多因素影響下尾礦庫壩體沉積特性的試驗研究*

趙懷剛,王光進,2,許志發(fā), 唐永俊

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650000； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

0 引言

目前國內(nèi)采用上游法筑壩的尾礦庫已經(jīng)超過10 000多座，而作為礦山生產(chǎn)的3大重點性工程，尾礦庫的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到礦山的生產(chǎn)安全，同時還影響著下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。由于上游法尾礦庫的堆積壩是由人工松散體材料構(gòu)建，放礦過程中的水力分選及沉積使得尾礦庫沉積顆粒的粒徑和特性差異非常大，這就造成庫內(nèi)尾礦的顆粒組成、物理力學性質(zhì)等方面存在明顯差異[1]。因此，研究尾礦庫顆粒沉積規(guī)律不僅對尾礦庫穩(wěn)定性評價有著重要的作用，同時還對礦山放礦方式的優(yōu)化也有著指導性的意義。而對于此類尾礦庫的研究，其核心問題就是入庫尾礦顆粒在漿體中受水力分選后不同沉積點粒徑變化的問題。

對于尾礦庫顆粒沉積的研究，部分研究成果[2-3]指出尾礦顆粒的沉積特性是影響尾礦堆積壩體抗剪強度和穩(wěn)定性的重要原因之一，并分析了尾礦顆粒沉積和粒徑組成等對物理力學性質(zhì)和壩體穩(wěn)定性的影響。同時巫尚蔚等[4]研究了尾礦漿的沉積分層特征隨時間演化規(guī)律，討論了尾礦沉積物的細觀結(jié)構(gòu)特征和分層劃分依據(jù)，并解釋了絮凝作用對沉積特征的影響機理；杜飛飛等[5]通過沉降試驗測定了尾礦在不同濃度和不同沉降方式下的沉降速度，并結(jié)合實測資料建立了尾礦顆粒在靜水環(huán)境中的澄清距離；Giuliano等[6]用多種技術(shù)手段對硫鐵尾礦的粒徑進行測量，提出用Rosin-Rammler函數(shù)描述尾礦沉積物的粒徑分布。然而，由于放礦位置、濃度、流速、方式的不同，尾礦庫內(nèi)不同位置的顆粒沉積規(guī)律表現(xiàn)出巨大的差異性，因此徐宏[7]、居偉偉[8]、李權(quán)[9]等根據(jù)實際的勘探資料或室內(nèi)堆壩模型試驗研究了上游式尾礦壩尾礦干灘的沉積規(guī)律，提出了影響沉積規(guī)律的影響因素和尾礦顆粒沉積距離的計算方法；張千貴等[10]針對尾礦沉積分層的特點，研究了粗細尾礦分層結(jié)構(gòu)的力學特性；喬蘭等[11]分析了上游式尾礦庫尾礦經(jīng)排放、沉積、分選等作用下顆粒組成的變化特征及其對尾礦工程性質(zhì)的影響；胡海等[12]通過Slide軟件對云南某尾礦壩在考慮沉積特性或未考慮沉積特性時對穩(wěn)定性的影響進行了研究；田莉梅[13]、尹光志等[14]、敬小非等[15]以新建尾礦庫為工程背景，通過室內(nèi)堆壩模型試驗與土工試驗，獲得尾礦壩干灘面幾何特征、顆粒分布規(guī)律，并通過數(shù)值模擬軟件分析顆粒沉積特性對壩體穩(wěn)定性的影響；梁冰等[16]采用自行研制的水力分選粒度分析裝置研究了顆粒級配、漿體濃度和排漿速度等因素對尾礦沉積規(guī)律的影響。

綜上所述，學者們已經(jīng)對尾礦的沉積特性開展了大量研究，并分析了沉積特性對尾礦物理力學性質(zhì)及壩體穩(wěn)定性影響。盡管如此，目前結(jié)合理論分析和現(xiàn)場試驗開展尾礦庫顆粒沉積規(guī)律的研究仍然比較少，還需要更深入系統(tǒng)的開展研究。因此，本文采用試驗研究和理論分析相結(jié)合的方法，通過對四川某尾礦庫現(xiàn)場取樣和室內(nèi)篩分實驗獲得干灘面和壩體尾礦顆粒的沉積規(guī)律，并利用恒定水流理論建立尾礦顆粒沉積的分離流速、最遠沉積位置與干灘坡度的計算方法。研究成果可為該類尾礦庫顆粒沉積規(guī)律、穩(wěn)定性評價和放礦方式的優(yōu)化提供一定的理論和實際指導。

1 尾礦庫顆粒沉積特性試驗

1.1 試驗樣本及試驗工具

本次試驗在該尾礦庫干灘面上劃定3條不同取樣路線，使得樣本能夠充分體現(xiàn)整個尾礦庫干灘的沉積特性，測線1距離壩體右側(cè)庫邊34 m，測線2和測線3分別依次向左側(cè)推進，與測線1 的間距分別為80 m和130 m，每條測線尾礦試樣的采取視干灘面長度而定(如圖1所示)，而壩體內(nèi)部不同深度的尾礦樣本則采用鉆探的方式獲取。尾礦粒徑分析采用水篩的方法，小于0.074 mm以下的尾礦顆粒采用LS13320/VSM+激光粒度儀測定其含量。

圖1 尾礦壩干灘面尾礦現(xiàn)場取樣Fig.1 Site sampling of dry tailings on the tailings dam

圖2 不同取樣點尾礦顆粒級配曲線Fig.2 Gradation curve of tailings particles at different sampling points

1.2 不同取樣點尾礦粒徑變化情況

為了充分了解該選廠排放尾礦的顆粒粒徑變化情況，分別在排放口、壩前、庫尾3個不同位置取樣進行篩分實驗，分析粒徑變化情況，如圖2所示。通過圖2可以看出，干灘表面的尾礦顆粒和排放口的尾礦顆粒相比，粒徑明顯發(fā)生了變化，其原因在于經(jīng)水力沖刷后的尾礦顆粒發(fā)生了重力分選，致使排放后的尾礦粒徑發(fā)生變化。然而在干灘表面，尾礦顆粒的粒徑曲線保持基本相同的變化趨勢，一則是由于尾礦顆粒粒徑比較均勻，二是壩前沉積的粗顆粒組在重復(fù)的水流沖刷下被攜帶流向庫尾。但壩前0.01～1 mm粒徑范圍內(nèi)的尾礦顆粒略高于庫尾處的尾礦樣，這主要是因為壩前主要是粗顆粒沉積所造成的。

1.3 干灘面上沉積特性分析

為了了解干灘面上不同位置尾礦顆粒沉積變化特性，選取干灘面上距子壩5，30，60 m共3個不同位置樣本進行分析，如圖3所示。

圖3 不同位置顆粒含量分布Fig.3 Distribution of particle content at different positions

從圖3可以看出，干灘面上的沉積規(guī)律宏觀上從壩前到庫尾表現(xiàn)出由粗到細的規(guī)律。壩前顆粒粒徑主要集中在0.1～1 mm，而干灘30 m位置集中在0.074～0.5 mm，干灘60 m位置集中在0.019～0.25 mm。出現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因主要是由于尾礦漿經(jīng)排放后存在分選的作用，漿體以排放口開始形成扇形漫流區(qū)，粗砂、細砂在自重的作用下沉積下來，推移質(zhì)隨水流流速的變小沉積，懸移質(zhì)流向庫尾靜水區(qū)沉積。與此同時，圖3中不同位置均出現(xiàn)了臨界粒徑的突然變化，當顆粒粒徑變化達到臨界粒徑時，大于等于該臨界粒徑的尾礦顆粒含量顯著增多，因此該粒徑的出現(xiàn)可看作是判斷該點尾礦分類的標志。如距離子壩5 m，0.1～0.25 mm粒徑的突然增多表明了壩前5 m位置主要會出現(xiàn)大于0.1～0.25 mm的粗粒組，而在距離子壩30 m位置，當0.074～0.1 mm粒徑出現(xiàn)顯著增加后，大于該范圍的粒徑顆粒也顯著增加。因此對于某一尾礦庫某一位置的粒徑變化，臨界粒徑的變化可作為判斷該點顆粒粒徑變化范圍的標志。

為了能夠全面的體現(xiàn)尾礦庫干灘面的沉積特性，采用平均粒徑D50來進行表征分析。圖4為3條測線的尾礦顆粒在干灘面上整體的平均粒徑D50變化情況。從圖4可以看出，不同測線平均平均粒徑D50變化趨勢趨近相同，從壩前到庫尾保持由粗到細的變化規(guī)律。這和該尾礦庫采用的分散均勻放礦的方式存在很大的關(guān)系，由于分散均勻排放的方式使得細顆粒尾礦在水流沖刷的作用下流向庫尾，而粗顆粒在自重作用下分選沉積，形成了由粗變細的沉積規(guī)律，同時，排放口在壩前間距20 m左右使得整個壩前干灘橫向保持了基本一致的沉積規(guī)律。然而，對比測線不同位置的粒徑變化，D50≥0.2 mm，主要分布在壩15 m內(nèi)；D50在0.17～0.2 mm主要分布在15～40 m內(nèi)；D50≤0.17 mm主要分布在40～60 m內(nèi)，且在6，45 m位置，D50發(fā)生了突變，這種情況的發(fā)生是前期扇形沉淀交界地區(qū)形成的彎曲主流橫槽內(nèi)水流速較大，其推移質(zhì)或沉砂質(zhì)尾砂在二次水流的沖刷下再次發(fā)生了流動，表現(xiàn)了突變性的沉積特性。

圖4 不同測線平均粒徑D50隨距離變化Fig.4 Different lines average particle size D50 content changes

不同顆粒粒徑在干灘不同位置含量能夠從另一方面反映尾礦庫在壩前均勻放礦條件下干灘沉積規(guī)律。圖5為距離壩前不同位置平均粒徑D50含量變化。

圖5 距離壩前不同位置平均粒徑D50含量變化Fig.5 D50 content of average particle size at different positions before dam

從圖5對<0.019 mm、<0.074 mm、<0.25 mm平均粒徑尾礦含量累積百分比的變化趨勢分析可知，總體上看，干灘面上細顆粒含量隨取樣點距離的增加而逐漸增加，即水力分級后，排放點至庫尾其尾礦顆粒具有由粗到細的沉積規(guī)律。由于顆粒運移過程中，粗顆粒在水流中容易先沉積下來，而細顆粒更容易受水流的攜帶流向庫尾，較細的懸浮顆粒和膠質(zhì)顆粒卻只有到靜水區(qū)時才沉淀，因此，水力的這種分級作用使得沉積灘上較細顆粒總的趨勢是向更遠處傳送和沉積。

分析其不同位置平均粒徑D50含量變化，在距離子壩4 m位置，0.074～0.25 mm的含量為26%，而在距離子壩60 m位置0.074～0.25 mm的含量也僅僅為30%，這種變化與其選礦工藝有關(guān)，即排放的尾礦顆粒多集中在尾細沙部分；在距子壩12 m處，D50≤0.074 mm的尾礦含量由12.85%快速下降為6.97%，D50≤0.019 mm的尾礦含量由11.79%下降為5.12%；在距子壩16～36 m，D50≤0.074 mm的尾礦含量在16.97%～22.43%，D50≤0.019 mm的尾礦含量為9.01%～13.72%；在距子壩60 m 處，D50≤0.074 mm的尾礦含量由22.43%上升為34.94%，D50≤0.019 mm的尾礦含量由11.74%上升為 22.45%。因此，對于尾礦庫干灘粒徑的變化大概可以概化為“粗化—緩慢細化—細化”的變化過程。由于該尾礦庫采用的是壩前多管小支流分散放礦，漿體從排放管中流出后形成沖擊力，會在壩前形成一個消能坑，礦漿從消能坑攜帶尾礦向四周流出，并形成以消能坑為圓心的扇形沖積灘，推移質(zhì)尾礦沉積在扇形區(qū)，懸移質(zhì)尾礦被礦漿攜向遠處，而在消能坑窩積區(qū)周圍則多為沉砂質(zhì)，顆粒較粗。同時在扇形堆積區(qū)外尾礦漿呈漫流狀流，漿體受水流的分選作用，導致淤積尾礦的粒徑逐漸變細，越接近庫水面，顆粒越細，只有到達沉淀池的靜水中時，大部分粒徑較小的懸浮顆粒才緩慢的沉淀下來，導致細粒含量顯著增加，細化現(xiàn)象比較明顯。

1.4 尾礦顆粒沿垂向的沉積特性

尾礦顆粒的沉積特性不僅包括干灘表面的沉積規(guī)律，還包括垂直變化的規(guī)律。分析堆積壩體垂直的顆粒特性對于尾礦庫穩(wěn)定性的評價有著重要的意義。

圖6 壩體不同深度尾礦堆積分類Fig.6 Tailings accumulation classification at different depths

圖6為壩體不同深度尾礦堆積分類。從圖6可以看出，鉆孔取樣的深度越深，壩體顆粒越細。在對壩體深度0～10 m的取樣中，其顆粒粒徑大多集中在0.25 mm以上的尾粉砂，當取樣深度到達20 m時，基本上以尾黏土、尾粉質(zhì)黏土為主，但是其中也交替出現(xiàn)了尾粉砂、尾黏土等。其原因是由于在重復(fù)的筑壩過程中，干灘前端的粗粒尾礦在水流沖刷下，受到水流的分選，被裹挾流向下游庫尾造成某一位置尾礦粒徑發(fā)生變化。

不同范圍顆粒粒徑在不同深度的含量變化趨勢如圖7所示。從圖7可以看出宏觀上隨鉆孔深度增加粗顆粒變少而細顆粒增加，呈現(xiàn)上粗下細的規(guī)律。同時不同深度還出現(xiàn)了粒徑的交錯變化、粗細相間的夾層、互層、交錯層等現(xiàn)象。一方面由于尾礦采用軟管分散放礦時，在每根軟管每次放礦結(jié)束后，水力驟降，尾礦漿即很快就地沉淀，形成粗顆粒在下，細顆粒粘粒在上的特點；另一方面由于沖溝不平，在停止放礦后，局部沖溝中凹凸地段會出現(xiàn)夾層、透鏡體現(xiàn)象，且在正常運行期間，停放某一軟管的同時會打開其他相應(yīng)軟管放礦，新開放礦管的漿液將有可能在停止放礦軟管前場地沉積新尾礦，覆蓋了原沉淀尾礦，產(chǎn)生新一輪的沉淀，如此重復(fù)交錯沉淀使尾礦沉積在垂直方向上即出現(xiàn)交錯層理的沉淀結(jié)構(gòu)。同時從圖7中 可以看出，相互交錯的夾層、交錯層只出現(xiàn)在11～32 m之間的深度，而在0～10 m和33 m的位置卻沒有出現(xiàn)上述相互交錯的表現(xiàn)情況，而出現(xiàn)粒徑的極差化現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因是因為此組數(shù)據(jù)表征的是已經(jīng)完成堆積的子壩顆粒沉積數(shù)據(jù)，在0～10 m的范圍內(nèi)，堆積子壩所用的筑壩尾砂是上一階子壩放礦堆積完成后沉積在壩前的粗粒組，所以在勘探點0～10 m的深度范圍主要是該階堆積壩前一階子壩的壩前位置，造成該深度范圍內(nèi)基本是粗粒組而細粒組含量極低，同時由于尾礦在干灘沉積表現(xiàn)出從壩前到庫尾為由粗到細的現(xiàn)象，而在33 m深的位置，已經(jīng)處于早期尾礦沉積的庫尾位置，沉積的基本上為細顆粒或者極微小顆粒，所以該位置的細粒含量非常多而粗顆粒很少。

圖7 不同粒徑在不同深度的含量變化趨勢Fig.7 Different particle size at different depths ofcontent trends

2 干灘顆粒流動特性分析

根據(jù)對尾礦庫顆粒沉積規(guī)律的分析，尾礦顆粒沉積從壩前到庫尾表現(xiàn)出由粗到細的沉積規(guī)律，且礦漿流速、干灘坡度、尾礦粒徑對于顆粒沉積特性均有重要的影響。因此基于恒定水流理論分析流速、干灘坡度、顆粒最遠沉積距離對沉積規(guī)律的影響，并建立三者影響顆粒沉積的數(shù)學模型。

2.1 顆粒遷移和沉積分析

尾礦顆粒在漿體中沉積與否與其漿體的流速、顆粒物理力學性質(zhì)等因素有關(guān)，且顆粒大小形狀不規(guī)則。因此，概化尾礦顆粒形狀為等量球體(見圖8)，在水流中只受拖拽力、上舉力、摩擦力、等效重力影響。因此，對于單一的尾礦顆粒，其分離流速公式計算如下。

圖8 尾礦顆粒受力分析Fig.8 Tailings particles force analysis

拖拽力：

(1)

上舉力：

(2)

等效重力：

(3)

摩擦力：

Ff=f(FG-FS)

(4)

式中：Ct，CS分別為拖拽系數(shù)和上舉力系數(shù)；ρ為尾礦顆粒密度,g·cm-3；γm分別為顆粒重度，kN·cm-3;γw為尾礦漿體的重度，L·cm-3；a為面積系數(shù)；di為顆粒的直徑，mm；vc為分離流速,m·s-1。

若尾礦顆粒在尾礦漿體中保持平衡，即需要：

Ftlt+Fsls+Fflf=FGlG，

令lt=ls=lf=lG，可得尾礦顆粒在水流中分離的流速：

(5)

即：

(6)

從式(5)～(6)中可看出，顆粒的分離流速和尾礦的粒徑、尾礦漿重度、尾礦顆粒密度、顆粒在漿體中的摩擦力有關(guān)，當選礦和放礦工藝一定時，尾礦顆粒的分離流速和尾礦顆粒粒徑線性平方根成正比。

同時，根據(jù)文獻[17]可知尾礦漿重量G與流速呈高次線性關(guān)系，引入式(1)，(5)，可得 ：

(7)

因此，對于顆粒在水流中的沉積現(xiàn)象：

2.2 顆粒運移距離分析

從第2.1節(jié)對于尾礦顆粒沉積特性的分析可知，尾礦顆粒沉積和顆粒的粒徑、物理力學性質(zhì)、放礦方式、漿體流速、干灘坡度等有關(guān)，同時由于尾礦漿體類似于無粘性水流，因此引入水流恒定總流能量方程[18-19]，并假定：

①尾礦漿體為恒定流；

②作用于尾礦漿體的質(zhì)量力只有重力；

③干灘過流斷面水流符合漸變流；

④干灘過流水面之間流量保持不變。

即：

(8)

Z1-Z2=Li

(9)

(10)

式中：z1為干灘前端總水頭；z2為干灘尾端總水頭，m；a1，a2為動能修正系數(shù)，一般令a1=a2=1；P1，P2為尾礦漿體表面壓強,kPa；ρ為尾礦漿密度,kg·m-3；hw干灘水頭損失,m；v1，v2分別為初始流速和某處平均流速,m·s-1；R為水力半徑,m；λ為沿程阻力系數(shù)；i為干灘面平均坡度,%。

由 (8)～(10)可得：

(11)

引入式(5)可得：

(12)

式中：M=2di(γm-γw)(f-1)；N=ρ[CS(1+f)+Ct]。

從式(12)中可以看出， 單顆尾礦排放后的最遠沉積位置和放礦的濃度、容重、顆粒粒徑、尾礦漿體流速、干灘坡度等方面有關(guān)，但是上式只是理想情況下單個顆粒最遠沉積位置的計算式，實際上并不是所有顆粒都能達到最理想的沉積點。因此，對式(12)進行一定的改寫，采用加權(quán)平均粒徑dcp[20]來描述尾礦顆粒整體的沉積特性，則上式可改寫為 ：

(13)

或者

(14)

式中：M,N為選定參數(shù)值；QK為單管礦漿排放流量,L·s-1；S為單口排放管橫截面積，m2。

對于一個礦山， 通常礦石性質(zhì)和選礦流程在一定時期變化不大，尾礦的物理性質(zhì)基本不變，因此對于加權(quán)平均粒徑dcp也可以用平均粒徑d50來進行表示。從式(12)～(14)可以看出，尾礦干灘面上顆粒沉積位置和尾礦漿流速成正比，和干灘坡度、尾礦粒徑成反比。即隨著尾礦漿體在干灘面上流速的增大，尾礦顆粒最遠沉積位置將會增大，而干灘坡度也將會制約尾礦顆粒沉積。同時，尾礦顆粒沉積規(guī)律還受到尾礦物理特性、放礦流量等因素的影響。因此，對于礦山，當一定時期選礦工藝變化不大時，放礦方式對于尾礦的堆存有著至關(guān)重要的作用，因此選擇合理的放礦方式對于壩體穩(wěn)定性具有重要的意義。

3 結(jié)論

1)干灘面上尾礦顆粒沉積規(guī)律宏觀上表現(xiàn)為前粗后細的規(guī)律，并可概化為“粗化—緩慢細化—細化”的過程，且局部位置出現(xiàn)粒徑的突變。而堆積壩體尾礦顆粒總體呈上粗下細的規(guī)律，且出現(xiàn)交錯變化、粗細相間的夾層、互層、交錯層等現(xiàn)象。

2)干灘面不同位置均出現(xiàn)了臨界粒徑，而該粒徑的出現(xiàn)標志某一粒徑尾礦含量的顯著增多，并可作為尾礦分類的標志。

4)推導公式表明：尾礦顆粒在干灘面上的沉積與尾礦顆粒流速成正比，和干灘坡度、尾礦粒徑成反比，同時還受到放礦流速、濃度、尾礦物理特性等因素的影響。

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