选矿尾砂在水流中的运动规律试验研究

罗平安，曹慧群，邢江鹏

(长江科学院a.流域水环境研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

矿产资源被广泛地应用于各个领域，对于我国经济社会的发展具有重大作用。泡沫浮选法是目前最普及的选矿方法。选矿过程将会产生大量的尾砂，目前对于尾砂的处置大部分选择堆放在尾矿库，而随着尾砂堆积量的增加，尾砂可能随降雨进入河道，对河流产生影响。

相关研究表明，水体中泥沙悬浮或淤积的状态与流速、含沙量、泥沙特性(粒径、密度等)等因素相关［1］。泥沙颗粒根据其粒径大小划分为6组［2］，文中所提及的选矿尾砂属于粉砂。国内对细颗粒泥沙的物理特性及其在水流中的运动规律展开了诸多研究。徐宏明等［3］对粉沙质海岸泥沙特性及其在水流作用下的起动进行了实验研究;黄建维等［4］通过试验研究了粉沙质海岸航道骤淤期的悬移质挟沙力，并在此基础上提出了粉沙质海岸骤淤期悬移质挟沙力公式;李宇等［5］研究了黏性泥沙在环形水槽内的运动规律，并指出采用环形水槽研究黏性泥沙起动、冲刷、落淤的优势;刘峰［6］研究了黏性细颗粒泥沙挟沙规律，并从黏性泥沙本身所特有的电化学性质出发，推导了黏性泥沙水流挟沙力的计算公式;任艳粉等［7］对中值粒径为24 um的拟焦沙的阻力特性及其水流挟沙能力进行了研究。

本文以选矿尾砂为研究对象，通过开展水槽试验，研究选矿尾砂在不同流速和不同投砂速率条件下的运动规律，对于掌握选矿尾砂在水流中的扩散和淤积规律具有重要意义。

2 选矿尾砂特性

基于选矿尾砂特殊的理化性质，在开展水槽试验前，测量分析了选矿尾砂包括密度和粒径在内的主要特性。

2.1 密度测量

本文利用李氏密度瓶(最小刻度为0.1 mL)对选矿尾砂干密度进行测量。测量得到的选矿尾砂干密度平均值为2.77 g/cm3，略大于一般泥沙的密度2.65 g/cm3［8］，这可能是由于选矿尾砂含有一定量的重金属，导致其密度略大于一般泥沙。

2.2 粒径测量分析

粒径对泥沙在水流中运动的影响较大，试验采用激光粒度仪(Mastersizer3000)测量尾砂粒径。测量得到的选矿尾砂中值粒径d50为46.7 um，d10和d90分别为6.3 um和133.0 um。根据其中值粒径来看，选矿尾砂属粉砂，为非均匀沙。图1为选矿尾砂的级配曲线。

图1 选矿尾砂级配曲线Fig.1 Gradation curve of tailings

3 试验方案

试验所采用的水槽为23 m×1 m×0.6 m的矩形(长 × 宽 × 高)，底坡0.1%，最大流量540 m3/h，具有完整的回水系统和测量系统。试验水槽布置如图2所示。

图2 试验水槽布置Fig.2 Layout of the test flume

为尽量减小来流波动对试验的影响，待水流从进口水池经过一次消能，进入水槽并经过二次消能后，在水流相对平稳的位置设置投砂口。基于此，投砂口设定在离水槽进口水池8 m的位置，近右边壁5 cm，并将此断面定义为起点0 m，同时，为避免出口尾门对试验影响，试验段选定为8～21 m，有效观测段13 m。

试验中，通过加砂设备，于水槽右侧将选矿尾砂投入设定好流量和水位的水槽中，取样测定含沙量并分析其变化规律;对排砂进入水槽的扩散情况进行拍摄;待放水投砂一段时间且水槽内有明显尾砂淤积后(A，B，C 组为1 h，D 组为0.5 h)，停止放水，缓慢排空水槽，测量尾砂淤积形态和轮廓，并分段收集淤积的尾砂，烘干称重研究尾砂沿程淤积的规律。通过上述方法，研究尾砂进入水槽后的扩散、淤积，以及含沙量的沿程变化规律。

根据前人的研究成果，结合试验水槽，拟定4组流速，分别为0.05，0.10，0.20，0.30 m/s(投砂口断面平均流速)，对应试验的流量和水位随流速增大而递增;投砂速率拟定3组，成比例增长。拟定的试验工况如表1所示。

表1 试验工况设置Table 1 Test schemes

4 试验结果分析

根据水槽试验结果，从尾砂扩散、淤积形态和淤积量沿程变化、沿程含沙量变化等方面，分析选矿尾砂在水流中的运动规律。

4.1 尾砂扩散规律

尾砂进入水槽后，存在明显扩散，如图3所示。A组试验条件(流速0.05 m/s)下图3(a)，尾砂进入水槽后同时发生纵向和横向扩散，纵向扩散速度大于横向扩散速度;D组试验条件(流速0.30 m/s)下图3(b)，尾砂进入水槽后顺水流方向迅速扩散，横向扩散相对较小，大部分尾砂随水流向下游运动，淤积的尾砂相对较少。

4.1.1 流速较小条件下的扩散规律(A，B组)

水流流速较小条件下，尾砂进入水槽后纵向与横向同步扩散，扩散距离随时间逐渐增大，如图3(a)、表2和表3所示。A组(0.05 m/s)试验下，23 s末，A1组试验尾砂的纵向扩散距离为1.25 m，小于同时刻A3组的1.35 m;A1组试验尾砂的横向扩散宽度为0.40 m，小于同时刻 A3 组的0.50 m。B 组(0.10 m/s)试验下，10 s末，B1组试验尾砂的纵向扩散距离为1.20 m，小于同时刻 B3组的1.28 m;B1组试验尾砂的横向扩散宽度为0.24 m，略小于同时刻B3组的0.25 m。分析得出，同一水流流速下，在同一时刻，投砂速率越大，其纵向扩散距离和横向扩散宽度越大。

表2 A1，A3组尾砂进入水槽初期扩散距离Table 2 Diffusion distance of tailings group A1 and A3 at the beginning of diffusion

图3 尾砂扩散情况Fig.3 Diffusion of tailings

表3 B1，B3组尾砂进入水槽初期扩散距离Table 3 Diffusion distance of tailings group B1 and B3 at the beginning of diffusion

4.1.2 流速较大条件下的扩散规律(C，D组)

水槽流速较大条件下，尾砂进入水槽后沿纵向上迅速扩散，扩散距离随时间迅速增大，横向扩散宽度上变化不大，如图3(b)和表4所示。C组(0.20 m/s)试验下，6 s末，C1组试验尾砂的纵向扩散距离为1.33 m，略小于同时刻C3组的1.35 m。D组(0.30 m/s)试验下，6 s末，D1组试验尾砂的纵向扩散距离为1.50 m，小于同时刻 D3组的1.70 m。

表4 C1，C3，D1，D3 组尾砂进入水槽初期纵向扩散距离Table 4 Longitudinal diffusion distance of tailings group C1，C3，D1 and D3 at the beginning of diffusion m

4.2 尾砂淤积规律

4.2.1 淤积形态分析

选取不同流速下投砂速率最大的工况(A3，B3，C3，D3)，分析尾砂进入水槽后的淤积形态。

从纵向看，由于尾砂刚投入水槽时的扩散作用和上游来流作用，尾砂淤积起始断面随流速增大向下游移动，如图4所示。流速较小时，尾砂主要淤积在投砂口及其下游附近，淤积长度较短，如A3组起始淤积断面为－0.15 m(投砂口位置为0 m)，B3组起始淤积断面为0 m;流速较大时，尾砂从距投砂口一定距离后开始淤积，如C3组起始淤积断面为0.12 m，D3组起始淤积的断面为0.40 m，且沿程淤积量相对较小，大部分尾砂随水流向下游运动。

图4 不同工况下尾砂淤积形态Fig.4 Morphology of tailings deposition in different test conditions

从横向上看，随着流速增大，进口段尾砂淤积的宽度变窄。流速较小时，进口段尾砂横向淤积的宽度较大，如距投砂口1 m断面处，A3和B3组的横向淤积宽度分别为0.85 m和0.65 m;流速较大时，进口段尾砂横向淤积的宽度较小，如距投砂口1 m断面处，C3和D3组的横向淤积宽度分别为0.40 m和0.36 m。

4.2.2 淤积量分析

为进一步分析尾砂淤积沿程分布规律，烘干称重水槽内分段淤积的尾砂。

流速较小时(A组与B组)，尾砂淤积量沿程先迅速减小，而后基本不再增加，如图5所示。大部分尾砂淤积在0～2 m的范围内，约在3 m断面后，淤积量基本不再增加。因此，流速较小时，大部分尾砂淤积在水槽内。同一流速下，投砂量的增加导致淤积量的增加，尾砂淤积量占总投砂量的比例增大，如A1，A2，A3组尾砂淤积总量分别占投砂总量的67.3%、72.6%和85.8%，B1，B2，B3 组尾砂淤积总量分别占投砂总量的43.6%，48.4%，56.9%，详见表5。综合对比A组与B组发现，流速越小，尾砂淤积量占总投砂量的比例越大。

图5 不同工况下的尾砂沿程淤积分布Fig.5 Distribution of tailings deposition along the channel in different test conditions

表5 不同工况下的尾砂总淤积量Table 5 Distribution of deposition amountin different test conditions

流速较大时(C组与D组)，尾砂淤积量沿程先保持不变或略有增加，而后逐渐减小，如图5所示。同一流速下，投砂量的增加导致淤积量的增加，尾砂淤积量占总投砂量的比例增大，如C1，C2，C3组尾砂淤积总量分别占投砂总量的30.3%，35.3%，44.6%，D1，D2，D3 组(加砂0.5 h)尾砂淤积总量分别占投砂总量的21.8%，22.5%，24.9%，详见表 5。综合对比C组与D组发现，流速越大，尾砂淤积量占总投砂量的比例越小。

总之，水流流速越大，尾砂淤积量占总投砂量的比例越小;同一流速下，投砂量的增加导致淤积量的增加，尾砂淤积量占总投砂量的比例增大。

文献［9］在研究瞬时排放泥沙颗粒团在水流中的扩散规律中指出，在实验范围内，对同一粒径组和初始体积的泥沙团，水流速度越小，泥沙颗粒团的垂向前锋位置越大，原因可能是较小的水流速度，较小地减少了泥沙颗粒团垂直向下的速度，泥沙沉积的越快。水流流速较大时，由于总体上增大了扩散范围，使得泥沙颗粒团与周围水体之间的密度差减小了，从而使泥沙颗粒团垂向向下的运动速度减小了，泥沙就会随水流向下游运动。

4.3 含沙量沿程变化规律

由于投砂口位于水槽右侧，根据尾砂扩散实际情况，沿程布设7个断面测量沿程含沙量的分布，分别是0.2，1，2，4，6，9，13 m。试验中，采集各断面近右边壁的水样，取样点离边壁约20 cm。

投砂口在横断面上的位置影响了水体含沙量的分布规律。对于近排砂口一侧(近右岸)，含沙量沿程先迅速减小，而后逐渐降低，最终基本趋于不变，如图6所示。各工况下近排砂口一侧的含沙量沿程分布均与指数公式拟合得较好，相关系数在0.9左右;对于远离投砂口的一侧(近左岸)，含沙量沿程变化不大，整体上沿程先增大，在1 m断面附近达到峰值，而后逐渐减小，最后基本保持不变。

图6 不同工况下沿程含沙量分布Fig.6 Distribution of sediment concentration in different test conditions

对于同一断面，由于投砂口位于右侧，各工况下水槽上段近右岸的含沙量明显大于近左岸的含沙量;随水流向下游，尾砂在流速和自身扩散的双重作用下，在横向上发生扩散，逐步混合，且在9 m断面以后，近右岸和近左岸的含沙量相差较小。因此，在距排砂口9 m以后，尾砂在横向上充分扩散，基本混合均匀。

5 结论

本文从尾砂扩散、淤积形态和淤积量分布、含沙量沿程分布等几个主要方面研究了选矿尾砂进入水槽后的扩散和运动规律，主要结论如下:

(1)扩散规律:尾砂进入水槽后，存在明显扩散。尾砂进入水槽初期，当水流流速较小时，纵向和横向同时扩散;流速较大时，尾砂顺水流方向迅速扩散，而横向扩散宽度变化不大，且大部分尾砂随水流向下游运动。

(2)淤积规律:随着流速增大，随水流向下游运动的尾砂增多，淤积比例减小。A组(流速0.05 m/s)试验尾砂淤积总量占投砂总量的67.3%～85.8%，B组(流速0.10 m/s)为43.6%～ 56.9%，C 组(流速0.20 m/s)为30.3%～44.6%，D 组(流速0.30 m/s)为21.8%～24.9%。同一流速下，投砂速率越大，尾砂淤积的比例越大。

(3)含沙量沿程变化规律:近排砂口一侧(近右岸)的含沙量沿程先迅速减小，而后逐渐减小，最后基本保持不变，其沿程分布与指数公式拟合地较好，相关系数在0.9左右;近左岸的含沙量沿程先增大，在1 m断面附近达到峰值，而后逐步减小，最后基本保持不变。在距排砂口9 m以后，尾砂在横向上基本混合均匀。

综上所述，若大量选矿尾砂随水流进入河道，可能会使排砂口附近局部水体含沙量增加，局部河道的淤积略有增加，河床抬高，影响河道的过流能力;尾砂淤积在河底，特别是细颗粒泥沙容易板结，对河流生境造成影响。

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