任鳳玉， 劉 洋， 何榮興， 張 晶

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

隨著我國礦產(chǎn)資源開發(fā)力度的增加，尾砂排放量也極具增加.目前大部分尾礦都存放在地表尾礦庫中，利用率僅為8.3%左右.尾礦庫堆存不僅造成嚴(yán)重的資源浪費，也會對環(huán)境造成直接污染.同時，尾礦庫也是一個重大的安全隱患，尾礦庫潰壩等重大事故時有發(fā)生[1-2].尾礦干式堆存是近年來發(fā)展起來的一種新型尾礦處置方法，具有基建投資少、維護簡單及綜合成本低等優(yōu)點，已在美國格林克里克地區(qū)的礦山、加拿大的Ekai Diamond礦及Kidd Creek礦、坦桑尼亞的Bulyanhulu礦、俄羅斯的Kubaka礦、印度的Hindustan礦及中國的壽王墳銅礦、歸來莊金礦及金嶺鐵礦等礦山中應(yīng)用[3-6].但由于脫水處理后的尾砂黏度過小或沒有黏度，導(dǎo)致干排區(qū)域和地點有著嚴(yán)格的限制，多選擇在峽谷、低洼平地及已廢棄的塌陷區(qū)等區(qū)域內(nèi)堆存.但對于尾砂干排在活動地表塌陷區(qū)內(nèi)的研究較少，尤其是井下開采對尾砂穿流特性的影響研究.

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量也在不斷提高，帶來的巖移和地表變形問題日趨嚴(yán)重.地表塌陷將會嚴(yán)重威脅礦山開采及工作人員的生命財產(chǎn)安全，同時也占用了大量土地資源[7-8].如果將尾砂干排至塌陷區(qū)內(nèi)，并能夠避免尾砂干排對井下回采的影響，不僅可以處理塌陷區(qū)造成土地浪費問題，也可以避免尾礦處理造成的資源浪費.

本文以本溪大北山鐵礦干排尾砂為研究對象，設(shè)計了放礦條件下尾砂穿流特性實驗，以礦巖散體的高度和干排尾砂的高度為主要影響因素，借助高速攝像機實現(xiàn)尾砂移動可視化，研究尾砂的移動規(guī)律，為類似礦山尾砂干排塌陷區(qū)提供借鑒.

1 實驗?zāi)Ｐ图安牧?/h2>

尾砂是本溪大北山鐵礦的干排尾砂(粒徑如表1所示).礦巖散體選用白云巖散體.實驗采用立體模型架，為了便于觀察實驗動態(tài)，模型前面為有機玻璃；為了保證設(shè)備強度，其余三面為鋼板.實驗幾何相似常數(shù)取a=100，設(shè)備模型尺寸為120 cm×80 cm×6 cm(高×長×寬)，在模型背部最下部布置了6個放礦口，放礦口尺寸為3 cm×3 cm(長×寬)；為了便于裝填礦石，模型背部是由12塊可拆卸的鋼板組成的.本組實驗采用高速攝像機對放礦過程進行拍攝，高速攝像機采用德國Allied Vision公司的GC2450C，它在分辨率為2 448×2 050的情況下可以達到每秒15幀，并且隨著分辨率的下降，還可以進一步提升拍攝幀率，并配有高品質(zhì)的Sony ICX625 CCD傳感器，可以獲取高品質(zhì)、高靈敏度、低噪聲的圖像.采用加拿大Norpit公司的StreamPix軟件對拍攝畫面進行調(diào)控，在實驗完成后使用Insight 4G軟件對拍攝圖片進行分析，即可得到尾砂的移動軌跡，實現(xiàn)了尾砂移動過程的可視化，并配有三腳架用來調(diào)節(jié)攝像范圍和角度[9-10]，如圖1所示.

表1 尾砂粒徑組成

圖1 實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

2 實驗過程及結(jié)果分析

2.1 實驗方案設(shè)計

本次實驗是研究放礦條件下尾砂顆粒的穿流特性，主要研究礦巖散體高度和尾砂層厚度對尾砂到達放礦口時間的影響.同時，為了進一步研究松動體和尾砂到達放礦口時間的關(guān)系，在礦巖散體中放置了一層紅色標(biāo)志物顆粒(如圖2所示).選取4種礦巖散體高度(36.9, 49.2, 61.5, 73.8 cm)，4種回尾砂高度(10, 20, 30, 40 cm)共7次實驗.松動體高度與放出體高度的關(guān)系式[11]:

Hs=2.46h.

(1)

式中:Hs是松動體的高度，m；h是放出體的高度，m.

圖2 實驗裝填圖

分別在礦巖散體高度為15，20，25及30 cm 處放置一層紅色標(biāo)志物顆粒.根據(jù)式(1)可知，當(dāng)標(biāo)志物顆粒到達放礦口時，松動體的垂直高度剛好到達尾砂和白云巖散體的交界面，即可以觀察松動體對尾砂流動特性的影響情況.具體實驗方案見表2.實驗過程中采用6個放礦口均勻放礦，每次放礦量為200 g.

表2 實驗設(shè)計表

2.2 實驗結(jié)果分析

將高速攝像機拍攝的圖片導(dǎo)入Insight 4G軟件中進行分析，得出各方案每個階段中尾砂和白云巖的移動速度云圖如圖3～圖9所示.

對于采動地表塌陷區(qū)內(nèi)干排尾砂，研究單個尾砂顆粒運動規(guī)律無意義，只有研究大面積的尾砂移動規(guī)律才有工程意義，因此僅對大面積的尾砂移動進行研究.將軟件分析的速度云圖與實驗過程中拍攝的圖片相對比，得出速度云圖中出現(xiàn)的正向快速運動區(qū)域和反向快速運動區(qū)域均為尾砂占據(jù)的區(qū)域.根據(jù)方案一～方案四的云圖得出，尾砂放置在白云巖散體表面時，受到重力作用，尾砂顆粒會通過白云巖散體之間的孔隙向下穿流，直至孔隙被填滿，但尾砂穿流量較小.由于松動體的垂直高度低于尾砂與白云巖的交界面，因此與尾砂層接觸的白云巖散體并未發(fā)生松散，呈現(xiàn)出水平下降.當(dāng)標(biāo)志顆粒達到放礦口時，可以看出尾砂層發(fā)生大面積快速移動，在白云巖散體層中出現(xiàn)的反向快速運動區(qū)域和正向快速運動區(qū)域明顯增多，尾砂隨即大量穿流到達放礦口.即當(dāng)松動體的垂直高度到達尾砂和白云巖散體交界面時，尾砂受到放礦擾動的影響且與尾砂接觸的巖石發(fā)生松散，白云巖散體中的孔隙增多，為尾砂移動提供空間.放礦過程中，顆粒的移動速度與顆粒的粒徑成反比，因此白云巖散體的移動速度遠小于尾砂顆粒的移動速度.隨著下部放礦的進行，導(dǎo)致尾砂顆粒先于散體到達放礦口.最終，放出的散體上面裹著一層尾砂，造成礦石貧化也增加選礦費用.因此，得出松動體的高度對尾砂到達放礦口的時間起著顯著作用，尾礦顆粒和礦巖散體的接觸面高于放礦產(chǎn)生的松動體高度就可以避免尾砂大量到達出礦口.

圖3 方案一速度云圖

圖4 方案二速度云圖

圖5 方案三速度云圖

圖6 方案四速度云圖

圖7 方案五速度云圖

通過方案四～方案七的實驗結(jié)果得出，由于尾砂層厚度的增加，導(dǎo)致尾砂顆粒放置在白云巖散體上時，尾砂穿流到白云巖散體中的數(shù)量明顯增多.前幾次放礦過程中，松動體未到達尾砂與白云巖散體的交界面，因此，與尾砂層接觸的白云巖散體并未發(fā)生松散.尾砂會沿著白云巖散體中原有的孔隙移動，由于尾砂上部壓力的增加，穿流量隨著尾砂層厚度的增加而增加，但放礦口未見尾砂顆粒.標(biāo)志物顆粒被放出后，與尾砂接觸的巖石發(fā)生松散，白云巖散體中的孔隙增多，尾砂顆粒沿

圖8 方案六速度云圖

圖9 方案七速度云圖

著白云巖孔隙移動，尾砂顆粒將很快到達放礦口，且尾砂的放出量不斷增加.因此，尾砂層的厚度對于尾砂大量到達放礦口時間的影響不顯著.只要尾砂和礦巖散體的交界面始終在松動體范圍之上，向塌陷區(qū)內(nèi)持續(xù)干排尾砂不會導(dǎo)致尾砂大量到達放礦口.

通過上述實驗分析得出，礦巖散體高度對尾砂到達放礦口的時間影響較大，只要保持礦巖散體高度始終大于松動體高度就可以減緩對井下開采的影響.

3 結(jié) 論

1) 提出放礦條件下尾砂穿流特性實驗，采用高速攝影技術(shù)，可視化研究放礦條件下活動塌陷區(qū)內(nèi)干排尾砂穿流特性，為類似礦山尾砂干排塌陷區(qū)提供借鑒.

2) 通過不同礦巖散體高度的尾砂穿流特性實驗得出，當(dāng)松散體的高度小于尾砂和礦巖散體的交界面時，尾砂不能到達放礦口；當(dāng)松散體的高度高于交界面時，尾砂顆粒先于散體到達放礦口，造成了礦石貧化也增加了選礦費用.

3) 通過不同尾砂高度的尾砂穿流特性實驗得出，尾砂層的厚度對于尾砂到達放礦口的時間影響較小.因此，保證尾砂和礦巖散體的交界面始終在松動體范圍之上，向活動地表塌陷區(qū)內(nèi)持續(xù)干排尾砂對礦石貧化的影響較小.