張 磊，呂力行，吳昌雄

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明650093）

在解決礦山采空區(qū)以及礦山地壓問題上常用“封、崩、撐、充”等四種方法，其中以充填采空區(qū)來解決礦山地壓是四種方法中最為可靠的一種。很多礦山用細(xì)顆粒的尾砂作為充填料［1－2］，一是可以解決充填料不足的問題，二是可以減少尾礦庫的建設(shè)和維護費用、占地面積以及民事糾紛。然而，全尾砂充填礦山因充填料的粒度細(xì)，保水性好，滲透性差，脫水問題顯得突出［3］。

某礦尾砂顆粒過細(xì)，并出現(xiàn)嚴(yán)重的泥化現(xiàn)象，尾砂漿自然沉降達(dá)到所要求的濃度需要的時間長、沉降濃度低，難以組織尾砂沉降循環(huán)作業(yè)。尾砂充填體上方形成的細(xì)泥隔水層上方有大量的水，可以通過鉆孔溢流等措施脫出，然而待充填體上部的澄清水排出后，充填體內(nèi)部的水僅僅靠充填井滲流脫水是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且充填井容易被細(xì)顆粒尾砂堵塞，如果不采取任何措施，充填體脫水速度非常慢，影響充填體的質(zhì)量和充填的效率。為此，本文著重研究充填體內(nèi)部如何快速脫水。

1 全尾砂充填脫水機理及理論研究

1．1 充填體的含水性［4－5］

充填體是松散體的一種，尾砂顆粒本身又含有電荷，因此其含水情況比較復(fù)雜，可以概括為吸著水、薄膜水、自由水等。

1）由于顆粒表面有電荷，要吸著周圍的水，吸著水牢固地凝固在尾砂顆粒周圍，與尾砂顆粒形成一體。據(jù)資料，吸著水在105℃以上的烘烤才可以蒸發(fā)掉，這種水稱為吸著水。吸著水外面又有一層水分子受尾砂顆粒表面電荷吸引而吸附在尾砂顆粒的周圍，其不能自由移動，又稱為弱束縛水。有資料表明，一般固體顆粒的分子水膜厚度為10－6～10－4mm。因為吸著水與弱束縛水沒有充填顆粒間的全部孔隙，所以它們不能傳遞靜水壓力。

2）自由水是存在尾砂顆粒周圍電荷引力范圍外的水，這部分水存在于充填料固體顆粒中的較大孔隙內(nèi)，具有水的一般特性，能在充填顆粒間自由流動，在重力的作用下向下流動，因此又稱重力水。在細(xì)顆粒充填體中，顆粒的孔隙較小，這部分孔隙含有的水體表面受到表面張力的作用，這種水稱為毛細(xì)水。毛細(xì)水隨著水頭表面的高低而浮動。

吸著水與弱束縛水束縛在尾砂顆粒的表面上，而顆粒間的表面束縛水通過范德華力使兩顆粒相互吸引，這種吸引力使得顆粒相互聚集，并形成一定的強度，這種水只有在烘干到105℃時才會脫出束縛水，因此這兩種水不是脫水的對象。至于毛細(xì)水，它不是存在于水體的內(nèi)部，只是存在于水體表面以上的孔隙中，距水體有一定的距離，隨著水體的消失而消失，因此毛細(xì)水也不是脫水的對象。所以尾砂充填體脫水的對象是自由水，尾砂脫水的速度由充填體本身性質(zhì)決定。

1．2 充填體滲透脫水的速度［6－8］

充填料的滲透性能的好壞，表征著水從固體顆粒間的孔隙穿過的能力，它決定著充填體的脫水速度。充填體的滲透性能用滲透系數(shù)來表征，其物理意義是單位水力坡度的滲透速度。充填體脫水時，水流從尾砂的孔隙中流過，固體顆粒對水流的阻力很大，特別是在細(xì)顆粒的尾砂充填料中，水的滲透速度明顯減小。

式中：Q—滲流量；A—斷面面積；v—滲流速度的大??；i—水力坡度；H1、H2—滲流上、下游斷面的水頭；K—滲透系數(shù)；L—水流流經(jīng)充填體的長度。

由式（1）、（2）可知，滲透速度與滲透系數(shù)、水力坡度成正比關(guān)系，與水頭壓差成正相關(guān)，與水流經(jīng)過的距離成負(fù)相關(guān)關(guān)系。但對于固定的采空區(qū)，其所用充填尾砂是全尾砂，因此，充填體的滲透系數(shù)K是固定不變的。因此欲提高充填體的脫水速度，可以采取以下措施：1）在采空區(qū)下部設(shè)置一個負(fù)壓機，增加充填體的水頭壓差；2）縮短水流在充填體內(nèi)部的流經(jīng)距離，即在充填體內(nèi)部設(shè)置一些滲透管，讓充填體內(nèi)部的水流不再經(jīng)過充填體，而是直接流向滲透管內(nèi)，由滲透管將充填體內(nèi)部的水流排出充填體［9］。

2 模擬試驗

水在充填體介質(zhì)中流動，其流動的路程是相當(dāng)復(fù)雜的。無論從理論分析還是從試驗手段，都很難確定水在充填體的流動真實運動要素，從工程應(yīng)用的角度來說也沒有必要。不如直接測量其結(jié)果。

2．1 試驗方案

本試驗采用負(fù)壓式淋浴器所配的噴射泵作為負(fù)壓源，利用滲透管來縮短水流在充填體內(nèi)流經(jīng)的路程，即水流直接流入滲透管內(nèi)，而不再經(jīng)過充填體本身，即縮短水流流經(jīng)充填體的路程。

室內(nèi)試驗?zāi)M礦山的充填方法，利用4組試驗進(jìn)行效果對比，而本試驗僅考慮從充填體內(nèi)部滲透脫水：

1）不采取任何措施，讓充填體自然脫水。

2）充填體的底部僅采取負(fù)壓脫水，利用噴射泵產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)行脫水。

3）僅采用滲透管進(jìn)行脫水。

4）采用負(fù)壓和滲透管聯(lián)合脫水。

2．2 試驗材料

本次試驗直接從某礦選礦廠尾砂池取全尾砂作為樣品，選用尾砂漿濃度為70%（與現(xiàn)場充填用的尾砂漿濃度一致）進(jìn)行試驗。該尾砂的物理、化學(xué)特性如表1、2所示。在室內(nèi)設(shè)置4個相同的實物模型，模型尺寸是實際采空區(qū)的尺寸按一定比例縮小，長、寬、高按1︰102建立0．5m×0．7m×1．2m的模型，另外模型傾斜30°，并用支架支撐，模型底部用小孔模擬采場塹溝，直徑為12cm，附近用廢石填塞，防止細(xì)砂流出。滲透管若干支，直徑為3cm，管壁上每圈打6～7個直徑為0．9cm的等間距泄水孔，相鄰兩圈的泄水孔沿管壁方向上錯開，且管壁外包扎2～3層147μm的尼龍濾布。負(fù)壓器選用負(fù)壓式淋浴器所配的噴射泵，負(fù)壓器斷面直徑為6 mm。

2．3 試驗步驟

將攪拌均勻的尾砂漿按照礦山的生產(chǎn)中的工作制，每24h充填一次，每次充填量為50～55L，流速控制在10～12mL／s，防止流速過大對滲透管產(chǎn)生影響，每次充填時間為70～80min。水流從試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)流出的流量每小時記錄一次，直到第二天進(jìn)行充填，如此循環(huán)。

其中滲透管設(shè)置在試驗槽內(nèi)等距離的位置，如 圖1所示。

表1 尾砂的物理性質(zhì)Table 1 The physical properties of tailings

表2 尾砂的化學(xué)成分Table 2 The chemical constituents of tailings

圖1 模擬充填體脫水系統(tǒng)示意圖Fig．1 The sketch map of simulated filling body dehydration system

圖2 試驗槽內(nèi)滲透管布置示意圖（單位：m）Fig．2 The sketch map of percolation pipes arranged in test tank（unit：m）

2．4 試驗結(jié)果及分析

充填試驗過程中，各組的出水量結(jié)果見表3、4、5、6、7。

通過以上4組試驗得知，負(fù)壓與滲透管聯(lián)合脫水速度最快；其次是滲透管脫水；自然脫水的速度最慢。

試驗過程中，通過負(fù)壓脫水總是會帶出泥沙。且負(fù)壓需要額外的電能，因此成本最高。滲透管脫水、負(fù)壓與滲透管聯(lián)合脫水的效果幾乎差不多，且又不需要額外的費用。因此綜合考慮選擇滲透管脫水對礦山較為有利。

表3 充填完畢至充填體停止流水的時間Table 3 The time of filling body dehydration stops from filling completed

表4 自然滲透脫水量實測值Table 4 The measured values of dehydration without any measures

表5 負(fù)壓滲透脫水量實測值Table 5 The measured values of dehydration with negative pressure

表6 用滲透管滲透脫水量實測值Table 6 The measured values of dehydration with percolation pipe

表7 負(fù)壓與滲透管聯(lián)合滲透脫水量實測值Table 7 The measured values of dehydration with percolation pipe and negative pressure

3 現(xiàn)場狀況

根據(jù)室內(nèi)試驗的結(jié)果，該礦在640中段I3礦體32I試驗盤區(qū)進(jìn)行全尾砂充填脫水試驗。將滲透管設(shè)置在采空區(qū)，在680水平的充填井至660水平電耙巷的圍巖上固定鋼絲繩，將被2層147μm的尼龍布包裹的濾水管（現(xiàn)場使用的滲透管直徑為160 mm，管壁上滲透孔徑為10mm，孔間距8～10cm）懸掛于鋼絲繩上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 采空區(qū)充填體脫水系統(tǒng)示意圖Fig．3 Sketch map of filling body dehydration system in goaf

根據(jù)室內(nèi)試驗的結(jié)果，礦山采用滲透管進(jìn)行充填體脫水，其滲透脫水速度非?？?。在靠近試驗采空區(qū)的一側(cè)用淺孔鉆機在巷道壁上鉆取樣孔，取出一定量的尾砂，稱質(zhì)量、烘干后計算得出其含水率普遍為11．5%～20%。充填結(jié)束后充填體含水率達(dá)到10%以下需要2～3個月。由此可知，通過使用滲透管脫水可以達(dá)到礦山充填的要求，且成本也非常低。因此，使用滲透管進(jìn)行充填體脫水是合理的，是完全可以接受的。

4 結(jié)論

1）水在充填體內(nèi)部的滲透速度與水頭壓差成正比，與流經(jīng)充填體的路程成反比，因此在充填體底部設(shè)置一個負(fù)壓或者在充填體內(nèi)部設(shè)置滲透管以減少水流在充填體內(nèi)部流經(jīng)的路程。

2）通過在全尾砂充填體下部設(shè)置負(fù)壓，其脫水雖然速度非?？欤菀孜瞿嗌?，且滲透管容易被細(xì)泥堵塞，在實際工程中不宜采用。

3）通過在充填體內(nèi)部設(shè)置滲透管可以較快地脫出充填體內(nèi)部的水，成本較低，滿足礦山的要求。

［1］ 鄭巨明，奉 欣，饒幫良，等 ．細(xì)粒尾砂作為充填料脫水措施的研究［J］．資源環(huán)境與工程，2007，21（2）：184－186．

［2］ 吳東旭，唐 飛 ．大紅山銅礦全尾砂充填的試驗研究［J］．有色金屬設(shè)計，2007，34（2）：7－10，20．

［3］ 鄧延忠 ．含細(xì)粒尾砂作為充填料的可行性研究［J］．化工礦物與加工，1987，16（5）：13－15．

［4］ 馬池香 ．尾礦壩滲流場分析及其水土交互作用機理研究［D］．沈陽：東北大學(xué)，2008．

［5］ 劉可任 ．充填理論基礎(chǔ)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1982：150－152．

［6］ 韋華南 ．水力充填負(fù)壓強制脫水研究［D］．長沙：中南大學(xué)，2010．

［7］ 郭東屏，張石峰 ．滲流理論基礎(chǔ)［M］．西安：陜西科學(xué)出版社，1992．

［8］ 孔祥言 ．高等滲流力學(xué)［M］．合肥：中國科技大學(xué)出版社，1999．

［9］ 胡飛宇 ．安慶銅礦采場充填脫水方法的選擇及應(yīng)用［J］．金屬礦山，1998（8）：13－16．