超声调控胶结膏体充填的过程强化：衰减机制、阵列优化及其对管道安全输送的启示

《Process Safety and Environmental Protection》：Process intensification of cemented paste backfill via ultrasonic conditioning: attenuation mechanisms, array optimization, and implications for safe pipeline transport

　　

摘要

理解超声波在高浓度、多分散尾矿浆中的传播与衰减行为，是其在清洁采矿中实现节能应用的基础。在胶结尾砂充填体（CPB）制备过程中，在添加胶凝材料之前使用超声波处理高浓度尾矿浆是一种可行的工艺方法。然而，该技术的实际应用需要充分了解超声波在浆料中的传播行为。本研究将基于Urick（1948）理论的衰减模型、COMSOL数值模拟以及水听器实验数据相结合，研究了频率、固相浓度、粒径和换能器布置方式对超声波传播的影响。实验所用浆料仅由尾矿和水组成。结果表明，在20 kHz频率下，实测衰减随固相浓度升高而增大，且细颗粒引起的衰减更为显著。在固相体积分数为40%时，超声波在该测量环境中的有效传播距离约为15 cm。对20 kHz频率下16个换能器的模拟分析表明，交错布置方式产生的局部最大声压为2680 Pa，而平行布置方式仅产生1310 Pa。研究结果描述了未胶结尾矿浆中超声波的传播与衰减特性，为后续处理试验条件选择提供了依据。将其应用于含胶凝材料的CPB需另行验证。

引言

全球对矿物资源的需求日益增长，采矿规模持续扩大。在此过程中产生了大量尾矿，给采矿行业带来了严峻的环境挑战（Abbadi和Mucsi，2024；Sugiyama等，2025）。尾矿是矿物加工过程中产生的固体废物，通常以细粒浆料的形式排放到尾矿库中储存（Adewuyi等，2024）。据统计数据，全球尾矿排放量已超过每年100亿吨，且仍在持续增长（Du等，2014；Hassan等，2024；Hudson-Edwards等，2024；Ruiz-Sánchez等，2023）。尾矿库不仅占用大量土地资源，还存在重大安全隐患，如坝体溃决和渗漏。一旦发生事故，将对下游生态环境、水安全和居民生命财产安全造成灾难性后果（Hudson-Edwards等，2024；Ling等，2025；Shi等，2023）。此外，尾矿中残留的重金属和选矿药剂等有害物质，在长期储存过程中可能通过地表径流或地下水渗漏进入周围生态系统，从而引发土壤污染、水体富营养化和生物毒性累积等一系列环境问题（Dong等，2024；Du等，2024；Su等，2024）。因此，实现尾矿的安全处置和资源回收已成为矿业实现清洁生产和可持续发展的关键问题。

近年来，国内外众多学者对尾矿的资源化利用进行了广泛研究。尾矿已被应用于矿山采空区充填、建筑材料生产和土壤改良等多个领域（Behera等，2021；Hou等，2024；Lazorenko等，2021）。其中，胶结尾砂充填（CPB）技术被公认为最有效的环保固废处置方法之一（Gao等，2023；Qi和Fourie，2019）。其他尾矿管理方法，如过滤、过滤尾砂干堆以及尾矿与废石联合处置等，也可减少对传统浆体堆存库的依赖。过滤后干堆可以提高水的回收率并减少大量存水带来的风险。然而，该方法需要额外的脱水、运输、铺展和压实作业，且暴露的过滤尾砂仍可能面临扬尘、侵蚀和硫化物氧化的问题，后者可能导致酸性矿山排水（Cacciuttolo Vargas和Pérez Campomanes，2022；Furnell等，2022；Sako和Pabst，2023a）。尾矿与废石的联合处置可以提高矿山废渣堆体的岩土性能，但其效果强烈依赖于两种材料的性质和混合比例，而反应性废渣仍可能存在氧化和污染物释放的风险（Sako和Pabst，2023b；Wickland等，2006）。相比之下，CPB技术将大量尾矿直接掺入地下采空区，同时提供结构支撑。该技术将尾矿、胶凝材料和水混合形成高浓度浆料，然后通过管道输送并回填到地下采空区（Tian和Fall，2021；Yang等，2024）。通过将尾矿从地表储存负担转化为地下空间的建设材料，CPB大幅降低了溃坝风险，限制了污染物的潜在迁移，并消除了尾矿库长期占用土地的问题（Hu等，2025）。它有助于控制深部采矿过程中的地压，减少地表沉陷，并促进矿山固体废弃物的规模化原位资源化利用，从而显著推进矿山清洁生产进程（B. Wang等，2024a；Wang等，2024b）。近期多项研究探讨了CPB材料在不同养护和加载条件下的力学行为和长期稳定性，为理解充填体结构性能提供了有价值的见解（Chen等，2026；Hou等，2025；Z. Wang等，2025a；Wang等，2025b）。在硬化阶段，这些宏观性能源于胶凝材料的化学反应和养护过程中形成的微观结构。源自废弃物的胶凝体系研究表明，协同激发作用和钙的可用性主导了水化产物的形成、基质发展和强度发展（Pang等，2026a；Pang等，2026c）。相关研究通过结合浸出试验与微观结构表征评估了污染物的固定化效果（Pang等，2026b），并通过压缩试验、声发射监测和界面分析研究了损伤演化（Pang等，2026d）。在硬化之前，制备和管道运输过程中浆料的均匀性和流变状态也会影响CPB的最终性能。在尾矿浆制备和运输等关键工艺阶段，有效调控浆料的物理力学性能对于实现高质量充填至关重要。在CPB制备过程中，添加胶凝材料之前的尾矿-水混合物即为尾矿浆。本研究重点考察该阶段的超声波传播与衰减特性。因此，研究结果旨在为在引入胶凝材料之前选择超声波频率和换能器配置方案提供物理依据。然而，这些结果对含胶凝材料CPB的流变特性、管道运输以及硬化充填体性能是否具有适用性，仍需进一步验证。

超声技术因其非接触性、高穿透性和无二次污染的清洁操作特点，在多相流体处理领域展现出巨大潜力。这些优势使超声波在流体检测、沉降调控、流变改性以及过程强化等多个领域具有广阔的应用前景（He等，2025；Li等，2024；Manickam等，2023；Prozorov等，2004；Ren等，2020；Sahinkaya，2015；A. Wang等，2024a；Wang等，2024b；Xiang等，2024）。超声技术已被广泛应用于采矿、食品加工和制药等行业，应用范围十分广泛（Han等，2024；Chu等，2023；Coghill等，2002；Taha等，2024；Juliano等，2013；Pangu和Feke，2009；Du等，2014）。已有研究探讨了超声波在处理尾矿浆和类似矿浆中的诸多有益效果（C. Chen等，2024a；Chen等，2024b；Liao等，2023；Mierez等，2024；Shi等，2024；Zhai等，2025；Zhu等，2020；Zhu等，2026；Feng，2013）。例如，Zhu等（2020）利用超声波在介质中产生的空化和机械振动效应，有效破坏了过度缠结的聚合絮凝剂链，并释放出絮团内部包裹的水，从而显著改善了颗粒间的微观紧密结构，大幅提高了全尾矿浆的最终底流浓度。Liao等（2023）报道超声预处理削弱了黄铁矿与绿泥石之间的异相聚集，表面改性改善了捕收剂吸附并增强了浮选分离效果。Zhai等（2025）利用超声波在碱性浆料中产生的强空化微射流和声学剪切力，有效打散了赤泥颗粒的团聚结构并克服了气、液、固三相之间的传质阻力，从而显著加速了二氧化碳矿化反应过程并增强了类矿浆介质中的碳封存潜力。

虽然已有研究证明了超声对尾矿浆浓缩和絮凝的有益效果，但尚未有系统量化不同频率、浓度和粒径条件下传播与衰减机制并据此制定阵列设计准则的报道。现有应用研究通常假设声波在浆料介质中均匀传播，忽视了复杂介质空间特性导致的声学能量严重衰减问题。作为典型的高浓度、多分散固液两相介质，尾矿浆内部极为复杂的物理环境对超声传播构成显著障碍（Liu等，2025；Zou等，2024）。当超声波传播经过尾矿浆等非均匀介质时，声能因黏性摩擦、热传导效应和颗粒散射而严重衰减（Xiong等，2023；Yang等，2026；Zhang等，2024）。目前，大多数现有研究侧重于超声引起的宏观物理或化学效应，而对超声在该特定介质——尾矿浆中基本传播规律和衰减特性的系统研究仍显不足（Y. Chen等，2024a；Chen等，2024b；Hossein等，2022；J. Wang等，2025a；Wang等，2025b；Yin等，2025）。如果不精确了解不同频率、尾矿浓度和粒径条件下超声波的衰减机制和声场分布特性，就无法在工程实践中科学配置换能器阵列和优化频率。这对超声技术在尾矿资源回收领域的工业化规模应用构成了重大制约。因此，系统地阐明和量化这些基本传播与衰减机制，是克服超声技术工业放大过程中高能耗和低效率瓶颈的唯一途径。

针对这一问题，我们结合理论分析、数值模拟和物理测量，研究了未胶结尾矿浆中超声波的传播与衰减行为。本工作的创新之处在于以下三个方面：（1）基于Urick（1948）理论建立了多分散尾矿浆声学衰减模型，明确将粒径分布纳入关键变量，实现了对不同浆料条件下声学衰减的定量计算和对比评价。（2）数值对比了平行和交错两种换能器布置方式，考察了阵列几何形状对空间声压分布和局部峰值声压的影响。（3）构建了频率-浓度-粒径匹配图，作为工程决策工具，使工艺工程师能够根据具体浆料特性选择最优超声参数，从而为CPB制备过程中提高超声能利用效率提供潜在策略。上述目标通过理论建模、有限元模拟和基于水听器的实验测量相结合来实现，研究结果预期将为超声强化过程中的频率优化和阵列配置提供科学支撑。

章节摘要

尾矿浆中超声衰减的理论建模

超声波在尾矿浆中的传播伴随着显著的能量耗散，宏观上表现为声压和声强随传播距离的持续衰减。对于沿单一方向传播的平面波，声压p和声强I可分别表示为公式(1)和(2)：

p = p?e^(-αx)
I = I?e^(-2αx)

其中p?为初始声压（Pa），I?为初始声强（W/m2），α为衰减系数。

声压分布特征

利用COMSOL Multiphysics软件，对固相体积浓度40%、粒径10 μm的尾矿浆中超声波在10 kHz、20 kHz、28 kHz和100 kHz四个频率下的声压分布进行了模拟。

结果如图 7 所示。随着频率的增加，尾矿浆内的声压振幅逐渐增大。在频率为 10 kHz 时，最大声压为 975 Pa。当频率升至 20 kHz 时，

**结论**
基于理论分析、数值模拟和物理实验，得出以下主要结论：
(1) 频率对声场分布的影响。随着超声波频率从 10 kHz 增加到 100 kHz，尾矿浆中的峰值声压从 975 Pa 上升到 31100 Pa。低频超声（20 kHz）提供了更广泛的空间覆盖，而高频超声（>28 kHz）表现出更强的指向性和更高的局部能量密度，适用于

**局限性与未来工作**
本研究存在若干局限性。实验使用了无粘结剂尾矿水浆，而数值模型采用了理想化的、与浓度无关的材料属性。本研究未包括正式的网格无关性分析、系统的求解器收敛性评估、频率分辨的水听器校准、背景噪声表征或不确定性传播分析。换能器阵列的比较基于数值模拟，以及

**CRediT 作者贡献声明**
Zhengbin Li：写作 – 审阅与编辑，可视化，调查。
Kun Wang：写作 – 审阅与编辑，可视化，形式分析，数据整理。
Shenghua Yin：写作 – 审阅与编辑，监督，概念化。
Wensheng Lyu：写作 – 审阅与编辑，概念化。
Yucheng Jin：写作 – 原始草稿，验证，调查，概念化。
Liyi Zhu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，验证，软件，资源，方法论，资金。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本项目由以下资助支持：中国“深地探测与矿产资源勘查”国家科技重大专项（2025ZD1010905），中国博士后创新人才支持计划（BX20240036），中国博士后科学基金（2025M771817），北京科技大学青年教师国际交流与发展计划（QNXM20250044）。

Liyi Zhu|Yucheng Jin|Zhikai Wang|Peng Yang|Kun Wang|Zhengbin Li|Wensheng Lyu|Shenghua Yin