某铜矿全尾砂充填体脱水研究

张 磊，吕力行，吴昌雄

（昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明650093）

在解决矿山采空区以及矿山地压问题上常用“封、崩、撑、充”等四种方法，其中以充填采空区来解决矿山地压是四种方法中最为可靠的一种。很多矿山用细颗粒的尾砂作为充填料［1－2］，一是可以解决充填料不足的问题，二是可以减少尾矿库的建设和维护费用、占地面积以及民事纠纷。然而，全尾砂充填矿山因充填料的粒度细，保水性好，渗透性差，脱水问题显得突出［3］。

某矿尾砂颗粒过细，并出现严重的泥化现象，尾砂浆自然沉降达到所要求的浓度需要的时间长、沉降浓度低，难以组织尾砂沉降循环作业。尾砂充填体上方形成的细泥隔水层上方有大量的水，可以通过钻孔溢流等措施脱出，然而待充填体上部的澄清水排出后，充填体内部的水仅仅靠充填井渗流脱水是远远不够的，且充填井容易被细颗粒尾砂堵塞，如果不采取任何措施，充填体脱水速度非常慢，影响充填体的质量和充填的效率。为此，本文着重研究充填体内部如何快速脱水。

1 全尾砂充填脱水机理及理论研究

1．1 充填体的含水性［4－5］

充填体是松散体的一种，尾砂颗粒本身又含有电荷，因此其含水情况比较复杂，可以概括为吸着水、薄膜水、自由水等。

1）由于颗粒表面有电荷，要吸着周围的水，吸着水牢固地凝固在尾砂颗粒周围，与尾砂颗粒形成一体。据资料，吸着水在105℃以上的烘烤才可以蒸发掉，这种水称为吸着水。吸着水外面又有一层水分子受尾砂颗粒表面电荷吸引而吸附在尾砂颗粒的周围，其不能自由移动，又称为弱束缚水。有资料表明，一般固体颗粒的分子水膜厚度为10－6～10－4mm。因为吸着水与弱束缚水没有充填颗粒间的全部孔隙，所以它们不能传递静水压力。

2）自由水是存在尾砂颗粒周围电荷引力范围外的水，这部分水存在于充填料固体颗粒中的较大孔隙内，具有水的一般特性，能在充填颗粒间自由流动，在重力的作用下向下流动，因此又称重力水。在细颗粒充填体中，颗粒的孔隙较小，这部分孔隙含有的水体表面受到表面张力的作用，这种水称为毛细水。毛细水随着水头表面的高低而浮动。

吸着水与弱束缚水束缚在尾砂颗粒的表面上，而颗粒间的表面束缚水通过范德华力使两颗粒相互吸引，这种吸引力使得颗粒相互聚集，并形成一定的强度，这种水只有在烘干到105℃时才会脱出束缚水，因此这两种水不是脱水的对象。至于毛细水，它不是存在于水体的内部，只是存在于水体表面以上的孔隙中，距水体有一定的距离，随着水体的消失而消失，因此毛细水也不是脱水的对象。所以尾砂充填体脱水的对象是自由水，尾砂脱水的速度由充填体本身性质决定。

1．2 充填体渗透脱水的速度［6－8］

充填料的渗透性能的好坏，表征着水从固体颗粒间的孔隙穿过的能力，它决定着充填体的脱水速度。充填体的渗透性能用渗透系数来表征，其物理意义是单位水力坡度的渗透速度。充填体脱水时，水流从尾砂的孔隙中流过，固体颗粒对水流的阻力很大，特别是在细颗粒的尾砂充填料中，水的渗透速度明显减小。

式中：Q—渗流量；A—断面面积；v—渗流速度的大小；i—水力坡度；H1、H2—渗流上、下游断面的水头；K—渗透系数；L—水流流经充填体的长度。

由式（1）、（2）可知，渗透速度与渗透系数、水力坡度成正比关系，与水头压差成正相关，与水流经过的距离成负相关关系。但对于固定的采空区，其所用充填尾砂是全尾砂，因此，充填体的渗透系数K是固定不变的。因此欲提高充填体的脱水速度，可以采取以下措施：1）在采空区下部设置一个负压机，增加充填体的水头压差；2）缩短水流在充填体内部的流经距离，即在充填体内部设置一些渗透管，让充填体内部的水流不再经过充填体，而是直接流向渗透管内，由渗透管将充填体内部的水流排出充填体［9］。

2 模拟试验

水在充填体介质中流动，其流动的路程是相当复杂的。无论从理论分析还是从试验手段，都很难确定水在充填体的流动真实运动要素，从工程应用的角度来说也没有必要。不如直接测量其结果。

2．1 试验方案

本试验采用负压式淋浴器所配的喷射泵作为负压源，利用渗透管来缩短水流在充填体内流经的路程，即水流直接流入渗透管内，而不再经过充填体本身，即缩短水流流经充填体的路程。

室内试验模拟矿山的充填方法，利用4组试验进行效果对比，而本试验仅考虑从充填体内部渗透脱水：

1）不采取任何措施，让充填体自然脱水。

2）充填体的底部仅采取负压脱水，利用喷射泵产生负压进行脱水。

3）仅采用渗透管进行脱水。

4）采用负压和渗透管联合脱水。

2．2 试验材料

本次试验直接从某矿选矿厂尾砂池取全尾砂作为样品，选用尾砂浆浓度为70%（与现场充填用的尾砂浆浓度一致）进行试验。该尾砂的物理、化学特性如表1、2所示。在室内设置4个相同的实物模型，模型尺寸是实际采空区的尺寸按一定比例缩小，长、宽、高按1︰102建立0．5m×0．7m×1．2m的模型，另外模型倾斜30°，并用支架支撑，模型底部用小孔模拟采场堑沟，直径为12cm，附近用废石填塞，防止细砂流出。渗透管若干支，直径为3cm，管壁上每圈打6～7个直径为0．9cm的等间距泄水孔，相邻两圈的泄水孔沿管壁方向上错开，且管壁外包扎2～3层147μm的尼龙滤布。负压器选用负压式淋浴器所配的喷射泵，负压器断面直径为6 mm。

2．3 试验步骤

将搅拌均匀的尾砂浆按照矿山的生产中的工作制，每24h充填一次，每次充填量为50～55L，流速控制在10～12mL／s，防止流速过大对渗透管产生影响，每次充填时间为70～80min。水流从试验模型内流出的流量每小时记录一次，直到第二天进行充填，如此循环。

其中渗透管设置在试验槽内等距离的位置，如 图1所示。

表1 尾砂的物理性质Table 1 The physical properties of tailings

表2 尾砂的化学成分Table 2 The chemical constituents of tailings

图1 模拟充填体脱水系统示意图Fig．1 The sketch map of simulated filling body dehydration system

图2 试验槽内渗透管布置示意图（单位：m）Fig．2 The sketch map of percolation pipes arranged in test tank（unit：m）

2．4 试验结果及分析

充填试验过程中，各组的出水量结果见表3、4、5、6、7。

通过以上4组试验得知，负压与渗透管联合脱水速度最快；其次是渗透管脱水；自然脱水的速度最慢。

试验过程中，通过负压脱水总是会带出泥沙。且负压需要额外的电能，因此成本最高。渗透管脱水、负压与渗透管联合脱水的效果几乎差不多，且又不需要额外的费用。因此综合考虑选择渗透管脱水对矿山较为有利。

表3 充填完毕至充填体停止流水的时间Table 3 The time of filling body dehydration stops from filling completed

表4 自然渗透脱水量实测值Table 4 The measured values of dehydration without any measures

表5 负压渗透脱水量实测值Table 5 The measured values of dehydration with negative pressure

表6 用渗透管渗透脱水量实测值Table 6 The measured values of dehydration with percolation pipe

表7 负压与渗透管联合渗透脱水量实测值Table 7 The measured values of dehydration with percolation pipe and negative pressure

3 现场状况

根据室内试验的结果，该矿在640中段I3矿体32I试验盘区进行全尾砂充填脱水试验。将渗透管设置在采空区，在680水平的充填井至660水平电耙巷的围岩上固定钢丝绳，将被2层147μm的尼龙布包裹的滤水管（现场使用的渗透管直径为160 mm，管壁上渗透孔径为10mm，孔间距8～10cm）悬挂于钢丝绳上，其结构示意图如图3。

图3 采空区充填体脱水系统示意图Fig．3 Sketch map of filling body dehydration system in goaf

根据室内试验的结果，矿山采用渗透管进行充填体脱水，其渗透脱水速度非常快。在靠近试验采空区的一侧用浅孔钻机在巷道壁上钻取样孔，取出一定量的尾砂，称质量、烘干后计算得出其含水率普遍为11．5%～20%。充填结束后充填体含水率达到10%以下需要2～3个月。由此可知，通过使用渗透管脱水可以达到矿山充填的要求，且成本也非常低。因此，使用渗透管进行充填体脱水是合理的，是完全可以接受的。

4 结论

1）水在充填体内部的渗透速度与水头压差成正比，与流经充填体的路程成反比，因此在充填体底部设置一个负压或者在充填体内部设置渗透管以减少水流在充填体内部流经的路程。

2）通过在全尾砂充填体下部设置负压，其脱水虽然速度非常快，但容易吸出泥砂，且渗透管容易被细泥堵塞，在实际工程中不宜采用。

3）通过在充填体内部设置渗透管可以较快地脱出充填体内部的水，成本较低，满足矿山的要求。

［1］ 郑巨明，奉 欣，饶帮良，等 ．细粒尾砂作为充填料脱水措施的研究［J］．资源环境与工程，2007，21（2）：184－186．

［2］ 吴东旭，唐 飞 ．大红山铜矿全尾砂充填的试验研究［J］．有色金属设计，2007，34（2）：7－10，20．

［3］ 邓延忠 ．含细粒尾砂作为充填料的可行性研究［J］．化工矿物与加工，1987，16（5）：13－15．

［4］ 马池香 ．尾矿坝渗流场分析及其水土交互作用机理研究［D］．沈阳：东北大学，2008．

［5］ 刘可任 ．充填理论基础［M］．北京：冶金工业出版社，1982：150－152．

［6］ 韦华南 ．水力充填负压强制脱水研究［D］．长沙：中南大学，2010．

［7］ 郭东屏，张石峰 ．渗流理论基础［M］．西安：陕西科学出版社，1992．

［8］ 孔祥言 ．高等渗流力学［M］．合肥：中国科技大学出版社，1999．

［9］ 胡飞宇 ．安庆铜矿采场充填脱水方法的选择及应用［J］．金属矿山，1998（8）：13－16．