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摘要：选煤技术跳汰理论的研究也已经有140多年的历史，但是有些问题仍没有系统的解决，尽管一个假说从各个不同侧面触及到了跳汰理论的核心。但是跳汰理论是选煤技术中十分复杂的一门学科，本篇文章要利用最新的选煤技术，在总结长期生产实践的基础上，对选煤技术进行系统的分析研究。
1 前 言
从1830～1840年在德国哈兹矿区出现了机械的活塞跳汰机，1892年发明了无活塞跳汰机算起，跳汰机作为一种机械应用于选矿已有100多年的历史。1851年法国的倍尔罗利特发表“对矿物机械加工的研究、确立现用操作制度和可能操作制度的理论试验”，它从个别颗粒的运动动力学角度探讨了跳汰分选原理。
从这篇论文算起，跳汰理论的研究也已经有140多年的历史，但有些问题仍未真正解决，尽管一些假说从各个不同侧面已经触及到问题的核心部分，但是始终未能揭开跳汰机理的实质。究其原因是，流体力学是一门非常复杂的科学，流体对固体的作用就更为复杂，很难甚至不可能用精确的数学表达式描述，只能通过大量实验用经验方程描述;至今为止的各种假说都解释不了宽级别或不分级入选的现象。回顾跳汰理论发展的历史，不难看出，基本上是逐步增大“等沉比”的过程。
跳汰理论已经远远落后于生产实践，在长期的生产实践中人们已经对跳汰分层的现象取得了一些共识，正是这些共识使跳汰技术得到了发展。这些共识可以归纳为以下几点：①跳汰分层基本上是按密度分层，同时也受粒度的影响。分层后，相同粒度密度大的物料分布层位相对靠下，相同密度粒度大的物料分布层位也相对靠下。②跳汰过程离不开床层，床层是矿粒按密度分层的介质。③跳汰过程是周期性脉动过程，以保证一定的松散度范围，松散度上限过大或过小，对矿物按密度分层都不利。
人们经过长期实践得到这些共识的同时，跳汰机也从活塞式机械脉动发展为空气脉动，进而从周期性运动机械风阀发展成为数控气动风阀跳汰机，直到复振跳汰机。使用的脉动风源风压越来越大，其结果是水流初加速度增大。
2 准重液假说
从以上前两点可以得出：跳汰床层很像密度分布不均但基本是上低下高、入口高出口低的流动的重液，不同密度的矿粒可以滞留在与其密度相近的层位上，如果密度有差别，它就会上浮或下沉，直到与其密度相近的层位为止。
众所周知，固体在液体或气体中受到的浮力等于流体对固体的静压力在垂直方向的合力，跳汰分层是在水中进行的，水在静止状态下是不可能把密度大于水的矿粒浮起，因为矿粒在静态的水中所得到的浮力远比矿粒的重力小。因此我们有理由说，矿粒在脉动的跳汰床层和水流的共同作用下获得了一附加浮力，致使矿粒在跳汰床层中得以按密度分层。如果我们能在跳汰过程中找到引起这种附加浮力的原因，跳汰分层机理问题也就迎刃而解了。
2.1 假说模型基础
让我们来看一简单的逆止阀，如图1所示，下部管体内有一小球，从下端的圆管供水，当水压达到一定值时，水从上部流出，小球悬起，增大水压，小球悬起高度也增加，供水管水流速度加快，小球与壁间的间隙水的流速也增加。
小球悬起至锥体前，壁与球体之间空隙很小，这时球体可以看成一个活塞，水流的动压几乎全部转换成静压。在这里流体的能量向压能的转换受周边缝隙的影响，缝隙为零时转化率为100%，小球悬起至锥体底部有一定缝隙时，水的能量部分转换为静压，小球悬起至锥体上部时缝隙很大转化率接近于零，转换率是缝隙的单调递减函数，当流体流过球体时，球体受流体静态浮力和静压形成的浮力，除此之外，还受间隙流动阻力的影响。即
G=F+f+S
式中 G——矿粒重力;
F——静态浮力;
f——附加浮力;
S——流动阻力。
当缝隙足够大时固体所受的附加浮力f消失，这时球体在液体和气体中表现为自由沉降;当缝隙足够小时S项消失，固体的重量全部由静压支撑，固体浮于固、液或固、气界面。这是两种特殊情况，更多的情况是介于两者之间的运动，即所谓干涉沉降。
前苏联学者明滋在用石英砂和砾石作了大量试验的基础上，经过数学推导，曾经得出“颗粒在间隙流速小于自由沉降末速的情况下即可浮起来，而且粒群容积浓度越大，所需的间隙流速越小”的结论。
2.2 跳汰假说
上述模型说明，固体颗粒在这种情况下可获得一附加浮力，即：其周围有其它物体存在，且共同阻碍流体流动，使流体运动发生突变时，它的相对流动阻力的大小与颗粒之间的间隙大小有关。在跳汰分选过程中，人们用矿物群的松散度表示缝隙率，由于在整个跳汰过程中物料的松散度都较低，所以分层过程主要是流体静压的作用，同时也受流动阻力的影响。
当流体流过矿粒时，在矿粒周围形成了附加的压力梯度，就像密度分层变化的重液作用于矿粒，所以矿粒所受的浮力增大了。根据作用与反作用原理，可以假定矿粒对周边流体的作用相当于增大了流体的密度。当矿粒被托起时，流体的密度等于它给矿粒的浮力与矿粒的体积之比，即：δ=(G-S)/V。
它低于矿粒的密度，因为流体流动阻力抵消了部分重力，我们将矿粒连同周边的流体视为重液，为了区分，称为准重液，其密度称为准重液密度。当筛下水流将物料托起时，矿粒就按准重液密度分层。假若没有流动阻力的影响，那么矿粒就应该严格地按密度分层，粒度和形状对运动没有影响。
准重液的密度是矿粒密度和流动阻力的函数，而流体对矿粒的流动阻力是与介质密度ρ、粒度d的平方、流速u的平方成正比，矿粒的体积与粒度的三次方成正比，因此准重液密度又可表示为：
δ=δ0-f(ρ，u2/d)
在跳汰床层内，u与松散度成正比关系。所以松散度越大越不利于按密度分层，粒度越小相对附加浮力越小，所以相对位置越靠上。但是随着松散度减小这一差别也减小，粒度大小的影响是不可消除的，因为它的决定因素是松散度。
流体总是从压力高处向压力低处流动，流体内压力的这种扩散作用致使其内部压力分布具有连续性，即不会在某一点处压力很高，而在相距很近的某点压力突然消失。所以在脉动水流作用下堆积的固体颗粒，最终平衡结果是密度和粒度相近的聚积在统一等压力层位内。
跳汰床层就是经多次脉动水流作用，颗粒与水流之间已经基本相对平衡的固液两相流动体。
当新的物料给入时，它们在脉动水流的作用下，移向各自平衡的层位，实现按密度分层，同时对床层进行补充并推动床层向排料端移动，这就是跳汰的实质。
2.3 跳汰机床层内压力分布
压力总是向压力减小的方向传递，但是跳汰床层中的压力也不可能像流体那样，在水平各个方向都绝对相同。因为它只是暂时的、周期性的具有流体重液的性能，压力的传递也是间歇的、周期性地进行。在这种情况下，它的压力线不可能是平直的，只能保证某一点压力不会突变，它的压力线是连续但不平滑的曲线。由于入料和排料造成的物料堆积不平，在跳汰过程中只能减缓不能消除。在入料口附近，矿粒还没分层，它们的平均准重液密度较上层大，因而形成一入料区，使下层已分层物料形成凹坑。跳汰机内压力分布基本上是从下到上、从入料到出料端压力逐渐减小的扇形分布。
3 跳汰过程的主要矛盾
3.1 按密度分层与松散度的矛盾
根据以上假说，松散度越小越利于按密度分层，而松散是颗粒分层换位的必要条件，因此，如何控制松散度，使矿粒尽可能按密度分层是跳汰过程要解决的主要矛盾。
3.2 整体托起的松散形式与数控风阀
要求物料按密度分层，颗粒间的松散度就要尽可能小，又要使其能换位，__办法就是在粒群周围和下部形成空间，使要相对位移的颗粒能挤开别的颗粒而移动，松散时，重颗粒下沉，轻颗粒上浮，可推断在床层内某些区域的松散度比自然堆积时还要小。也就是需要整起散落的床层松散形式。要实现整起散落，就需要较高的水流初加速度、较高压力的脉动空气和更高速度的开关风阀，即气动数控风阀。
3.3 高初加速度与松散度的矛盾
高初加速度意味有较高的初始水压头，长时间作用就会造成松散度过大，从而破坏按密度分层的目的，作用时间短又会影响分层速度，所以初加速度受到限制。但是，没有较高的初加速度，底部床层就不能整体托起。解决这种矛盾的方法，一般是用较短的进气期，较长的膨胀期。但靠空气自然膨胀延长分层的时间是有限的。最好的方法是在初期提供较高的压力，一旦床层克服了静摩擦被托起，立即减小压力以长期维持一定的松散度。
3.4 宽级别或不分级入选
从堆积的角度看，宽级别或不分级孔隙可以互补，堆积孔隙比窄级别小，所以按密度分层的效果要好一些。窄粒级范围并非单一粒级和形状，粒度和形状的影响要比该粒级混入宽级别入选时大。由于解离的作用，一般情况下，同密度小粒级的灰分比大粒级的低，所以小粒级的分选密度要高一点，这正好与跳汰分层吻合。因此多数情况下，宽级别或不分级入选也能取得较好的效果。
4 复振跳汰的实质
根据3.3的要求，方法之一可用两种不同风压不同脉动频率的风源实现，这就是复振跳汰，复振跳汰的实质是满足跳汰分层过程中各段时期不同压力要求，最大限度地延长分层相对时间。
4.1 复振跳汰机的分层效果好、处理量增大
复振跳汰松散度峰值较普通跳汰小，所以倾向于按密度分层。而且，由于松散时间延长，提高了床层，尤其是底层的水平移动速度，所以分层效果好，同时处理量也比普通跳汰机大。
4.2 复振跳汰机节风、节水机理
复振跳汰最大限度地减少间隙流，让水在床层下托起床层向前移动，从而提高按密度分层的精度，所以相对于普通跳汰机，底水穿透床层变为溢流的量要少许多。同时复振跳汰机相对进气期较长，底水补给量相对较小，而水是靠空气膨胀从空气室压出的，膨胀后空气被排出，所以节水的同时也节省用风。
5 结 语
本文只是选煤技术跳汰分层准重液机理进行了点系统的分析，许多选煤技术问题还需要长时间的验证，许多问题需要进一步的探讨。但是对于选煤技术跳汰分层准重液机，本文有着一定的指导性。
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