随着我国经济社会的发展，国家、社会和公众对矿山开采所带来的环境影响日益重视，充填采矿法不仅可以消耗矿山选矿后产生的尾砂，而且可以消除井下采空区，兼具绿色和安全双重效益的优势，因而在矿业领域得到越来越广泛的应用（苑雪超，2010；吴爱祥等，2016；王洪江等，2017；吴爱祥等，2021）。搅拌桶作为一种在充填领域广泛使用的设备，现阶段的设计、研究主要集中于混凝土行业，对于超细尾砂的均质化搅拌尚未形成系统研究体系。虽然搅拌桶搅拌混合原理并不复杂且构造简单，但对于超细尾砂均质化搅拌的影响机理尚未进行系统研究。利用计算流体力学软件进行立式搅拌桶搅拌效果的研究，在一定程度上可将搅拌过程中的复杂现象通过数值模拟直观地呈现出来（李少卫，2019），尤其是搅拌中的流场域，从而通过流场变化来推断搅拌效果的优劣。通过不同流场域中表征的搅拌死点区域以及速度、湍动能等分布情况，可以有效评估搅拌效果的优劣（宋泽普等，2021）。针对尾砂愈发细化的趋势，超细尾砂的均质化搅拌成为充填领域的关键技术难题，本文基于立式搅拌桶对超细尾砂的均质化搅拌参数进行研究，实现充填料浆的快速均质化，有助于提高充填体强度、降低灰砂比并减小能耗。
随着充填采矿法的广泛应用，关于充填料浆的均质化搅拌研究呈增加趋势。现有研究主要从搅拌工艺（苑雪超，2010；王洪江等，2017）、搅拌设备参数（Ameur et al，2016；寇云鹏等，2021）和料浆流变特性（胡松涛等，2024；盛宇航等，2024）等方面，探讨了这些参数对充填料浆均质化搅拌的影响，丰富了充填料浆均质化的研究基础。然而，随着选矿技术的发展，尾砂逐渐趋于细化，而超细尾砂搅拌较难达到良好的搅拌效果，搅拌不足易引发料浆离析，过搅拌则导致功耗增加。因此，确定最佳搅拌参数对于超细尾砂搅拌显得尤为重要。
均质化的超细尾砂料浆泌水率较低且对管道的磨损较小，在料浆输送方面具有明显优势，然而超细尾砂料浆要达到均质化搅拌较为困难。鉴于此，本文旨在研究超细尾砂搅拌影响机理，使用模拟仿真方法进行搅拌参数优化，为实现超细尾砂均质化搅拌奠定理论基础。利用ANSYS 2021流体软件对超细尾砂充填系统实际搅拌过程中所使用的设备和物料进行模拟仿真分析，最终得到搅拌设备内流场的具体分布状态以及在实际试验中难以获得的搅拌参数指标，从而通过模拟来指导试验顺利进行。
1 FLUENT分析及计算步骤
1.1 FLUENT建立模型及划分网格
在SOLIDWORKS 2016中对搅拌装置的所有零件尺寸进行1∶1建模，零件组装成可被GEOMETRY识别的模型文件。在GEOMETRY中进行搅拌桶内部流场的抽取，即流体计算域。随后，将计算域进行划分，本文所研究的对象是多种搅拌装置，因此需要对每种装置分别进行网格划分，为保证网格质量对结果影响最小，对所有装置的相同区域使用同样的简化方法、划分方法和划分密度（图1）；对于不同的区域则需要保证最大的相似性。其中，每2个流体域在仿真过程中通过interior面来传递运动与能量。
对立式搅拌装置进行网格划分的实质就是利用有限个离散点来代替搅拌装置实际的连续空间。划分网格就是对计算区域离散化，将空间上连续的整个计算区域划分为许多个子区域，并确定每个子区域中的节点。网格划分形式将直接影响仿真过程中的计算精度和计算模型的准确性。合理选择网格数量、疏密度及单元形状是保证网格质量的关键。当流动方向与网格正交时，数值耗散最小，这一特性直接关系到网格的选择。为在保证质量的同时减少网格数量，在对流场区域进行网格划分时，采用以六面体结构网格为主、非结构网格为辅的策略。以搅拌叶片周围作为搅拌区域，有搅拌叶片区域及其他交界面作为内部的面interior，在求解器中将采用滑移面方法进行搅拌器模拟计算。最终得到所有搅拌装置的计算区域内网格节点数为38万左右，网格单元数为60万左右。
1.2 FLUENT求解器设置
（1）计算模型的选择。超细尾砂料浆流变特性与宾汉姆体相似，属于非牛顿流体（Yang et al，2019；Zhao et al， 2021）。根据宾汉姆体的流变特性和自身算力限制，选择黏度模型进行求解。求解黏度模型更适合采用旋转体的K-Omega模型。
（2）模拟物象的定义。本研究使用的超细尾砂中，粒径小于74 μm（-200目）的颗粒占比约为94%，粒径小于11.2 μm颗粒占比达50%，小于20 μm的颗粒含量约为65%。本次计算的内容为高浓度尾砂和胶凝剂的混合状态，考虑到计算难度和时间，将3种物料看作一稳定的液态物质，只考察物象的黏度和密度（Simon et al，2013；李翠平等，2020），不同灰砂比和质量浓度的材料参数定义见表1。
表1 物料流变参数Table 1 Material rheological parameters |
| 灰砂比 | 料浆质量浓度/% | 料浆容重/（N·m3） | 黏性系数η/（Pa·s） |
|---|---|---|---|
| 1∶4 | 58 | 15 510 | 0.55 |
| 54 | 14 911 | 0.40 | |
| 1∶6 | 58 | 15 427 | 0.47 |
| 54 | 14 840 | 0.36 |
（3）边界条件与求解方法。仿真计算旋转区域的运动模型采用多重参考系模型（MRF）（任腾等，2016；付石，2022）。该模型采用稳态近似，在各个区域上可以假定不同的旋转或移动速度，每个运动区域网格中使用运动参考系方程求解流动。求解方法采用压力—速度耦合，求解策略选用Phase Coupled SIMPLE，该算法属于一种称为投影法的通用方法。在投影法中，速度场质量守恒（连续性）的约束是通过求解压力（或压力修正）方程来实现的。压力方程由连续性方程和动量方程导出，使速度场经压力修正后满足连续性。由于控制方程是非线性的，并且彼此耦合，因此求解过程涉及迭代，即反复求解整个控制方程，直至解收敛。空间离散梯度选用基于节点的格林高斯方法（Green-Gauss Node-Based），其余选用一阶迎风求解。
2 搅拌装置优化模拟研究
2.1 搅拌装置参数优化模拟
由图2和图3可以看出，叶轮的形状和排列方式对其搅拌性能具有显著影响，不同叶轮所产生的物料速度分布存在明显差异。本次模拟选用了几种常见叶轮类型进行分析：六叶涡轮的叶片数量较多，在俯视图中几乎整个搅拌桶内均产生了大于3 m/s的速度分布；推进式三叶轮则在叶轮周边及其下方较大区域形成了高于3 m/s的速度区域；而桨式叶轮仅在其周边局部达到该速度范围。主视图进一步显示，六叶涡轮所产生速度大于5 m/s的区域范围最大。综合研究表明，在相同条件下，六叶涡轮能使搅拌桶内流体运动最为剧烈，且高速度区域分布最广，因此被选为最佳搅拌叶片，用于后续搅拌效果分析。其次模拟相同叶轮结构、相同安装位置，叶轮直径一般为搅拌桶直径的1/3~1/2，即为0.7~1.0 m，此次对直径分别为0.7 m、0.9 m和1.0 m的叶轮搅拌效果进行模拟研究，结果如图4和图5所示，由于侧视图与主视图速度分布相似，此处仅展示主视图和俯视图速度分布曲线。
2.2 同向双叶轮搅拌对料浆均质化的影响
开展不同搅拌参数对超细尾砂充填料浆均质化影响研究，由于模拟条件限制，本文仅对2种不同黏度的物料进行不同搅拌速度的搅拌效果研究，搅拌几何结构参数按照最优试验结果选取。为了研究同向双叶轮能否使得桶内上下料浆的均质化效果提高，从而改善搅拌效果，在距桶底1 m位置再安装一套与底部相同的叶轮，上下同步搅拌加速混合，并进行模拟研究分析。
图8 物料黏度为0.40 Pa·s时搅拌速度主视图（Y-Z平面）Fig. 8 Main view of stirring speed when the materials viscosity is 0.40 Pa·s（Y-Z plane） |
图9 物料黏度为0.40 Pa·s时0.35 m位置的搅拌速度俯视图Fig. 9 Top view of stirring speed at 0.35 m position when the materials viscosity is 0.40 Pa·s |
图10 物料黏度为0.40 Pa·s时1 m位置的搅拌速度俯视图Fig. 10 Top view of stirring speed at 1 m position when the materials viscosity is 0.40 Pa·s |
图11 物料黏度为0.55 Pa·s时搅拌速度主视图（Y-Z平面）Fig. 11 Main view of stirring speed when the materials viscosity is 0.55 Pa·s（Y-Z plane） |
图12 物料黏度为0.55 Pa·s时0.35 m位置搅拌速度俯视图Fig. 12 Top view of stirring speed at 0.35 m position when the materials viscosity is 0.55 Pa·s |
由主视图速度分析结果可知，对于相同黏度物料，在搅拌速度相同的情况下，搅拌0.2 s时，大于3 m/s的速度分布基本位于搅拌轴附近；搅拌0.6 s时，大于3 m/s的速度分布基本覆盖搅拌轴下部区域；搅拌1.0 s时，速度分布的区域基本不变。从0.35 m和1.00 m 高度处搅拌叶轮的俯视图可以看出，速度分布与主视图具有相同的规律，搅拌时间达到1.0 s时，速度分布区域基本稳定。说明延长搅拌时间，可以在一定程度上改善搅拌效果。
由主视图可以看出，对于同种黏度物料，在搅拌时间相同的情况下，当物料黏度为0.40 Pa·s时，搅拌速度为180 r/min，大于5 m/s的速度分布区域较多，同理在黏度为0.55 Pa·s物料中，俯视图具有相同速度分布规律。当黏度由0.40 Pa·s增大至0.55 Pa·s时，0.35 m位置0.6 s时的搅拌桶边缘的速度明显较低，说明黏度增大需要更大的搅拌速度，才能较好地提升搅拌效果。
由主视图可以看出，在搅拌速度相同、搅拌时间一致的情况下，黏度从0.40 Pa·s提高至0.55 Pa·s后，大于4 m/s的速度分布区域明显减小，且随着黏度增大，最大速度分布区域明显减小，说明黏度增大时通过增大搅拌速度可以提高均质化搅拌效果。俯视图具有相同的速度分布规律。由数值模拟结果可知，超细尾砂的黏性系数较大，单叶轮难以活化整个搅拌桶内部的充填料浆，双叶片能够使得更大区域达到活化搅拌效果，后续有待进行双叶轮反向、双叶轮不同转速的研究分析，使整个搅拌桶的充填料浆能够充分活化，达到均质化搅拌的效果。
3 超细尾砂充填料浆搅拌工业试验验证
3.1 半工业试验的充填材料及参数
此次试验验证中搅拌桶的参数均按前文数值模拟分析得到的参数进行设置，采用单叶轮形式搅拌，既能够在强度上满足矿山要求，又能够使得模拟与试验结果相互验证，尾砂选用某金矿的超细尾砂。
半工业试验采用灰砂比为1∶6的超细颗粒尾砂，当料浆质量浓度为68%时，塌落度为25 cm，需采用泵送压力实现管道输送；当料浆质量浓度为64%以下时，塌落度超过28 cm，料浆流动性好，可实现管道自流输送；当料浆质量浓度为60%以上时，料浆的可塑性强，保持水分的能力较强，泌水现象较少，有助于减少分层和分离，从而提高输送效率。
由室内充填强度配比试验可知，在灰砂比为1∶6，质量浓度为59%~63%的条件下，充填体的3 d强度为0.64~1.20 MPa。当料浆质量浓度为61%和63%，灰砂比为1∶6时，充填体强度符合3 d强度大于等于1 MPa的要求（图14）。
通过塌落度试验和强度配比试验研究可知，本次工业试验中，当充填料浆浓度大于等于60%，灰砂比为1∶4~1∶6时，符合井下充填体3 d强度大于1 MPa的要求。
3.2 工业试验
本次工业试验过程（周家祥等，2013；杨仕教等，2015；吴爱祥等，2019）如下：待放砂稳定后，进行充填料浆搅拌效果强度配比试验并测定其强度，同时分3个方向相互验证。取底流充填料浆和立式搅拌桶充填料浆制作试样，同时取井下岩心共3批试块分别测定强度，强度测试方案（曹士凯等，2020；陈作炳等，2022）采用灰砂比为1∶6、料浆质量浓度为60%的方案。在立式搅拌桶和底流分别取样充填料浆制作试样，并在井下岩心取样共3批试块进行强度测试，每批次取9个试块进行强度统计。井下试验充填料浆凝固情况及充填岩心样品如图15所示，红色虚线框选显示井下充填面较为平整、无明显隆起且自流性较好，井下岩心样品的表面和侧面无较大气泡和空隙出现。
由图16可以看出，井下充填体制作的试块3 d强度均大于1 MPa，搅拌桶底流制作的试块3 d强度有2个试块不符合要求，其余7个试样均达到设计标准1 MPa。浓密机底流取样制作的试块强度最高，均达到强度设计标准。由此可知，对搅拌机进行等比例放大后，充填料浆整体的均质化搅拌效果没有小型搅拌机好。因此，在进行数值模拟设计时应提高搅拌效果，使得工业试验具有一定容错。
综上可知，该搅拌桶基本实现了超细尾砂充填料浆的均质化搅拌，井下充填取样试块以及质量浓度为60%、灰砂比为1∶6的超细颗粒尾砂充填体的3 d强度均大于1 MPa，满足矿山井下充填体强度要求。该文讨论的参数均建立在Φ2 m×2 m搅拌桶尺寸上，其他形式搅拌叶轮并未研究，且叶轮直径和安装高度仍有中间值未作研究分析。初步判断在粒径分布相近的情况下，对比其他参数搅拌桶，能够实现更优的均质化搅拌效果。
4 结论
通过均质化搅拌的SolidWorks建模、数值模拟研究和工业试验，考察了搅拌设备的搅拌参数对搅拌效果的影响，得出以下主要结论：
（1）通过单变量控制试验对搅拌参数进行优化，结果表明，当叶轮类型为六叶涡轮，叶轮直径取0.9 m，安装高度为0.35 m时，搅拌桶内流体运动最为剧烈，高速度作用区域广，可实现整体均质化搅拌，综合效果最佳。
（2）当物料黏度增大时，搅拌桶内速度分布区域会明显减小，说明增大搅拌速度可以改善搅拌效果，同时根据不同时间点的搅拌速度云图可知延长搅拌时间可以提高均质化搅拌效果，且黏度增大导致搅拌桶内速度较大的分布范围减小。
（3）参照数值模拟中的搅拌桶参数，选择某金矿的超细尾砂进行工业试验，井下取样试块均可以达到矿山充填强度要求，充填体3 d强度大于1 MPa。
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