膏体堆存技术是国家绿色矿山建设的重要支撑。作为保障膏体堆存质量的新兴技术,管道絮凝技术是针对经过浓密环节后未能达到堆存标准的尾砂浆,在堆存排放口附近的管道内,使其与新型絮凝剂混合,在水力剪切破坏和混合作用下,优化絮体内部结构,改善浆体脱水能力;在尾矿浆排放后,结合重力沉积作用实现快速脱水,显著提高质量浓度、流变参数和早期沉积坡度等尾砂高浓度排放性能,从而保证堆存质量的复杂动态过程。现阶段,针对尾砂管道絮凝过程及其高浓度排放性能(即质量浓度、流变参数和早期沉积坡度)及其相互关系尚缺乏系统性研究,传统的单一絮凝理论表现出较差的适用性。尾砂高浓度排放性能是其内部絮体行为的外在表现,絮体行为是尾砂高浓度排放性能的内在原因。因此,开展尾砂管道絮凝行为演化及其高浓度排放性能研究具有重要意义。本文将管道絮凝过程分为三个阶段:初次絮体破坏阶段、二次絮体再生阶段和尾砂沉积脱水阶段。以絮凝剂筛选及两步骤絮凝条件优化为切入点,借助宏观实验、微细观实验和理论分析等手段,围绕管道絮凝过程中絮体行为演化及其高浓度排放性能开展研究。首先考察管道絮凝不同阶段的剪切作用对尾砂高浓度排放性能的影响,获得了剪切作用的最优范围;然后分别探究了初次絮体破坏阶段和二次絮体再生阶段的絮体行为模式,阐释了尾砂高浓度排放性能变化的内在原因;最后提出了剪切比例系数的概念,构建了尾砂高浓度排放性能的理论预测模型,实现了对管道絮凝过程的有效分析。完成的主要研究工作包括:(1)完成了絮凝剂筛选和两步骤絮凝实验条件优化。通过单一絮凝实验、组合絮凝实验,为加拿大某铁矿山细尾砂筛选出了两步骤絮凝实验的最优絮凝剂组合类型:阴离子絮凝剂923VHM+阳离子絮凝剂4800SSH;采用Box-Behnken方法进行5因素3水平响应曲面实验,设计了 46组两步骤絮凝条件优化实验,建立了底流浓度多元二次回归模型;借助响应曲面法分析了不同因素的交互作用对底流浓度的影响,最终获得最优实验参数。(2)考察了尾砂高浓度排放性能随管道絮凝不同阶段剪切作用的变化规律。采用自制小型管道絮凝实验装置,对该过程进行物理模拟,以速度梯度和停留时间的乘积值作为剪切作用指标,分别探讨了高浓度尾砂质量浓度、流变参数和早期沉积坡度随初次絮体破坏阶段和二次絮体再生阶段的剪切作用指标的变化规律,获得了最优的剪切作用范围。(3)分析了剪切作用下初次絮体细微观特性及絮体破坏行为的内在原因。考察了初次絮体破坏阶段的剪切作用对初次絮体平均粒径、絮体强度因子、微观结构和浆体Zeta电位的影响,对初次絮体破坏行为及其内在原因进行了分析:剪切破坏作用引发絮体结构断裂和表面剥离,产生尺寸分布合理的破碎絮体,同时扰动颗粒扩散层,降低破碎絮体间排斥作用,使絮凝浆体处于不稳定状态,为二次絮体再生提供最佳条件。(4)研究了剪切作用下二次絮体细微观特性及絮体再生行为的内在原因。探讨了二次絮体再生阶段的剪切作用对二次絮体平均粒径、絮体再生因子、微观结构和浆体Zeta电位的影响,发现了絮体能够实现完全恢复的现象。分析了二次絮体再生行为及其内在原因:剪切作用提高絮体与二次絮凝剂的碰撞几率,借助电中和与颗粒扩散层的扰动作用,形成致密二次絮网结构,是尾砂高浓度排放性能提高的根本原因。综合考虑管道絮凝过程絮体破坏-再生行为,提出了管道絮凝剪切破坏-促凝协同作用假说。(5)提出了尾砂高浓度排放性能理论预测模型。通过构建剪切破坏-促凝作用速度梯度和停留时间与絮体结构分解-聚集速率系数之间的关系,首次提出了剪切比例系数的概念。借助剪切比例系数与絮体结构参数之间的关系,建立了极限浓度预测模型;结合絮凝动力学方程,建立了屈服应力预测模型;借助非牛顿流体塑形粘度模型,推导出了塑形粘度预测模型;借助流体雷诺数与矿浆流变特性的关系,推导出了尾砂早期沉积坡度预测模型。确定了剪切比例系数的关键节点,对尾砂高浓度排放性能随剪切比例系数的变化规律进行分析,阐释了上述模型的合理性。(6)以美国铝业某尾砂堆存项目为工程背景,针对其细粒级尾矿产量大和脱水困难的实际情况,选择尾矿库内某试验区,设计了管道絮凝工艺流程。应用前文的理论预测模型,对高浓度尾砂流变参数和早期沉积坡度进行了分析。通过对比两个添加点获得的预测值,确定了合理的二次絮凝剂添加位置。试验区实际应用情况表明:理论模型预测准确,管道絮凝方案能够显著提高尾砂高浓度排放性能,为系统性解决难脱水尾矿合理处置的难题提供了实践基础。