彭嘯鵬，楊小聰

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160)

尾砂充填料漿靜態(tài)沉降過程的現(xiàn)象及其機(jī)理

彭嘯鵬1,2，楊小聰2

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160)

為研究尾砂充填料漿的靜態(tài)沉降過程相關(guān)現(xiàn)象與規(guī)律，采用某礦山分級(jí)尾砂與溢流細(xì)沙配置的一定級(jí)配特性的骨料，進(jìn)行了不同濃度與配比的尾砂充填料漿靜態(tài)沉降試驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察與分析，得出了料漿最終沉降濃度與初始濃度正相關(guān)，料漿形成的固結(jié)體在不同高度上孔隙率、含水率以及顆粒粒徑差異均將影響最終充填體強(qiáng)度均勻性的結(jié)論。同時(shí)，初步分析得到了靜態(tài)沉降過程引起粗細(xì)物料顆粒分離的機(jī)理，即粗細(xì)物料顆粒分離現(xiàn)象主要受物料顆粒間的干擾沉降以及孔隙水泌出產(chǎn)生的滲透力帶走細(xì)物料顆粒的作用所影響。

充填采礦; 尾砂料漿; 靜態(tài)沉降; 固液分離

礦山充填采礦法通常指利用礦山廢料回填采空區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)地壓平衡，保證礦床安全回采的一種采礦方法[1]。由于深井開采對(duì)地壓控制的要求以及環(huán)境保護(hù)的要求日益提高，充填采礦法在世界范圍內(nèi)已得到越來越廣泛地應(yīng)用[2]。

目前充填采礦過程一般為利用礦山廢料與膠凝材料制備一定濃度與配比的充填料漿，再利用輸送系統(tǒng)，將充填料漿輸送至待充填采場(chǎng)。充填料漿在采場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過一定程度的沉降泌水和一段時(shí)間的固結(jié)養(yǎng)護(hù)后，逐漸形成具有一定強(qiáng)度的充填體從而起到實(shí)現(xiàn)地壓平衡的作用。但現(xiàn)已有不少研究證明，充填料漿經(jīng)過沉降過程后料漿中的粗細(xì)物料顆粒將出現(xiàn)相互分離的情況，從而導(dǎo)致最終形成的充填體其強(qiáng)度分布并不均勻，甚至存在很大的離散性[3-4]。這一現(xiàn)象可能會(huì)為今后礦山的開采留下隱患。

然而盡管上述情況已被廣泛認(rèn)可，但對(duì)于充填料漿沉降過程引起充填體強(qiáng)度不均勻分布的規(guī)律與機(jī)理的研究卻相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于沉降過程更多關(guān)注的是尾砂漿在沙倉(cāng)內(nèi)或深錐濃密機(jī)中的沉降或絮凝沉降機(jī)理[5-6]。即使針對(duì)尾砂充填料漿的沉降過程，研究的重點(diǎn)也并非該過程本身，而是過程結(jié)束后料漿的泌水量，尾砂沉縮量等表觀特性與尾砂物理化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系[7]。國(guó)外對(duì)于該過程的研究相對(duì)較早。20世紀(jì)90年代，F(xiàn)ahey等就已針對(duì)尾礦庫中尾砂的沉降及之后的固結(jié)過程，利用土力學(xué)的黏性土顆粒固結(jié)理論建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型[8]。Helinski等在上述研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年研究，結(jié)合水泥的水化過程導(dǎo)致料漿孔隙率降低的試驗(yàn)結(jié)論，建立了水泥尾砂膠結(jié)充填料漿的沉降與固結(jié)過程應(yīng)力孔隙率變化數(shù)學(xué)計(jì)算模型[9-10]。Daliri等進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)大尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?1.0 m×0.7 m×1.0 m)，并在模型中安置大量應(yīng)力傳感器的方式，通過模型試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量了高濃度尾砂漿在沉降與固結(jié)過程中內(nèi)部應(yīng)力的變化情況[11]。雖然上述研究都獲得了有意義的結(jié)論，但這些研究的目的更多是針對(duì)沉降與固結(jié)過程中應(yīng)力的變化情況，且仍是將料漿作為均質(zhì)體來對(duì)待。而針對(duì)相應(yīng)過程中粗細(xì)物料顆粒分離的現(xiàn)象，以及最終充填體強(qiáng)度不均勻分布的機(jī)理研究則很難找到。

鑒于目前對(duì)尾砂充填料漿沉降過程引起粗細(xì)物料顆粒分離現(xiàn)象研究的不足，本文通過不同濃度與配比的尾砂充填料漿靜態(tài)沉降試驗(yàn)，觀察分析了料漿靜態(tài)沉降過程的主要現(xiàn)象，收集了相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，從而初步解釋了料漿中粗細(xì)物料顆粒產(chǎn)生分離的機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

為突顯尾砂充填料漿在沉降過程中的粗細(xì)物料顆粒分離現(xiàn)象，取某礦山全尾砂，經(jīng)水力旋流分級(jí)后，按照70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分級(jí)尾砂與30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溢流細(xì)沙的比例配置成試驗(yàn)用尾砂。分級(jí)尾砂與溢流細(xì)沙的基本物理性質(zhì)和粒級(jí)組成見表1和表2。

表1 尾砂基本物理性能

表2 尾砂粒度分布

由上述表格可以看出，分級(jí)尾砂的中值粒徑大于74 μm，而溢流細(xì)沙的中值粒徑則小于20 μm。兩種尾砂的孔隙率、粒徑分布均差異明顯，是進(jìn)行本次試驗(yàn)研究較為理想的原料。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)際的采場(chǎng)充填過程通常較為復(fù)雜，涉及到的問題也比較多，例如充填料漿中水的泌出方式、充填料漿自下料口流出后在采場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、充填體與采場(chǎng)周邊圍巖的相互作用等。本次試驗(yàn)主要研究尾砂充填料漿的靜態(tài)沉降過程的特性，為保證試驗(yàn)的可操作性，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。即忽略了實(shí)際充填料漿靜態(tài)沉降過程中，料漿中的水自采場(chǎng)中泌出對(duì)整個(gè)沉降過程中物料分布的影響。具體的試驗(yàn)方法如下所述。

1)以300 mL標(biāo)準(zhǔn)錐形瓶為試驗(yàn)容器。在錐形瓶一側(cè)貼上刻度標(biāo)簽紙用以觀察記錄瓶中料漿的物料高度與液面高度。

2)設(shè)計(jì)采用70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分級(jí)尾砂加30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溢流細(xì)沙，充分摻和攪拌后作為試驗(yàn)用骨料。膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥。同時(shí)，為排除水中離子的影響，試驗(yàn)用水均為蒸餾水。

3)料漿配置的原則為：物料的質(zhì)量固定(即骨料與膠凝材料的總量固定)，僅通過改變添加的水量來改變料漿的初始濃度。

4)試驗(yàn)設(shè)計(jì)料漿初始質(zhì)量濃度分別為50%、55%、60%、65%、68%、70%、73%、75%；物料砂灰比分別為10、8、4以及不含水泥。

5)料漿倒入錐形瓶后充分?jǐn)嚢?，記錄不同時(shí)刻料漿的泌水量，并以固液分離界面不再發(fā)生變化時(shí)，料漿的濃度為最終沉降濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 料漿初始濃度對(duì)最終沉降濃度的影響

通過試驗(yàn)記錄得到的各組試驗(yàn)的泌水量數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算最終沉降濃度[12]。

(1)

式中：CF為最終沉降濃度；WWO為料漿配置用水質(zhì)量；WWF為最終泌水質(zhì)量；WS為物料質(zhì)量。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到圖1。由圖1可知，一是在物料質(zhì)量相同的情況下，料漿初始質(zhì)量濃度不同，其最終沉降濃度也存在差異。且初始質(zhì)量濃度越高，對(duì)應(yīng)的最終沉降濃度也越高。這與類似研究所得結(jié)論基本一致[13]。二是不含水泥的料漿各初始質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)的最終沉降濃度比相應(yīng)含水泥的料漿所得數(shù)據(jù)大。初步分析可能與水泥作為細(xì)物料顆粒所起的作用有關(guān)，即水泥的添加增加了細(xì)物料顆粒的含量，從而影響了最終沉降濃度。

2.2 不同配比料漿的泌水速率分析

記錄料漿靜態(tài)沉降過程中不同時(shí)間物料液位高度的變化，結(jié)合錐形瓶的幾何尺寸，可計(jì)算得到不同時(shí)間料漿的泌水量，從而可以計(jì)算得到各濃度與配比的料漿在不同時(shí)刻的平均泌水速率?，F(xiàn)以初始質(zhì)量濃度為65%的料漿泌水速率數(shù)據(jù)為例繪制泌水速率圖，如圖2所示。

圖1 料漿初始質(zhì)量濃度與最終沉降濃度關(guān)系圖

圖2 料漿泌水速率統(tǒng)計(jì)圖

由圖2所示，一是各配比料漿的泌水過程在沉降開始后約10 min內(nèi)均已結(jié)束。由此可知，相比于水泥的初凝時(shí)間，靜態(tài)沉降過程所消耗的時(shí)間要小。這與鄧代強(qiáng)等人以全尾砂為骨料進(jìn)行的自然沉降試驗(yàn)所得結(jié)論相吻合[14]。二是不同配比的料漿其泌水速率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。且不含水泥的料漿其最大泌水速率相較于其他配比料漿大。初步分析，仍可能與水泥在料漿中起到了增加細(xì)物料顆粒含量，阻礙料漿中水的泌出有關(guān)。

2.3 料漿靜態(tài)沉降過程現(xiàn)象分析

將料漿沉降完成后各物料分布情況拍照，并繪制相應(yīng)示意圖，如圖3和圖4所示。

圖3 料漿沉降情況照片

圖4 物料分布情況示意圖

根據(jù)圖3和圖4中物料分布的情況與相應(yīng)描述可知，料漿在沉降過程中由于粗細(xì)物料顆粒發(fā)生分離，將對(duì)整個(gè)固結(jié)體的均勻性產(chǎn)生較大影響。而固結(jié)體的不均勻特征將直接影響最終充填體強(qiáng)度分布，其影響的因素主要為：①不同高度層間顆粒粒徑的差異，也是最直觀的影響。既體現(xiàn)為骨料顆粒的差異，也體現(xiàn)為膠凝材料分布的差異；②不同高度層間孔隙率的差異。這是由孔隙水泌出，導(dǎo)致不同層間產(chǎn)生導(dǎo)水通道所引起的；③不同高度層間物料含水量的差異。料漿沉降過程結(jié)束后，不同高度的物料間仍存在不同含量的孔隙水。這部分水可能對(duì)該層中膠凝材料的水化產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響最終充填體強(qiáng)度的分布。

3 靜態(tài)沉降過程中粗細(xì)物料顆粒分離的機(jī)理分析

如前所述，鄧代強(qiáng)等對(duì)尾砂充填料漿的沉降性能已做了初步的研究，但對(duì)于沉降過程引起的粗細(xì)物料分離現(xiàn)象并未做相應(yīng)的描述。焦華喆等則通過研究溢流尾砂的絮凝沉降特性，初步將尾砂料漿的靜態(tài)沉降過程分成了自由沉降到干擾壓密沉降的主要六個(gè)階段[15]。但其研究仍屬于現(xiàn)象描述，且尾砂料漿與尾砂充填料漿的組成與濃度范圍存在較大的差異，其結(jié)論不能直接使用。因此，通過觀察試驗(yàn)中尾砂充填料漿的靜態(tài)沉降過程，繪制了相應(yīng)的粗細(xì)物料顆粒分離現(xiàn)象的示意圖見圖5。

圖5 粗細(xì)顆粒物料分離機(jī)理示意圖

3.1 物料顆粒的干擾沉降

在初始靜態(tài)沉降過程中，由于充填料漿濃度通常較高，按照焦華喆等的研究結(jié)論可知[15]，此時(shí)料漿中物料顆粒由于相互碰撞與牽制等作用將處于干擾沉降狀態(tài)，如圖5的I階段所示。

根據(jù)Batchlor等的理論[16]，在該過程中，粗細(xì)物料之間將受到包括相互作用的碰撞阻力以及介質(zhì)的繞流過程中產(chǎn)生的黏性阻力和渦流壓差產(chǎn)生的阻力，從而使得物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得復(fù)雜且混亂。同時(shí)，根據(jù)L. A. Van等[17]的理論，對(duì)于一些粒度與密度均較小的顆粒，介質(zhì)繞流阻力可能大于其自身重力，從而使其產(chǎn)生與繞流方向相同的運(yùn)動(dòng)，即“Smith效應(yīng)”。

3.2 滲透力引起粗細(xì)物料顆粒的分離

當(dāng)容器底部物料干擾沉降完成后將形成最初的粗物料骨架如圖5的III階段所示。依據(jù)太沙基一維固結(jié)理論[18]，受上覆料漿的重力作用，隨著物料骨架中超靜孔隙水壓力的消散，孔隙水將逐漸由孔隙中泌出，并形成滲透力帶走孔隙中的細(xì)物料顆粒。細(xì)物料顆粒的簡(jiǎn)化受力分析如圖6所示。隨著孔隙水的泌出與細(xì)物料顆粒的移動(dòng)，在物料骨架中將逐漸形成導(dǎo)水通道，并最終成為過渡層，如圖5的II階段所示。

圖6 孔隙中細(xì)物料顆粒受力圖

分析圖6所示受力情況，孔隙中細(xì)物料顆粒主要受重力(W)、浮力(R)與滲透力(J)作用。當(dāng)物料與介質(zhì)確定后，其重力與浮力也隨之確定，因此滲透力的大小將決定孔隙中細(xì)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)際過程中，由于物料骨架的阻礙等一系列復(fù)雜過程尚無法定量分析，僅以土力學(xué)中滲透力簡(jiǎn)化公式進(jìn)行簡(jiǎn)要估計(jì)，見式(2)。

J=γWΔh

(2)

式中：γW為介質(zhì)的重度；Δh為孔隙兩端的水頭差。顯然當(dāng)介質(zhì)確定后，滲透力的大小僅與成正比。而的大小與孔隙上覆料漿的高度正相關(guān)。因此，當(dāng)物料與介質(zhì)的質(zhì)量均確定時(shí)，容器的高徑比越大，細(xì)物料顆粒所受滲透力也相應(yīng)越大，粗細(xì)物料顆粒分離情況將更顯著。

3.3 小 結(jié)

通過對(duì)沉降試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察與分析，初步得到了尾砂充填料漿靜態(tài)沉降引起粗細(xì)物料顆粒分離的機(jī)理。該過程主要受物料顆粒間的干擾沉降以及孔隙水泌出產(chǎn)生的滲透力帶走細(xì)顆粒的作用所影響。依據(jù)現(xiàn)有太沙基一維固結(jié)理論進(jìn)行簡(jiǎn)要分析可知，容器或采場(chǎng)的高徑比越大，靜態(tài)沉降導(dǎo)致的粗細(xì)物料顆粒分離情況也將越顯著。

4 結(jié) 論

1)通過不同初始濃度與不同配比的尾砂充填料漿靜態(tài)沉降試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)料漿的初始濃度越高對(duì)應(yīng)的最終沉降濃度也越高。由于靜態(tài)沉降過程通常比水泥初凝所需時(shí)間要短，水泥在該過程中可能主要起到類似細(xì)物料顆粒的作用。

2)尾砂充填料漿在靜態(tài)沉降過程中，將出現(xiàn)粗細(xì)物料顆粒分離現(xiàn)象。從而導(dǎo)致最終形成的固結(jié)體在不同高度上存在孔隙率、平均粒徑、含水率的差異。這些性質(zhì)的差異都將影響最終形成的充填體的強(qiáng)度均勻性。

3)通過觀察靜態(tài)沉降現(xiàn)象，分析得出粗細(xì)物料顆粒分離主要受物料顆粒間的干擾沉降以及孔隙水泌出產(chǎn)生的滲透力帶走細(xì)顆粒的作用所影響的結(jié)論。為下一步更為深入的研究指明了方向，具有一定的理論價(jià)值。

實(shí)際過程中物料骨架的阻礙作用，膠凝材料的水化，料漿中水自采場(chǎng)的泌出等其他一些復(fù)雜問題，由于缺少相關(guān)理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，還有待在上述初步結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行更為深入的研究。

[1] 劉同有. 充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2001.

[2] 蔡嗣經(jīng). 礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009.

[3] 尹裕, 楊家冕, 肖益蓋. 深井礦山充填體強(qiáng)度分布規(guī)律研究[J]. 有色金屬工程, 2015(5): 21-23.

[4] 許文遠(yuǎn), 楊小聰, 郭利杰. 充填體不均勻性相似模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山, 2011(5): 18-22.

[5] 史秀志, 胡海燕, 杜向紅, 等. 立式砂倉(cāng)尾砂漿液絮凝沉降試驗(yàn)研究[J]. 礦冶工程, 2010, 30(3): 1-4.

[6] 王洪江, 王勇, 吳愛祥, 等. 細(xì)粒全尾動(dòng)態(tài)壓密與靜態(tài)壓密機(jī)理[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(5): 566-571.

[7] 侯運(yùn)炳, 彭勃, 王炳文, 等. 西石門鐵礦水泥-全尾砂料漿沉降性能的研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2013, 22(11):84-87.

[8] M. Fahey, T. A. Newson, Numerical Modelling of Consolidation and Evaporation of Slurried Mine Tailings[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2015,20(9):647-671.

[9] M. Helinski, A. Fourie, M. Fahey, et al. Assessment of the self-desiccation process in cemented mine backfills[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2005, 44(44):1148-1156.

[10] M. Helinski, M. Fahey. Numerical Modeling of Cemented Mine Backfill Deposition[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(10):1308-1319.

[11] F. Daliri, P. Simms, S. Sivathayalan. Shear and dewatering behaviour of densified gold tailings in a laborat[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2016(2): 1246-1257.

[12] 劉曉輝, 吳愛祥, 王洪江, 等. 膏體充填尾礦濃密規(guī)律初探[J]. 金屬礦山, 2009(9):38-41.

[13] 鄧代強(qiáng), 高永濤, 姚中亮, 等. 水泥-分級(jí)尾砂充填料漿的沉降性能研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2009, 5(4): 803-807.

[14] 鄧代強(qiáng), 姚中亮, 楊耀亮. 高濃度水泥-尾砂充填料漿沉降性能試驗(yàn)研究[J]. 有色金屬工程, 2006, 58(3):110-112.

[15] 焦華喆, 王洪江, 吳愛祥, 等. 全尾砂絮凝沉降規(guī)律及其機(jī)理[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(6): 702-707.

[16] G.K. Batchelor. Sedimentation in a dilute dispersion of spheres[J]. Joarnal of Fluid Mech.,1972,52(2):245-268.

[17] Lan A V, Bang D P V. Hindered settling of sand-mud flocs mixtures: From model formulation to numerical validation[J]. Advances in Water Resources, 2013, 53(1):1-11.

[18] 李廣信, 張丙印, 于玉貞. 土力學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2013.

Phenomenon and mechanism of settlement process of tailings backfill slurry

PENG Xiaopeng1,2, YANG Xiaocong2
(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Institute of Mining Engineering, Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160, China)

In order to study the phenomena and regularities of static settlement process of tailings backfill slurry, a kind of aggregate with specific particle size distribution (DSP) has been prepared by using a mine’s underflow coarse tailings and overflow fine tailings. And sires of static settlement experiments of tailings slurries with different water binder ratios and concentrations have been done by using the aggregates. By observing the phenomena and analyzing the results of experiments, the conclusion that the final settlement concentration of slurry is positively correlated with the initial concentration has been made. And it has also been found that porosities, moisture contents and particle size differences of consolidated tailing bodies are all factors that will affect the strength uniformity of backfill bodies. The mechanism of segregation of aggregates caused by static settlement processes has been found at the mean time. Namely, the segregation of coarse and fine aggregates is mainly determined by the hindered settlement processed of particles and the movements of fine aggregates caused by seepage force of bleeding water.

backfill mining; tailings slurry; sedimentation; solid-liquid separation

2016-12-15

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2016YFC0600709)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2014DFR70340)

彭嘯鵬(1989-)，男，博士研究生，主要從事充填采礦實(shí)踐與理論研究工作，E-mail：xp_peng@hotmail.com。

楊小聰，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，E-mail：yxcong@126.com。

TD353

A

1004-4051(2017)04-0126-05