) Department of Civil Engineering, City College of New York, New York 10031, USA 苣 Corresponding author, E鄄mail: sunluw@ sina. com ABSTRACT To improve the thickening efficiency of tailings in sand bins and achieve a high鄄concentration sand discharge, the sound field as a research method was introduced, and the characteristics of sound鄄field radiation to transmit the non鄄contact sound field was innovatively used to tailings slurry. Tailings slurry with 40% in mass fraction was prepared for the experiment. After 15, 20, 25, 30, 35, and 40 min of sedimentation, an ultrasonic wave of 20 kHz and 50 W of power were applied to investigate the effect of ultrason鄄 ic waves on the final settling time and concentration with different settling times. Ultrasonic wave was also applied to the sand discharge stage, and the rheological parameters of the tailings slurry at different concentrations were measured. The results show that when an ultrasonic wave is applied after 20 min of sedimentation, the shortest slurry sedimentation time of 80 min can be obtained and the final sediment mass fraction of the tailings slurry can reach 77郾 5% . Therefore, under ultrasonic action, it is possible to achieve stable sand discharge with a high鄄concentration tailings slurry at the same time, and the discharge mass fraction up to 74郾 04% . Comparisons of the viscosity and yield stress of the tailings slurry before and after ultrasonic treatment indicate that the viscosity of the slurry can be effectively reduced by 22郾 3% by ultrasonic action, which is a good viscosity reduction effect. Ultrasonic vibration, cavitation, and the acoustic streaming effect are the reasons for the rapidly thickening sedimentation and discharge of the tailings slurry. KEY WORDS ultrasonic wave; vertical silo; thickening sedimentation; slurry discharge; backfill mining

·1314. 工程科学学报，第39卷，第9期 矿业是国民经济的重要支柱产业之一，为经济 地重组成更紧凑的结构.杨金美等]通过研究指出 建设提供了能源和原材料.随着国家大力倡导绿 超声波与絮凝剂的联用可以降低污泥滤饼含水率，且 色矿山建设和矿业的可持续发展的需求下，要求矿 达到相同滤饼含水率时可减少约80%的絮凝剂使 山尽可能多的回收矿产资源，减少由于采矿引起的 用量. 二次污染及地质灾害，充填采矿技术已经成为未来 鉴于此，创新性的利用超声波一系列性质可以使 发展的趋势[2-].以立式砂仓为代表的尾砂沉降浓 尾砂能够在砂仓中快速浓密，并且实现超声波驱动下 缩设备是现代充填的主要构筑物.在高浓度的充填 砂仓放砂，对于提高立式砂仓充填质量和效率以及降 中，保证进人搅拌环节的砂浆浓度是提高充填质量 低充填成本具有重要意义和工程价值 的重中之重.由于现今矿山生产规模的扩大，充填 1试验材料及装置 量大幅增加，大多需要采用连续充填作业的方式，而 对于连续充填作业，则要求形成快速的固液分离，确 1.1试验材料 保尾砂进入砂仓后，固体尾砂快速沉入仓底，澄清水 本次试验所用尾砂的基本参数有密度、容重、孔隙 从仓顶周边快速溢出.目前加快尾砂沉降浓密的方 率等，测试所得的结果如表1所示 法主要是提供足够的沉降面积和采用絮凝技术以及 表1充填尾砂基本参数 较长的养砂时间5).在沉砂工艺中加入絮凝剂的 Table 1 Basic parameters of tailings 目的主要是提高沉砂速度及沉砂的均匀性，减少分 容重/(g°cm3) 孔隙率/% 密度/(g°cm3) 层离析现象[)，但絮凝剂具有一定的黏性，使细颗粒 1.635 37.60 2.62 尾砂易于附着在砂仓壁上，形成厚层，同时砂仓没有 清泥机构，所以砂仓运行一段时间后，需要定期停车 尾砂的粒级组成是矿山充填工艺选择的重要参考 处理，不利于矿山的连续充填.加入絮凝剂虽然可以 指标，影响着尾矿浓密的脱水效果.因此，选用LMS 在一定程度上加快尾砂浆的沉降速度，但是絮凝剂 30激光粒度分析仪对其粒度分布进行分析，测试的结 使得较小的絮团聚集到一起，产生了絮凝基团，使尾 果如图1所示.从图1中可以看出尾砂的粒径较细， 砂浆浓密的时间有所延长)，而且加入絮凝剂对充 分布比较均匀，小于10.46μm的所占比例64.24%，属 填体的早期强度也有一定影响[] 于超细尾砂 在放砂环节，普遍采用风水联动造浆，采用控压助 同时对尾砂制样，进行了X射线衍射分析，分析 流连续放砂技术，实现长时间稳定放砂[)，但于此同 结果如图2所示.由光学显微镜矿物相分析及X射线 时降低了进入搅拌环节的尾砂浆的浓度，一般矿山放 衍射分析可知，尾砂主要成分有黑云母、斜长石、石英、 砂质量分数只能达到55%~70%之间.为实现高浓度 绿泥石、方解石、拉长石等，除此之外还含有部分黄 充填，要求放砂质量分数达到70%以上，传统的立式 铜矿. 砂仓放砂结构已不能够完全满足工业要求. 1.2试验装置 对于目前矿业快速发展的趋势以及对降低矿业成 1.2.1超声波发生器及换能器（振子）的选取 本的要求，找到一种新型的既经济又快速沉降浓密的 超声波发生器的频率范围为20~45kHz,功率的 方法是十分必要的.由于超声波具有机械效应、空化 变化范围为0~900W,可以通过安装不同数目的换能 作用、热效应、化学效应等，在医学、军事、工业、农业、 器来实现最大功率的转换.本次试验最终所选用的超 化工等领域有广泛的应用，Du等)提出浓密机结合 声波发生器如图3(a)所示.试验所使用超声波频率 超声波处理，合适的超声波能量、合适的作用时间以及 选定为20kHz,超声波换能器单个换能器功率范围为 合适的作用区域对提高最终沉降浓度很有效果，最高 0~100W.如图3(b)所示 可提高11%，同时通过冷冻制样扫描电镜 1.2.2超声浓密砂仓模型 (Cyo-SEM),从微观结构上分析了超声波处理砂浆， 本试验研究日的是施加超声波对尾砂沉降浓密以 颗粒絮体结构的改变.Li等[]提出利用超声波处理 及放砂的影响，砂仓模型需要安装超声波换能器，考虑 可以改变水煤浆的流变特性，降低水煤浆的表观黏度 超声波换能器固有尺寸大小，如果设计成圆柱体，超声 值.Omran等[u]利用超声波处理菱镁矿浮选，可以有 波换能器将不能很好的与模型安装匹配，从而导致从 效降低泡沫尺寸，使泡沫稳定性增加，泡沫吸收时间变 超声波换能器输出的能量不能全部作用在模型及砂浆 长.Guo等提出了超声处理时间对水煤浆黏度的不 上，导致能量的散失，同时超声波换能器的空振容易造 同影响原因.金焱等)在指出功率15~30W的范围 成换能器的损坏.并且为了更清晰的读取沉降高度， 内，可将液相中的微颗粒聚集于声压较小的区域.Cu 减小试验误差，以及更直观的观察试验现象，砂仓模型 等[]利用超声波处理污泥，发现多孔絮凝物可以容易 的一面需采用透明有机玻璃，采用圆柱形砂仓在制作

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 矿业是国民经济的重要支柱产业之一,为经济 建设提供了能源和原材料[1] . 随着国家大力倡导绿 色矿山建设和矿业的可持续发展的需求下,要求矿 山尽可能多的回收矿产资源,减少由于采矿引起的 二次污染及地质灾害,充填采矿技术已经成为未来 发展的趋势[2鄄鄄3] . 以立式砂仓为代表的尾砂沉降浓 缩设备是现代充填的主要构筑物. 在高浓度的充填 中,保证进入搅拌环节的砂浆浓度是提高充填质量 的重中之重[4] . 由于现今矿山生产规模的扩大,充填 量大幅增加,大多需要采用连续充填作业的方式,而 对于连续充填作业,则要求形成快速的固液分离,确 保尾砂进入砂仓后,固体尾砂快速沉入仓底,澄清水 从仓顶周边快速溢出. 目前加快尾砂沉降浓密的方 法主要是提供足够的沉降面积和采用絮凝技术以及 较长的养砂时间[5鄄鄄6] . 在沉砂工艺中加入絮凝剂的 目的主要是提高沉砂速度及沉砂的均匀性,减少分 层离析现象[7] ,但絮凝剂具有一定的黏性,使细颗粒 尾砂易于附着在砂仓壁上,形成厚层,同时砂仓没有 清泥机构,所以砂仓运行一段时间后,需要定期停车 处理,不利于矿山的连续充填. 加入絮凝剂虽然可以 在一定程度上加快尾砂浆的沉降速度,但是絮凝剂 使得较小的絮团聚集到一起,产生了絮凝基团,使尾 砂浆浓密的时间有所延长[8] ,而且加入絮凝剂对充 填体的早期强度也有一定影响[9] . 在放砂环节,普遍采用风水联动造浆,采用控压助 流连续放砂技术,实现长时间稳定放砂[10] ,但于此同 时降低了进入搅拌环节的尾砂浆的浓度,一般矿山放 砂质量分数只能达到 55% ~ 70% 之间. 为实现高浓度 充填,要求放砂质量分数达到 70% 以上,传统的立式 砂仓放砂结构已不能够完全满足工业要求. 对于目前矿业快速发展的趋势以及对降低矿业成 本的要求,找到一种新型的既经济又快速沉降浓密的 方法是十分必要的. 由于超声波具有机械效应、空化 作用、热效应、化学效应等,在医学、军事、工业、农业、 化工等领域有广泛的应用,Du 等[11] 提出浓密机结合 超声波处理,合适的超声波能量、合适的作用时间以及 合适的作用区域对提高最终沉降浓度很有效果,最高 可 提 高 11% , 同 时 通 过 冷 冻 制 样 扫 描 电 镜 (Cryo鄄SEM),从微观结构上分析了超声波处理砂浆, 颗粒絮体结构的改变. Li 等[12] 提出利用超声波处理 可以改变水煤浆的流变特性,降低水煤浆的表观黏度 值. Omran 等[13]利用超声波处理菱镁矿浮选,可以有 效降低泡沫尺寸,使泡沫稳定性增加,泡沫吸收时间变 长. Guo 等[14]提出了超声处理时间对水煤浆黏度的不 同影响原因. 金焱等[15] 在指出功率 15 ~ 30 W 的范围 内,可将液相中的微颗粒聚集于声压较小的区域. Chu 等[16]利用超声波处理污泥,发现多孔絮凝物可以容易 地重组成更紧凑的结构. 杨金美等[17] 通过研究指出 超声波与絮凝剂的联用可以降低污泥滤饼含水率,且 达到相同滤饼含水率时可减少约 80% 的絮凝剂使 用量. 鉴于此,创新性的利用超声波一系列性质可以使 尾砂能够在砂仓中快速浓密,并且实现超声波驱动下 砂仓放砂,对于提高立式砂仓充填质量和效率以及降 低充填成本具有重要意义和工程价值. 1 试验材料及装置 1郾 1 试验材料 本次试验所用尾砂的基本参数有密度、容重、孔隙 率等,测试所得的结果如表 1 所示. 表 1 充填尾砂基本参数 Table 1 Basic parameters of tailings 容重/ (g·cm - 3 ) 孔隙率/ % 密度/ (g·cm - 3 ) 1郾 635 37郾 60 2郾 62 尾砂的粒级组成是矿山充填工艺选择的重要参考 指标,影响着尾矿浓密的脱水效果. 因此,选用 LMS鄄 30 激光粒度分析仪对其粒度分布进行分析,测试的结 果如图 1 所示. 从图 1 中可以看出尾砂的粒径较细, 分布比较均匀,小于 10郾 46 滋m 的所占比例 64郾 24% ,属 于超细尾砂. 同时对尾砂制样,进行了 X 射线衍射分析,分析 结果如图 2 所示. 由光学显微镜矿物相分析及 X 射线 衍射分析可知,尾砂主要成分有黑云母、斜长石、石英、 绿泥石、方解石、拉长石等,除此之外还含有部分黄 铜矿. 1郾 2 试验装置 1郾 2郾 1 超声波发生器及换能器(振子)的选取 超声波发生器的频率范围为 20 ~ 45 kHz,功率的 变化范围为 0 ~ 900 W,可以通过安装不同数目的换能 器来实现最大功率的转换. 本次试验最终所选用的超 声波发生器如图 3( a) 所示. 试验所使用超声波频率 选定为 20 kHz,超声波换能器单个换能器功率范围为 0 ~ 100 W. 如图 3(b)所示. 1郾 2郾 2 超声浓密砂仓模型 本试验研究目的是施加超声波对尾砂沉降浓密以 及放砂的影响,砂仓模型需要安装超声波换能器,考虑 超声波换能器固有尺寸大小,如果设计成圆柱体,超声 波换能器将不能很好的与模型安装匹配,从而导致从 超声波换能器输出的能量不能全部作用在模型及砂浆 上,导致能量的散失,同时超声波换能器的空振容易造 成换能器的损坏. 并且为了更清晰的读取沉降高度, 减小试验误差,以及更直观的观察试验现象,砂仓模型 的一面需采用透明有机玻璃,采用圆柱形砂仓在制作 ·1314·

王志凯等：超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 ·1315. 心 10 300 8 6 0000200 2 10 10T0 盏 c0.000 粒径μm 图1尾砂粒径分布曲线 Fig.I Particle size distribution curve of tailings 30000 石 2- 钙长石 25000 黄铜矿 黑云母 父 20000 6一拉长石 7一微斜长石 15000 8一石英 10000 8 5000 24机财收 897 8 44 8 8888 10 20 30 40 50 60 70 80 90 20M) 图2尾砂X射线衍射分析 Fig.2 XRD analysis of tailings (b) 型中能够作用1~2个波长的距离，最终正方形的实际 边长设计为15.2cm.考虑相似比，高度设计为 50.2cm.模型如图4所示. 入=/乐 (1) 式中，入为超声波波长，v为超声波传播速度，∫为超声 波的频率 2超声波作用下尾砂浆浓密及放砂试验 图3超声波发生器(a)与超声波换能器(b) Fig.3 Ultrasonic generator (a)and ultrasonic transducer (b) 2.1超声波浓密试验步骤 由于施加超声波沉降浓密的影响因素比较多，本 工艺上过于复杂.所以传统的圆形砂仓壁不适合本次 次试验将一些变化因素固定起来进而考察施加超声波 试验要求，因此将砂仓模型设计成长方体，底部结构为 的影响.固定的因素为： 四棱锥. (1)施加超声波频率固定，为20kHz; 尾砂浆中存在固体和液体两种状态，同时尾砂颗 (2)超声波换能器的位置是固定的，距离砂仓底 粒分布不均匀，导致在不同的区域超声波波长有所不 部13.5cm处： 同.根据水中超声波的传播速度(1500m·s)计算， (3)每次超声波作用时间固定，恒定为5min.其 频率为20kHz的超声波波长按照式(1)计算得到为 他因素均视为相同试验条件下的理想状态 7.5cm,超声波在固体中的传播速度按照2000ms计 将以上的变量固定以后试验方案设计如下所示： 算，得到在固体中的波长为10cm,为了使超声波在模 (1)配制质量分数为40%的尾砂浆，量取尾砂

王志凯等: 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 图 1 尾砂粒径分布曲线 Fig. 1 Particle size distribution curve of tailings 图 2 尾砂 X 射线衍射分析 Fig. 2 XRD analysis of tailings 图 3 超声波发生器(a)与超声波换能器(b) Fig. 3 Ultrasonic generator (a) and ultrasonic transducer (b) 工艺上过于复杂. 所以传统的圆形砂仓壁不适合本次 试验要求,因此将砂仓模型设计成长方体,底部结构为 四棱锥. 尾砂浆中存在固体和液体两种状态,同时尾砂颗 粒分布不均匀,导致在不同的区域超声波波长有所不 同. 根据水中超声波的传播速度(1500 m·s - 1 ) 计算, 频率为 20 kHz 的超声波波长按照式(1) 计算得到为 7郾 5 cm,超声波在固体中的传播速度按照 2000 m·s - 1计 算,得到在固体中的波长为 10 cm,为了使超声波在模 型中能够作用 1 ~ 2 个波长的距离,最终正方形的实际 边长 设 计 为 15郾 2 cm. 考 虑 相 似 比, 高 度 设 计 为 50郾 2 cm. 模型如图 4 所示. 姿 = v/ f. (1) 式中,姿 为超声波波长,v 为超声波传播速度,f 为超声 波的频率. 2 超声波作用下尾砂浆浓密及放砂试验 2郾 1 超声波浓密试验步骤 由于施加超声波沉降浓密的影响因素比较多,本 次试验将一些变化因素固定起来进而考察施加超声波 的影响. 固定的因素为: (1)施加超声波频率固定,为 20 kHz; (2)超声波换能器的位置是固定的,距离砂仓底 部 13郾 5 cm 处; (3)每次超声波作用时间固定,恒定为 5 min. 其 他因素均视为相同试验条件下的理想状态. 将以上的变量固定以后试验方案设计如下所示: (1) 配制质量分数为 40% 的尾砂浆,量取尾砂 ·1315·

·1316· 工程科学学报，第39卷，第9期 152 表2不同沉降时间后施加超声波尾砂浆沉降高度表 Table 2 Tailing slurry sedimentation height after different time under ultrasonic cm 沉降自由 超声波施加时沉降的时间 时间/min沉降15min20min25min30mimn35min40min 112.712.512.512.512.712.612.7 513.213.013.0 12.913.012.912.8 1013.913.5 13.213.513.7 13.5 12.8 55 15 14.5 142 14.4 142 14.2 14.0 13.4 20 15. 15 14 14 14.7 14. 14.7 R12 25 14 15 15 15. 14.8 30 14.5 152 35 14.5 图4立式砂仓模型（单位：mm) 40 Fig.4 Vertical sand warehouse model (unit:mm) 45 4 5kg,水7.5kg,倒入搅拌桶，搅拌均匀，将搅拌完全的 50 14.3 砂浆倒入砂仓中 55 13.9 (2)在固定功率为50W的情况下，分别在尾砂浆 60 14 13.9 沉降15、20、25、30、35和40min后施加超声波，通过与 70 4 13.7 尾砂浆自由沉降的对比，分析超声波作用对尾砂浆浓 80 13. 13.5 密沉降的影响. 90 137 13.3 2.2不同时间后施加超声波对尾砂浓密沉降的影响 100 179 13.2 2.2.1试验结果 按照设计的试验方案和试验步骤，在沉降开始后 110 13.7 130 12.6 12.6 12.6 12.7 13.1 的第15、20、25、30、35和40min,分别施加50W功率的 120 13.712.9 12.6 12.6 12.6 12.7 13.0 超声波进行试验，在固定时间记录尾砂浆液的高度，试 150 13.712.8 12.6 12.6 12.6 12.7 12.9 验数据如表2所示. 180 13.712.8 12.6 12.6 12.6 12.712.9 根据表2的试验数据，通过最终沉降面高度可计 算得到尾砂浆沉降最终质量分数，最终质量分数由 表3最终沉降时间和质量分数 Table 3 Final sedimentation time and tailing mass fraction 式(2)计算，并根据表2记录的数据得到最终沉降时 间，整理得到的结果如表3所示 超声波施加 最终沉降 最终质量 时间/min 时间/min 分数/% 10。 C,=W.-0.+0, (2) 自由沉降 150 74.1 式中，C,为砂仓底部尾砂质量分数，0，为砂仓中尾砂 15 150 76.8 的质量，W.为砂仓中水的质量，0.为砂仓中澄清水的 20 80 77.5 质量.其中地.的质量又可根据式(3)计算. 25 90 77.5 w.=pL2 (H-h). (3) 30 110 77.5 式中，P为水的密度，L为砂仓的底面宽度，H为砂仓中 35 150 77.5 水和尾砂的总高度，h为砂仓中尾砂的高度 40 180 76.8 从表3可以得到在施加超声波后尾砂浆的最终质 量分数都显著提高，最低提高2.7%，最高可达3.4%； 通过表2尾砂自由沉降数据可以看出，在20min 而且最终浓密沉降时间最快缩短70min,施加超声波 左右时，尾砂沉降刚开始由干涉沉降阶段进入浓密压 对缩短尾砂浆浓密沉降时间，提高最终质量浓度效果 缩阶段.为获得高浓度的砂浆底流，必须保证足够的 十分显著.在沉降时间20min后施加超声波，砂浆沉 浓密压缩时间，浓密压缩是提高最终浓度的关键阶段 降浓密时间最短为80min.施加超声波后尾砂浆最终 通过不同时刻后施加超声波数据可以看出，在施加超 质量分数可达77.5%. 声波以后，会使得尾砂沉降高度出现小幅波动，表现为

工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 图 4 立式砂仓模型(单位:mm) Fig. 4 Vertical sand warehouse model (unit:mm) 5 kg,水 7郾 5 kg,倒入搅拌桶,搅拌均匀,将搅拌完全的 砂浆倒入砂仓中. (2)在固定功率为 50 W 的情况下,分别在尾砂浆 沉降 15、20、25、30、35 和 40 min 后施加超声波,通过与 尾砂浆自由沉降的对比,分析超声波作用对尾砂浆浓 密沉降的影响. 2郾 2 不同时间后施加超声波对尾砂浓密沉降的影响 2郾 2郾 1 试验结果 按照设计的试验方案和试验步骤,在沉降开始后 的第 15、20、25、30、35 和 40 min,分别施加 50 W 功率的 超声波进行试验,在固定时间记录尾砂浆液的高度,试 验数据如表 2 所示. 根据表 2 的试验数据,通过最终沉降面高度可计 算得到尾砂浆沉降最终质量分数,最终质量分数由 式(2)计算,并根据表 2 记录的数据得到最终沉降时 间,整理得到的结果如表 3 所示. Cb = ws Ww - ww + ws . (2) 式中,Cb 为砂仓底部尾砂质量分数,ws 为砂仓中尾砂 的质量,Ww 为砂仓中水的质量,ww 为砂仓中澄清水的 质量. 其中 ww 的质量又可根据式(3)计算. ww = 籽L 2 (H - h). (3) 式中,籽 为水的密度,L 为砂仓的底面宽度,H 为砂仓中 水和尾砂的总高度,h 为砂仓中尾砂的高度. 从表 3 可以得到在施加超声波后尾砂浆的最终质 量分数都显著提高,最低提高 2郾 7% ,最高可达 3郾 4% ; 而且最终浓密沉降时间最快缩短 70 min,施加超声波 对缩短尾砂浆浓密沉降时间,提高最终质量浓度效果 十分显著. 在沉降时间 20 min 后施加超声波,砂浆沉 降浓密时间最短为 80 min. 施加超声波后尾砂浆最终 质量分数可达 77郾 5% . 表 2 不同沉降时间后施加超声波尾砂浆沉降高度表 Table 2 Tailing slurry sedimentation height after different time under ultrasonic cm 沉降 时间/ min 自由 沉降 超声波施加时沉降的时间 15 min 20 min 25 min 30 min 35 min 40 min 1 12郾 7 12郾 5 12郾 5 12郾 5 12郾 7 12郾 6 12郾 7 5 13郾 2 13郾 0 13郾 0 12郾 9 13郾 0 12郾 9 12郾 8 10 13郾 9 13郾 5 13郾 2 13郾 5 13郾 7 13郾 5 12郾 8 15 14郾 5 14郾 2 14郾 4 14郾 2 14郾 2 14郾 0 13郾 4 20 15郾 0 15郾 0 14郾 6 14郾 6 14郾 7 14郾 7 14郾 7 25 14郾 9 16郾 2 14郾 9 15郾 0 15郾 2 15郾 0 14郾 8 30 14郾 7 16郾 2 14郾 6 15郾 2 15郾 2 15郾 2 14郾 5 35 14郾 6 16郾 2 14郾 0 15郾 2 15郾 5 15郾 4 14郾 5 40 14郾 5 15郾 3 13郾 5 14郾 4 14郾 8 15郾 6 14郾 0 45 14郾 3 14郾 6 13郾 3 13郾 7 14郾 2 15郾 0 14郾 8 50 14郾 3 14郾 2 13郾 2 13郾 5 13郾 6 14郾 4 14郾 3 55 14郾 3 13郾 9 13郾 1 13郾 3 13郾 5 13郾 9 13郾 9 60 14郾 2 13郾 8 12郾 9 13郾 1 13郾 4 13郾 7 13郾 9 70 14郾 0 13郾 6 12郾 7 12郾 9 13郾 1 13郾 5 13郾 7 80 13郾 9 13郾 4 12郾 6 12郾 7 12郾 9 13郾 3 13郾 5 90 13郾 7 13郾 2 12郾 6 12郾 6 12郾 8 13郾 2 13郾 3 100 13郾 7 13郾 2 12郾 6 12郾 6 12郾 7 12郾 9 13郾 2 110 13郾 7 13郾 0 12郾 6 12郾 6 12郾 6 12郾 7 13郾 1 120 13郾 7 12郾 9 12郾 6 12郾 6 12郾 6 12郾 7 13郾 0 150 13郾 7 12郾 8 12郾 6 12郾 6 12郾 6 12郾 7 12郾 9 180 13郾 7 12郾 8 12郾 6 12郾 6 12郾 6 12郾 7 12郾 9 表 3 最终沉降时间和质量分数 Table 3 Final sedimentation time and tailing mass fraction 超声波施加 时间/ min 最终沉降 时间/ min 最终质量 分数/ % 自由沉降 150 74郾 1 15 150 76郾 8 20 80 77郾 5 25 90 77郾 5 30 110 77郾 5 35 150 77郾 5 40 180 76郾 8 通过表 2 尾砂自由沉降数据可以看出,在 20 min 左右时,尾砂沉降刚开始由干涉沉降阶段进入浓密压 缩阶段. 为获得高浓度的砂浆底流,必须保证足够的 浓密压缩时间,浓密压缩是提高最终浓度的关键阶段. 通过不同时刻后施加超声波数据可以看出,在施加超 声波以后,会使得尾砂沉降高度出现小幅波动,表现为 ·1316·

王志凯等：超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 ·1317· 尾砂沉降面高度的增大，这是因为超声波作用下，尾砂 2.2.2超声波作用下尾砂浓密现象过程 颗粒在质点位置发生强烈的机械振动.同时超声波的 对尾砂自由沉降40mim以后施加功率50W的超 空化效应，产生空化泡，空化泡随声压的变化作脉动、 声波，观察超声波作用下尾砂浓密现象，如图5所示 振荡，或伴随生长、收缩以至破灭，破灭时产生的冲击 从图5(a)中可以观察到尾砂浆在砂仓中自由沉降 波也会使得尾砂细颗粒做无规则布朗运动，同时也加 40min以后，砂仓中从上到下尾砂的颗粒逐渐增大，其 速了固液分离.在超声波的扰动作用下，尾砂颗粒之 中可以将沉降结束后砂仓中的尾砂分为两个层，上层 间会重新发生碰撞聚凝，因此会使得液面高度的升高. 由颗粒较小的尾砂颗粒组成，下层为较大的颗粒组成 施加超声波作用结束以后，重新聚凝的尾砂颗粒形成 的区域.在施加超声波后尾砂浆发生了两个过程，从 较大粒子团，在重力的作用下重新进入压缩阶段，加速 图5(b)中可以看到在较细颗粒层的下部和较粗颗粒 了沉降速度，最终表现为最终沉降时间的缩短和最终 层的交界处明显出现一层水层，观察在试验过程中发 质量浓度的提高.当在40min以后施加超声波，此时 生的现象，施加超声波以后砂仓中较细颗粒层的尾砂 尾砂沉降已经开始浓密压缩一定时间，尾砂浆的浓度 出现排水的现象，下层较粗颗粒之间的水分开始上排， 较20min时要高，超声波对不同浓度的尾砂浆浓密作 由于上层尾砂较细，颗粒与颗粒之间的空隙较小，使得 用效果不同，而且此时的液面高度更加靠近超声波换 较粗颗粒之间排出的水分上升到与较细颗粒层的交界 能器，超声波在尾砂浆中会发生衰减，因此靠换能器越 处而不能及时排出，所以水分在此阶层聚集逐渐形成 近受到的扰动作用越强，原先的液面位置也表现为先 水层：形成水层由于下部较粗颗粒之间还在不断继续 升后降，波动幅度较20min要大，因此最终沉降时间相 排出水分，水层的厚度不断增大，继续施加一定时间以 比20min后时间超声波要有所延长.当在沉降15min 后水层突然冲破上层较细颗粒层排出如图5(c)和 后施加超声波，此时尾砂正处在干涉沉降阶段，并没有 ()所示，此时即阶段二.施加超声波以后的第一个阶 进入等速的浓密压缩阶段，因此作用效果不佳 段为水层形成阶段，阶段二为水层突破阶段. (a) d 图5超声波作用下尾砂浓密过程.(a)自然沉降40mim后：(b)施加超声水层形成：(c)水层突破：(d)浓密完成 Fig.5 Tailings thickening phenomenon under ultrasonic:(a)after 40 min of sedimentation;(b)formation of water layer under ultrasonic action; (c)breakthrough of water layer;(d)thickening completion 2.3超声波作用下砂仓放砂试验 溢流的实际情况，记录砂层和澄清水位置（如表4所 2.3.1无超声波作用下放砂试验 示)位置，计算出尾砂沉降质量分数为75.4%，打开放 取尾砂5kg,水7.5kg搅拌均匀注入砂仓模型中， 砂管进行放砂试验并观察试验现象.为提高试验可靠 等待尾砂沉降90mim之后，取出上层澄清水5.5kg(澄 性，本次试验每组重复3次 清水未全部取出，保留部分澄清水)，此举符合澄清水 打开放砂管后，由于尾砂浆经过了浓密过程，砂粒 表4放砂质量与最终浓度 Table 4 Sand discharge quality and final concentrations 砂位 取水后液面 最终质量 放出砂浆 尾砂浆烘干 放砂质量 放砂完成 试验条件 高度/cm 高度/cm 分数/% 质量/kg 后质量/kg 分数/% 时间/min 无超声波 11.5 13.5 75.4 1.826 1.0828 59.30 1.25 超声波双振子 11.4 14.5 75.6 6.345 4.6980 74.04 2.60

王志凯等: 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 尾砂沉降面高度的增大,这是因为超声波作用下,尾砂 颗粒在质点位置发生强烈的机械振动. 同时超声波的 空化效应,产生空化泡,空化泡随声压的变化作脉动、 振荡,或伴随生长、收缩以至破灭,破灭时产生的冲击 波也会使得尾砂细颗粒做无规则布朗运动,同时也加 速了固液分离. 在超声波的扰动作用下,尾砂颗粒之 间会重新发生碰撞聚凝,因此会使得液面高度的升高. 施加超声波作用结束以后,重新聚凝的尾砂颗粒形成 较大粒子团,在重力的作用下重新进入压缩阶段,加速 了沉降速度,最终表现为最终沉降时间的缩短和最终 质量浓度的提高. 当在 40 min 以后施加超声波,此时 尾砂沉降已经开始浓密压缩一定时间,尾砂浆的浓度 较 20 min 时要高,超声波对不同浓度的尾砂浆浓密作 用效果不同,而且此时的液面高度更加靠近超声波换 能器,超声波在尾砂浆中会发生衰减,因此靠换能器越 近受到的扰动作用越强,原先的液面位置也表现为先 升后降,波动幅度较 20 min 要大,因此最终沉降时间相 比 20 min 后时间超声波要有所延长. 当在沉降 15 min 后施加超声波,此时尾砂正处在干涉沉降阶段,并没有 进入等速的浓密压缩阶段,因此作用效果不佳. 2郾 2郾 2 超声波作用下尾砂浓密现象过程 对尾砂自由沉降 40 min 以后施加功率 50 W 的超 声波,观察超声波作用下尾砂浓密现象,如图 5 所示. 从图 5( a) 中可以观察到尾砂浆在砂仓中自由沉降 40 min以后,砂仓中从上到下尾砂的颗粒逐渐增大,其 中可以将沉降结束后砂仓中的尾砂分为两个层,上层 由颗粒较小的尾砂颗粒组成,下层为较大的颗粒组成 的区域. 在施加超声波后尾砂浆发生了两个过程,从 图 5(b)中可以看到在较细颗粒层的下部和较粗颗粒 层的交界处明显出现一层水层,观察在试验过程中发 生的现象,施加超声波以后砂仓中较细颗粒层的尾砂 出现排水的现象,下层较粗颗粒之间的水分开始上排, 由于上层尾砂较细,颗粒与颗粒之间的空隙较小,使得 较粗颗粒之间排出的水分上升到与较细颗粒层的交界 处而不能及时排出,所以水分在此阶层聚集逐渐形成 水层;形成水层由于下部较粗颗粒之间还在不断继续 排出水分,水层的厚度不断增大,继续施加一定时间以 后水层突然冲破上层较细颗粒层排出如图 5 ( c) 和 (d)所示,此时即阶段二. 施加超声波以后的第一个阶 段为水层形成阶段,阶段二为水层突破阶段. 图 5 超声波作用下尾砂浓密过程. (a)自然沉降 40 min 后;(b)施加超声水层形成;(c)水层突破;(d)浓密完成 Fig. 5 Tailings thickening phenomenon under ultrasonic: (a) after 40 min of sedimentation; ( b) formation of water layer under ultrasonic action; (c) breakthrough of water layer; (d) thickening completion 2郾 3 超声波作用下砂仓放砂试验 2郾 3郾 1 无超声波作用下放砂试验 取尾砂 5 kg,水 7郾 5 kg 搅拌均匀注入砂仓模型中, 等待尾砂沉降 90 min 之后,取出上层澄清水 5郾 5 kg(澄 清水未全部取出,保留部分澄清水),此举符合澄清水 溢流的实际情况,记录砂层和澄清水位置(如表 4 所 示)位置,计算出尾砂沉降质量分数为 75郾 4% ,打开放 砂管进行放砂试验并观察试验现象. 为提高试验可靠 性,本次试验每组重复 3 次. 打开放砂管后,由于尾砂浆经过了浓密过程,砂粒 表 4 放砂质量与最终浓度 Table 4 Sand discharge quality and final concentrations 试验条件 砂位 高度/ cm 取水后液面 高度/ cm 最终质量 分数/ % 放出砂浆 质量/ kg 尾砂浆烘干 后质量/ kg 放砂质量 分数/ % 放砂完成 时间/ min 无超声波 11郾 5 13郾 5 75郾 4 1郾 826 1郾 0828 59郾 30 1郾 25 超声波双振子 11郾 4 14郾 5 75郾 6 6郾 345 4郾 6980 74郾 04 2郾 60 ·1317·