面向膏體充填尾砂濃密的絮團結構研究進展綜述

李翠平 陳格仲 侯賀子 顏丙恒

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

發展膏體充填技術是踐行國家“綠色開采”理念 的重要舉措，具有環保、安全、高效等優點，是未來礦山生產發展的主要方向［1-2］。尾砂濃密作為膏體充填技術的首要環節，底流效果的好壞對后續工藝環節產生重要影響，穩定高濃度的底流可為礦山連續充填開采提供有力保障。為此，確保濃密機底流濃度的穩定性是實現膏體充填的關鍵。

尾砂濃密是將選礦廠排放的低濃度尾砂料漿在濃密機中與絮凝劑溶液混合后形成尾砂絮團，沉降中受尾砂床層壓力、耙架剪切力等作用實現固液分離，制備出高濃度底流料漿的復雜動態過程［3］。尾砂濃密工藝涉及流體力學、機械動力學、膠體表面化學、顆粒物質等研究領域，引起國內外學者的廣泛關注。目前學術界從濃密機結構［4］、尾砂床層高度［5］、耙架剪切作用［6］、絮凝劑選型［7］、顆粒絮凝［8］等方面開展了相關研究，取得了豐富的研究成果。但在礦山實際生產運營中，依然存在濃密機底流濃度波動大、底流排放連續性差等工程問題，嚴重影響了后續工藝環節的順利進行。縱觀國內外的研究進展發現，濃密環節底流濃度不穩定現象除了受宏觀因素影響外，尾砂絮團結構是決定脫水效果的根本原因。為此，本研究從微細觀入手，以尾砂絮團結構為切入點，系統闡述了絮團排水過程中尾砂顆粒絮凝、絮團結構變化、絮團水含量變化、壓密區孔隙通道等方面的最新研究進展，深入分析了當前濃密脫水過程中存在的問題以及發展趨勢。

1 尾砂顆粒絮凝及宏觀影響因素

1.1 尾砂顆粒絮凝

絮凝是向懸浮液中加入絮凝劑或混凝劑溶液，使懸浮液中顆粒物質與藥劑發生物理化學作用在脫穩后進一步形成絮團結構，以提高顆粒介質沉降速率的工業技術，如圖1中區域Ⅱ所示。絮凝主要用于提高廢水凈化效率、尾礦濃密增稠等領域，在國內外的工業廢水處理、食品、醫藥、造紙、采礦等行業有較為成熟的技術體系，可顯著降低固液分離時的經濟成本。已有研究表明，絮凝劑與料漿中尾砂顆粒主要發生吸附架橋、網捕卷掃、電荷中和以及壓縮雙電層等作用［9］，按照作用機理的差異，可將絮凝劑主要分為有機絮凝劑和無機絮凝劑兩大類［10-11］。傳統無機絮凝劑多為無機鹽類，現場應用時存在使用量大、效果不佳等缺點，已逐步被高分子有機絮凝劑代替。目前，國內礦山企業多采用有機絮凝劑中的陰離子聚丙烯酰胺，其具有經濟高效、環保、操作流程簡便的優點。

濃密起始階段低濃度尾砂料漿與絮凝劑溶液在濃密機中心桶中進行物料混合，尾砂顆粒與絮凝劑溶液發生物理化學作用，形成結構松散、強度較低、形態不一的尾砂絮團［10］。初始階段絮團結構的生成一方面降低了上清液的濁度，有利于工業水資源循環利用；另一方面提高了細尾砂顆粒的沉降速率，解決了細顆粒尾砂難以快速沉降的問題，提高了沉降階段固液分離效率［7］。絮凝劑與溶液中尾砂顆粒絮凝過程表現為：首先，絮凝劑與水溶液混合；之后，絮凝劑溶液稀釋分散與料漿中尾砂顆粒發生凝聚作用；最后發生絮凝作用，形成尾砂絮團［7，12］。絮凝作用發生的前提是料漿中尾砂顆粒表面存在空白電位，絮凝劑鏈的官能團才能與尾砂顆粒發生吸附架橋作用，打破細顆粒尾砂的懸浮狀態進而形成尾砂絮團［9，13］。

1.2 絮凝宏觀影響因素分析

除了絮凝劑類型外，尾砂顆粒絮凝成團過程受多種外界宏觀因素影響，包括絮凝劑單耗、絮凝劑溶液濃度、尾砂料漿濃度、溶液pH值、溫度、絮凝劑分子量和離子度等因素。

1.2.1 絮凝劑單耗

絮凝劑單耗對絮凝效果具有決定性作用。絮凝劑單耗較低時雖可以降低經濟成本，但無法使全部尾砂顆粒絮凝成團，部分細尾砂顆粒仍懸浮于上清液中，增大了溢流液的濁度，額外增加了工業循環水再次使用的處理步驟［7］。而較高的絮凝劑單耗不僅增加了經濟成本，還會引起尾砂顆粒表面電位過飽和現象從而降低吸附架橋作用的效率［14］，易生成結構穩定的小絮團，產生絮凝效果不佳的問題；同時絮凝劑單耗增加將會提升料漿整體黏度，使絮團沉降阻力加大，絮團沉降速率降低，最后導致壓密區尾砂料漿排水阻力升高等問題［15-16］。

1.2.2 絮凝劑溶液濃度

絮凝劑溶液濃度較高時，溶液難以快速稀釋到與尾砂料漿混合的最佳濃度，易引起部分尾砂顆粒吸附過飽和，無法確保尾砂顆粒有效絮凝，導致絮凝的尾砂絮團較小以及溢流液濁度較高［16］。因此，在現場應用中絮凝劑溶液濃度一般較低，濃度范圍多位于千分位到萬分位之間。

1.2.3 尾砂料漿濃度

尾砂料漿濃度較高，會導致尾砂顆粒難以快速與絮凝劑溶液充分混合，不易達到良好的絮凝效果。尾砂濃度較低，顆粒之間難以形成結構密實的絮團，同時加劇了水資源消耗［17］。因此，選擇適宜的絮凝劑用量與尾砂料漿濃度，可促進絮凝劑與尾砂顆粒快速充分接觸，提高顆粒絮凝效率。

1.2.4 溶液pH值

料漿pH值對絮團形成的影響表現在兩個方面［16］：一是通過改變顆粒表面Zeta電位來調節尾砂顆粒之間的相互作用力，壓縮顆粒表面雙電層結構以便于吸附架橋；二是改變絮凝劑鏈的狀態，促進絮凝劑鏈吸附至尾砂顆粒表面從而更高效地完成顆粒絮凝［17］。

1.2.5 溫 度

溫度對尾砂顆粒絮凝過程的影響主要表現在：適宜溶液溫度下可以降低料漿的黏度，提高絮凝劑的溶解度，便于絮凝劑溶液快速與尾砂料漿混合，更好地完成吸附架橋作用［18］，并且適當提高溫度可以加劇料漿中尾砂顆粒的布朗運動，有利于料漿快速絮凝。此外，在適宜溫度范圍內可有效提高絮凝劑活性，有利于提高顆粒絮凝速率［19-20］。

1.2.6 絮凝劑分子量和離子度

有機高分子絮凝劑的分子量和離子度對顆粒絮凝效率具有重要影響［21-22］。在絮凝劑離子度相同的情況下，低分子量的絮凝劑形成的絮團尺寸較小，結構較為疏松，上清液濁度高。隨著絮凝劑分子量增加，尾砂顆粒吸附架橋作用明顯增強，形成的絮團尺寸逐步增大，結構較為密實。但過高的分子量難以確保絮凝劑分子鏈在水解過程中完全打開，無法充分發揮絮凝作用。同理，相同分子量情況下，離子度較低的絮凝劑所提供的電解質有限，不易打破顆粒的穩定狀態，降低了尾砂顆粒的絮凝效率。隨著絮凝劑離子度增加，水解后得到的電解質增多，有助于穩定懸浮顆粒失穩，實現較好的吸附架橋作用。但是離子度過高則會降低絮凝劑的水解度，進而抑制電解質發揮作用，降低絮凝效率。因此，適量提高絮凝劑分子量和離子度有助于增加尾砂顆粒絮凝效率以及形成結構密實的尾砂絮團。

尾砂顆粒絮凝是濃密機中實行固液分離的第一步，了解其作用機理及影響因素對整個濃密環節具有重要的意義。尾砂顆粒絮凝的宏觀影響因素較多，各因素的作用規律往往并非獨立存在，多因素之間耦合作用較強。因此，在尾砂絮凝的過程中需要綜合考慮各方面的宏觀影響因素，進行多因素優化設計，實現最理想的顆粒絮凝效果。除此之外，現有濃密機在中心筒處沿用單點加藥、一次絮凝的方式進行物料混合，存在上清液濁度較高的現象，為工業生產帶來不少困擾。為此，改進物料混合方式，采用多點加藥，多段絮凝的新工藝有望為解決該類工程問題提供新的技術思路。

2 絮團結構變化

濃密機中尾砂顆粒絮凝成團后，在重力作用下向濃密機底部沉降。沉降過程中絮團受到外力擾動，結構發生相應變化，物理性質也隨之改變。國內外學者根據絮團在濃密機中的受力以及結構變化機制的差異性，將絮團結構變化過程分為沉降區和壓密區兩個部分。

2.1 沉降區絮團結構變化

絮凝沉降過程中影響絮團結構變化的外界因素較多，國內外學者利用不同試驗手段對沉降過程中絮團結構變化開展了大量研究工作。由早期的高清相機拍攝［23］、激光散射［24］等絮團觀測方式，逐步發展到探頭式原位檢測技術，如聚焦光束反射測量技術（Focused Beam Reflectance Measurement，FBRM）、顆粒錄影顯微鏡技術（Particle Video Microscope，PVM）［25］等觀測手段，分析不同條件下絮團尺寸、強度、分形維數等物理性質的變化規律。獲得了尾砂絮團尺寸與流體剪切應力緊密相連，并隨流體剪切應力增大而降低的一系列實測理論成果［26-27］。其研究表明，絮團早期階段更容易發生破碎和重組現象，當絮團強度不低于流體剪切應力時，絮團尺寸不再減小，達到平衡階段，絮團破碎與重組的過程是多次重復的，具有絮凝—破碎—再生（A—B—R）的性質［28］。依據最新研究結果，絮團尺寸的總體發展變化過程可分為初始凝聚階段、絮凝成團階段、絮團破碎階段以及動態平衡階段［29-30］，如圖2所示。破碎和重組后所形成的尾砂絮團性質與之前相比存在較大差異性，主要表現為：破碎后的絮團尺寸整體有所降低，但絮團結構更加致密，絮團的強度和分形維數比破碎前更高［31-32］。

絮團在沉降區運動過程中，流體剪切、差速沉降和布朗運動對其結構產生影響［33-34］，其中流體剪切作用是導致沉降區絮團結構變化的根本原因［35］。流體剪切主要發生在兩處：一處是中心筒內物料混合時流體強烈剪切作用區；另一處是絮團沉降過程中，由濃密機耙架與導水桿轉動所帶動的濃密機內液體規則旋轉而形成的流體剪切作用區，該處的剪切作用決定了沉降區絮團的最終形態。絮團結構變化以剪切破碎、碰撞重組方式體現，其中，剪切破碎是絮團結構變化的最主要方式［36］。

絮團受流體剪切作用后主要有兩種破碎形式［37］，如圖1區域Ⅲ中①、②所示，兩種破碎機制以Kolmogorov尺寸作為主要判定標準。當絮團尺寸達到或超過Kolmogorov尺度時，絮團將發生破裂，此時大絮團孔隙率較高，絮團強度較低，在流體剪切作用下，絮團內部結構薄弱區出現破裂，導致大絮團分散為多個小絮團；當絮團尺寸小于Kolmogorov尺度時，絮團發生侵蝕，在較弱的流體剪切作用下，絮團表面所吸附的不牢固微小絮團脫落，造成絮團體積減小［28，38］，脫落的絮團將重新回到溶液中與其它絮團產生作用［39］。絮團結構破碎過程中，可根據溶液中的金屬離子對絮團結構產生的影響，將絮團的破碎分為可逆破碎與不可逆破碎［40］。尾砂絮團破碎后生成的碎片，一方面可為絮團碰撞重組提供更多附著位點［41-42］，另一方面較小的絮團碎片在流動過程中易與大絮團發生碰撞重組過程，如圖1區域Ⅲ中③所示，進一步改變了絮團結構物理性質［43-44］。

可見，對沉降區絮團結構方面的研究大多是借鑒泥沙、污水處理等相關學科領域的研究成果，而對于尾砂濃密沉降環節國內學者多采用粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）［45］、計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）數值模擬［46］等技術，分析絮團在沉降過程中的軌跡運移、沉降速度等問題，基于固體通量、C-C法（Coe-Clevenger）、Kynch等理論構建沉降模型，為濃密機設計提供指導，但以往的研究忽略了沉降過程中絮團結構以及密度的變化對底流濃度產生的影響。

2.2 壓密區絮團結構變化

濃密機上部絮團沉降至底部后，逐漸累積形成具有一定高度的尾砂床層，由于絮團結構的強度較低，在床層壓力及耙架剪切力共同作用下，絮團進一步發生破碎，絮團的密度、強度等物理性質出現變化，對底流濃度產生較大影響。

當前對壓密區絮團的研究，主要是通過直接取料或冷凍取料的方式開展絮團結構觀測試驗。借助圖像分析技術、顯微攝像技術等［47-48］，對不同壓力、剪切作用等外界條件影響下的絮團結構、強度、尾砂顆粒間接觸狀態進行了分析，得出絮團結構在受壓、受剪作用下的變化規律。耙架剪切過程中由于絮團形狀和尺寸的各向異性，床層中尾砂絮團的結構不斷發生破碎、重組等過程，導致絮團整體尺寸逐漸減小，絮團的分形維數逐漸增大，絮團強度與密度逐漸增加［49］。而壓濾試驗表明，絮團尺寸隨壓力的增大而逐漸減小，直至床層骨架強度與所施加的壓力相當時，絮團尺寸不再發生變化，當再次加壓時，絮團尺寸將繼續減小，直到再次平衡［50］，如圖3所示。因此，隨著尾砂床層的不斷升高，在床層壓力和耙架剪切力的耦合作用下，壓密區的絮團結構和物理性質處于動態平衡［51］。通過環境掃描電鏡（Environmental Scanning Electron Microscope，ESEM）對壓密區絮團結構進一步分析表明，力學作用下壓密區尾砂顆粒之間的接觸狀態同步存在變化［52-53］，使絮團結構向更加密實的狀態發展。

壓密區絮團結構的變化直接影響底流料漿濃度，但目前對壓密區尾砂絮團的研究多采用取樣分析，此種技術對絮團結構狀態具有一定的擾動，難以真實表征壓密區絮團結構變化與力學作用之間的關聯。

3 絮團水含量變化

絮凝沉降對比試驗表明，相同條件下，添加絮凝劑后的底流濃度比未添加絮凝劑的底流濃度要低［54-55］，而絮團水含量的變化是引起這一現象的主要原因，研究中通常將絮團水細分為絮團內水和絮團間水［54］，如圖1區域Ⅴ中所示。

3.1 沉降區絮團內水含量變化

絮團內水伴隨著絮團結構的出現而產生，尾砂顆粒絮凝形成的單個絮團具有較高的孔隙率，孔隙體積均由液相水填充于內，形成絮團內水，顯著降低了單個絮團的密度，其含量與絮團結構密切相關，也隨絮團結構的變化而改變［55-56］。已有研究表明，絮凝劑單耗對絮團內水含量的變化具有重要影響，過量的絮凝劑可使尾砂絮團內水含量進一步增加，不利于制備高濃度底流［54］。此外，絮團沉降過程中，流體剪切、絮團碰撞等外力作用導致絮團結構在薄弱處發生破裂［57］，使絮團內水得到相應釋放，絮團密實度提高，沉降速度加快，有利于提高固液分離效率。同理，不同溶液溫度、pH值等宏觀條件下絮團內水含量也會出現相應的變化［58-59］，而力學作用下的絮團結構破碎則是導致絮團內水含量減少、絮團密度提高的根本原因。但由于技術水平發展有限，已有的相關研究多基于理論公式推導，進而推測絮團密度的理論數值，具有一定的借鑒意義，但對于實際絮團密度的物理試驗測試成果尚未有相關報道。因此，深入研究尾砂濃密沉降過程中的絮團內水含量變化，分析受外界條件作用下沉降過程中絮團密度的變化規律，可為實現高濃度底流奠定基礎。

3.2 壓密區絮團水含量變化

絮凝形成的絮團結構具有各向異性和不規則性，多以棒狀、橢圓狀、餅狀為主，沉降至濃密機底部的絮團層層堆積，絮團間形成大量的孔隙結構，孔隙內充滿液體，構成絮團間水。隨著絮團不斷堆積壓縮，壓密區形成具有高孔隙率的“蛋糕”狀多孔介質，大量的絮團間水位于其中，促使底流濃度跨度較大，形成高度飽和的非均質多孔介質［60-61］。尾砂床層在重力和耙架剪切作用下，絮團結構破碎，絮團內水和絮團間水均得到釋放，濃密機底流濃度得到提高。已有壓濾試驗表明，低壓力作用下的絮團水釋放有限［62］，要獲得較高的底流濃度必須施以極大的壓力和較長的作用時間，但在實際生產中難以實現。床層的剪切屈服應力相比于壓縮屈服應力更低，耙架剪切作用對絮團的結構擾動較強烈，有利于絮團水的釋放。床層未耙動時，在重力作用下，壓密區尾砂床層絮團水含量高并呈現穩定狀態，耙架轉動時，在耙架剪切和床層壓力耦合作用下絮團結構進一步破碎形成更小更致密的絮團［63-64］，絮團水的排放更加徹底。因此，在重力及耙架剪切作用下，壓密區絮團水含量隨絮團結構變化處于動態變化中。國外學者借助CT掃描技術對穩定后的泥層進行了三維重構分析［65-66］，得出絮團內水含量隨絮團結構變化呈正態分布規律。此外，也有學者通過添加化學藥劑的方法對絮團水釋放進行了相關研究［67］。但以上研究主要集中在如何釋放絮團水，對力學作用下絮團水含量變化問題研究較少，只分析了泥層重力下絮團內水含量變化，未對耙架剪切后絮團內水含量變化進行研究，存在一定的不足之處，且國內鮮有相關研究成果見諸報道。

目前業內學者認為尾砂絮團結構中存有絮團內水和絮團間水，借鑒相關學科的基礎理論，將多孔介質中存在的水分類型分為4種［68］：結晶水、表面吸附水、間隙水以及自由水。常規手段難以去除尾砂顆粒的結晶水和表面吸附水［69］，間隙水在泥層中存在的比例較高，是造成泥層濃度較低的根本原因，自由水存在于泥層上部，不與泥層顆粒發生作用。但是這些概念主要從其它學科借鑒而來，雖然具有一定的價值，但尾砂顆粒的性質與泥沙、污泥不盡相同，尤其是化學添加劑的引入，導致絮團水含量增加的理論不夠明確。因此，明晰尾砂濃密環節水分種類至關重要，探究絮團水含量在外界宏觀因素作用下的變化規律以及如何更好、更快地降低絮團水含量，對于提高濃密機底流濃度具有重要意義。

4 尾砂床層孔隙通道演化

壓密區床層料漿濃度的質量直接影響后續充填環節的開展，進而制備出穩定的高濃度料漿是濃密環節的首要目標。尾砂床層的沉積行為反映了料漿內部結構對力學作用的響應，尾砂絮團在重力及耙架剪切力的作用下結構發生破裂，釋放的絮團內水與絮團間水相匯聚，在床層壓力作用下通過絮團間復雜的孔隙通道向上部排出，如圖1區域Ⅵ中所示，進而制備出高濃度的底流料漿，滿足充填需要。研究表明，尾砂床層沉積是一個高度動態的過程，床層的骨架強度和孔隙水壓力最終會與上部床層重力形成平衡，達到一種穩定狀態，在到達平衡之前，床層中排水通道的形狀和結構伴隨壓密區絮團結構的變化一直處于動態演變過程中。不斷演變的孔隙結構將影響孔隙內流體流動和顆粒運移，進而影響壓密區料漿的排水效率。早期研究發現，床層中的液相水通過孔隙通道向上排出的過程中將會與尾砂顆粒進行等體積交換。但實際中顆粒的沉積與流體流動之間的耦合是一個復雜的過程，力學作用下尾砂床層中孔隙通道的結構形態變化以及通道結構對流體流動影響的研究依然充滿了挑戰［70-71］。

實際生產中，絮團沉積至底部所形成的尾砂床層高度不斷增加，床層壓力從上到下逐漸遞增，絮團間隙不斷縮小，床層孔隙體積不斷降低。因此，隨著尾砂床層的高度增加，濃密機底部的尾砂料漿濃度較高。壓滲試驗表明，力學作用下的孔隙結構物理性質變化較為明顯［72］，尾砂床層孔隙、孔徑變化范圍較大，導致床層滲透系數在垂直方向上出現較大的差異性，致使壓密區尾砂料漿具有高度非均質性的多孔介質屬性。基于水力傳導率的特征，將床層中孔隙通道分為有效通道和無效通道兩大類［73］，床層中絮團水通過有效通道排出，無效通道單獨存在于床層中，無法有效地將床層中的水排出，不利于提高底流濃度。在床層不斷增高的過程中，沉積作用使排水通道的孔隙連通性及孔隙結構處于極不穩定狀態，通道的分散性隨床層高度的增加急劇增長，從而增加了流體運輸的曲折度，加大了流體的排出阻力［74］。絮團水在孔隙通道向上排出的過程中，伴隨通道結構的變化，致使部分通道中流體剪切力增加，當流體剪切力大于尾砂顆粒間的黏附力時，尾砂顆粒將會從排水通道內部脫離，流體帶動微細顆粒尾砂向上流動，最終在床層界面處形成火山口［75］。此外，床層的力學作用改變了尾砂顆粒間的接觸狀態，不僅使絮團的結構更加密實，堆積的尾砂顆粒還增加了床層中孔隙微觀結構的復雜程度，促使部分尾砂顆粒對有效通道產生封堵效應，相應增加了無效通道的數量。同時床層中細顆粒尾砂易將孔隙填充得更加密實，降低了床層的逆向滲透率［76-77］，表明尾砂顆粒級配對孔隙排水通道產生的影響也不容忽視。

濃密機底部的尾砂料漿受到床層重力作用的同時，還會受到耙架轉動引起的機械剪切力作用。耙架剪切不僅改變了壓密區絮團結構性質，還會影響床層孔隙結構性質以及排水通道類型［78］。在導水桿和耙架綜合剪切作用下，床層內的絮團結構將發生破裂，進一步改變了孔隙通道的結構狀態［79］。耙架轉動下尾砂床層中產生低引力區域，進而形成新的孔隙通道，逐步使絮團水得到釋放。因此耙架的轉速大小將直接影響濃密機底流質量分數，合理轉速范圍有利于尾砂床層內孔隙通道的形成，提高尾砂料漿底流濃度。目前國內學者主要對床層受剪切時排水通道的出現與湮滅進行了理論描述，同時考慮了耙架轉速等宏觀影響因素的作用規律［79］，而涉及壓密區床層排水通道的微觀結構分析較少，尤其是實際工程中耙架和導水桿的綜合剪切作用使孔隙通道的結構變化更為復雜，目前國內對此方面問題的研究處于起步階段，需進一步探究壓密區絮團水的排出規律以及孔隙通道結構的演化規律，以期為濃密環節的現場調控提供理論指導。

5 現存的問題與研究趨勢

5.1 現存的問題

縱觀國內外研究現狀，雖然在尾砂濃密領域針對顆粒絮凝、絮團結構變化、剪切排水等方面開展了大量的研究工作，取得了豐富的科研進展，但理論研究仍需進一步加強。以往研究將沉降區和壓密區單獨分離開，研究內容主要集中在宏觀試驗，并且多為室內靜態濃密試驗，對沉降區與壓密區同步開展研究的連續動態濃密試驗涉及較少。微細觀方面雖然進行了一定程度的研究，但不夠深入，如尾砂絮團水含量變化研究，沉降區到壓密區絮團結構整體變化的原位觀測研究，壓密區絮團結構變化對尾砂床層孔隙通道的影響研究，以及孔隙通道中流體的運動狀態研究等領域，均需要進一步開展更全面深入的分析。針對現場實際需求以及相應的研究進展狀況，目前還存在以下幾方面問題亟待解決：

（1）力學作用下對絮團結構效應認識不足。目前對尾砂絮團結構變化的研究主要集中于特定條件下的二維圖像分析領域，以沉降區絮團結構分析為主。但對整個濃密環節由沉降區到壓密區，由單一重力壓密到重力—剪切力耦合作用下的尾砂絮團原位結構觀測研究較少，同時尚未對力學作用下絮團三維結構變化機理進行分析。

（2）絮團結構效應下對絮團水含量變化認識不足。目前對濃密環節尾砂料漿中的水分分類認識不明晰。添加絮凝劑雖然解決了細尾砂難以快速沉降的問題，卻導致絮團水含量增加的負面效應，目前還未能開展使用化學添加劑后絮團水含量增加原因的研究，以及絮團水含量的定量分析研究，更未對外界宏觀條件作用下絮團水含量隨絮團結構變化問題進行相關分析。

（3）壓密區絮團結構效應下尾砂料漿微觀孔隙結構的演化機理不明晰。目前對壓密區力學作用下尾砂料漿排水問題的研究多集中在宏觀作用規律上，而力學作用下絮團結構效應對孔隙通道的微細觀影響分析較少。同時尚未開展絮團結構效應對孔隙通道形態的影響分析，也未對孔隙三維結構發展以及演化趨勢進行分析，更未見力學作用下尾砂顆粒級配以及尾砂顆粒間的接觸狀態對孔隙通道形態產生的影響以及孔隙通道形態變化影響流體運動狀態的研究。

5.2 研究趨勢

（1）在現有靜態沉降研究的基礎上，利用實驗室濃密機模型開展連續動態沉降試驗，結合原位監測技術，對絮團結構進行實時、動態、原位的監測與表征，從沉降區至壓密區進行一體化研究，揭示力學作用下絮團結構的發展演化規律。

（2）在現有絮團結構的二維研究基礎上，利用計算機斷層掃描技術與三維重構技術對尾砂絮團進行三維空間結構表征，研究絮團孔隙體積的變化規律以及不同試驗條件下絮團水含量隨絮團結構的演化規律，實現宏觀到微觀、定性到定量、二維到三維的拓展研究。

（3）在現有尾砂床層宏觀試驗研究的基礎上，開展壓密區床層排水通道的微觀觀測試驗，建立孔隙通道的三維立體結構模型，通過物理試驗與數值模擬相結合的方式，探究床層壓力與耙架剪切耦合作用下孔隙通道結構演化以及通道內流體運動狀態變化，研究尾砂床層內水的排出過程，為實現穩定高濃度底流排放提供理論指導。