放礦條件下塌陷區(qū)內(nèi)尾砂穿流特性

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(yáng) 110819)

隨著我國(guó)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(kù)中，利用率僅為8.3%左右.尾礦庫(kù)堆存不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接污染.同時(shí)，尾礦庫(kù)也是一個(gè)重大的安全隱患，尾礦庫(kù)潰壩等重大事故時(shí)有發(fā)生[1-2].尾礦干式堆存是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型尾礦處置方法，具有基建投資少、維護(hù)簡(jiǎn)單及綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，已在美國(guó)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(guó)的壽王墳銅礦、歸來(lái)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(guò)小或沒有黏度，導(dǎo)致干排區(qū)域和地點(diǎn)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(duì)于尾砂干排在活動(dòng)地表塌陷區(qū)內(nèi)的研究較少，尤其是井下開采對(duì)尾砂穿流特性的影響研究.

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量也在不斷提高，帶來(lái)的巖移和地表變形問(wèn)題日趨嚴(yán)重.地表塌陷將會(huì)嚴(yán)重威脅礦山開采及工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)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(duì)井下回采的影響，不僅可以處理塌陷區(qū)造成土地浪費(fèi)問(wèn)題，也可以避免尾礦處理造成的資源浪費(fèi).

本文以本溪大北山鐵礦干排尾砂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了放礦條件下尾砂穿流特性實(shí)驗(yàn)，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(jī)實(shí)現(xiàn)尾砂移動(dòng)可視化，研究尾砂的移動(dòng)規(guī)律，為類似礦山尾砂干排塌陷區(qū)提供借鑒.

1 實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)采用立體模型架，為了便于觀察實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，模型前面為有機(jī)玻璃；為了保證設(shè)備強(qiáng)度，其余三面為鋼板.實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)×寬)，在模型背部最下部布置了6個(gè)放礦口，放礦口尺寸為3 cm×3 cm(長(zhǎng)×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(shí)驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對(duì)放礦過(guò)程進(jìn)行拍攝，高速攝像機(jī)采用德國(guó)Allied Vision公司的GC2450C，它在分辨率為2 448×2 050的情況下可以達(dá)到每秒15幀，并且隨著分辨率的下降，還可以進(jìn)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(duì)拍攝畫面進(jìn)行調(diào)控，在實(shí)驗(yàn)完成后使用Insight 4G軟件對(duì)拍攝圖片進(jìn)行分析，即可得到尾砂的移動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了尾砂移動(dòng)過(guò)程的可視化，并配有三腳架用來(lái)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)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(duì)尾砂到達(dá)放礦口時(shí)間的影響.同時(shí)，為了進(jìn)一步研究松動(dòng)體和尾砂到達(dá)放礦口時(shí)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(shí)驗(yàn).松動(dòng)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(dòng)體的高度，m；h是放出體的高度，m.

圖2 實(shí)驗(yàn)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(dá)放礦口時(shí)，松動(dòng)體的垂直高度剛好到達(dá)尾砂和白云巖散體的交界面，即可以觀察松動(dòng)體對(duì)尾砂流動(dòng)特性的影響情況.具體實(shí)驗(yàn)方案見表2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用6個(gè)放礦口均勻放礦，每次放礦量為200 g.

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

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

對(duì)于采動(dòng)地表塌陷區(qū)內(nèi)干排尾砂，研究單個(gè)尾砂顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)意義，只有研究大面積的尾砂移動(dòng)規(guī)律才有工程意義，因此僅對(duì)大面積的尾砂移動(dòng)進(jìn)行研究.將軟件分析的速度云圖與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝的圖片相對(duì)比，得出速度云圖中出現(xiàn)的正向快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域和反向快速運(yùn)動(dòng)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(shí)，受到重力作用，尾砂顆粒會(huì)通過(guò)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(dòng)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(dá)到放礦口時(shí)，可以看出尾砂層發(fā)生大面積快速移動(dòng)，在白云巖散體層中出現(xiàn)的反向快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域和正向快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域明顯增多，尾砂隨即大量穿流到達(dá)放礦口.即當(dāng)松動(dòng)體的垂直高度到達(dá)尾砂和白云巖散體交界面時(shí)，尾砂受到放礦擾動(dòng)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(dòng)提供空間.放礦過(guò)程中，顆粒的移動(dòng)速度與顆粒的粒徑成反比，因此白云巖散體的移動(dòng)速度遠(yuǎn)小于尾砂顆粒的移動(dòng)速度.隨著下部放礦的進(jìn)行，導(dǎo)致尾砂顆粒先于散體到達(dá)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(fèi)用.因此，得出松動(dòng)體的高度對(duì)尾砂到達(dá)放礦口的時(shí)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(dòng)體高度就可以避免尾砂大量到達(dá)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(guò)方案四～方案七的實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(guò)程中，松動(dòng)體未到達(dá)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(huì)沿著白云巖散體中原有的孔隙移動(dòng)，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(dòng)，尾砂顆粒將很快到達(dá)放礦口，且尾砂的放出量不斷增加.因此，尾砂層的厚度對(duì)于尾砂大量到達(dá)放礦口時(shí)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(dòng)體范圍之上，向塌陷區(qū)內(nèi)持續(xù)干排尾砂不會(huì)導(dǎo)致尾砂大量到達(dá)放礦口.

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析得出，礦巖散體高度對(duì)尾砂到達(dá)放礦口的時(shí)間影響較大，只要保持礦巖散體高度始終大于松動(dòng)體高度就可以減緩對(duì)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(shí)驗(yàn)，采用高速攝影技術(shù)，可視化研究放礦條件下活動(dòng)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(guò)不同礦巖散體高度的尾砂穿流特性實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)松散體的高度小于尾砂和礦巖散體的交界面時(shí)，尾砂不能到達(dá)放礦口；當(dāng)松散體的高度高于交界面時(shí)，尾砂顆粒先于散體到達(dá)放礦口，造成了礦石貧化也增加了選礦費(fèi)用.

3) 通過(guò)不同尾砂高度的尾砂穿流特性實(shí)驗(yàn)得出，尾砂層的厚度對(duì)于尾砂到達(dá)放礦口的時(shí)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(dòng)體范圍之上，向活動(dòng)地表塌陷區(qū)內(nèi)持續(xù)干排尾砂對(duì)礦石貧化的影響較小.