礦體的滲透特性試驗研究

司俊廷，李 濱，安 寧

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽二礦，遼寧 沈陽 110000）

滲透是指水體在物質空隙中流動的過程，任何物質都具備滲透特性，尤其像礦體這種蜂窩結構的巖土體。礦體具有滲透的特性稱之為礦體的滲透特性，水體在礦體空隙流動過程中會引發(fā)礦床邊坡失穩(wěn)、變形、巖溶滲透塌陷等滲透穩(wěn)定的問題，導致在對礦產勘查或者開采過程中經常出現(xiàn)事故，據(jù)有關統(tǒng)計資料顯示，因礦體滲透特性而引發(fā)的安全事故占礦產事故總體的34.6%，因其造成的經濟損失高達2.65億～3.15億。為了盡可能地避免在開展礦產活動中出現(xiàn)事故，已經將礦體的滲透性能列為礦產地質勘查關鍵項目行列中，并且在對礦體開采之前都需要經過準確的測試，了解礦體的滲透性能[1]。但是礦體不同于其他物質，很難將一般物質的滲透規(guī)律以及滲透測試運用到礦體的原地浸礦工藝中，礦體內部的蜂窩結構比較脆弱，水體浸流過程中在水的沖擊作用下，會使礦體內部的空隙發(fā)生改變，從而使礦體的滲透性能發(fā)生變化，這導致了礦體的滲透特性具有多變性和不確定性，對礦體的滲透特性研究具有一定的難度，并且截止到目前為止，也沒有明確礦體的滲透特性，為此提出礦體的滲透特性試驗研究。此次通過試驗對礦體的滲透特性進行深入研究，分析礦體的滲透規(guī)律，為礦體浸礦提供理論依據(jù)。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

試驗選取某礦山礦體為研究對象，分別選取兩種粒徑范圍的礦體，其中將粒徑范圍在0.015 mm～0.035mm的礦體列為A組試驗樣本，將粒徑范圍在0.045mm～0.085mm的礦體列為B組試驗樣本，每組試驗樣本各1000g，平均分為10小份礦體樣本。礦體性質均屬于砂巖，內部結構均為蜂窩狀[2]。兩組礦體樣本在基本資料方面比較差異均無統(tǒng)計學意義，具有一定的可比性。

1.2 試驗裝置

試驗中主要采用柱浸裝置，該裝置是由一個直徑為105mm的圓柱形PVG管、底板、濾紙以及供水管所組成，如下圖所示。

圖1 試驗裝置示意圖

PVG管的底部用螺紋連接一個開口蓋子，用于安裝底板，底板選用金屬材質，在地板上鉆一個直徑為1.55mm的小孔，并且在底板與PVG管連接處以及PVG管頂端各方一層濾紙，為了避免硫酸銨溶液腐蝕PVG管及底板。

1.3 試驗方法

滲透性能測試分為室內和室外兩種，就可靠度來說，室內測試更加方便，測試結果不會受到外界因素影響，可靠性更高[3]。但是現(xiàn)場測定礦體滲透特性對于礦產工程非常必要，因此此次采用室外測試。首先將A、B兩組礦體分別填裝到各自的測試裝置中，采用分層填裝的方式，每次填裝完后需要進行壓實，直到PVG管中填滿礦體為止，填裝完后要對表面進行查看，壓實的礦體不得出現(xiàn)表面抓毛現(xiàn)象，避免礦體樣本出現(xiàn)的土層分界現(xiàn)象。當填裝完礦體樣本之后，向水管中注入清水，清水經過水管進入到礦體中，開始穩(wěn)定滲流，向礦體中注水的時間為24小時[4]。然后向礦體中注入硫酸銨溶液，硫酸銨溶液注入時間為12小時，硫酸銨溶液注入的目的是為了破壞礦體的內部結構，實現(xiàn)瞬時置換，這樣可以更好地測試出礦體的滲透特性[5]。硫酸銨在注入之前需要對其進行配置，在實際浸礦過程中注入的硫酸銨溶液濃度為4.5%，因此測試過程中注入的硫酸銨溶液濃度也為4.5%，在100蒸餾水中加入4.5克硫酸銨結晶，將溶液進行均勻攪拌，靜置15min后將其注入到礦體中。

在清水注入階段，礦體的滲流量和水頭高度可以反映出礦體在水的作用下滲透特性的變化，而注入硫酸銨溶液階段，礦體的滲流量則直接反映出礦體內部結構發(fā)生變化是滲透性的變化，因此在試驗過程中需要記錄不同粒徑范圍的礦體滲流量、水頭高度等參數(shù)[6]。在試驗裝置底部開始出水的前2h～3h內，礦體滲透性能是處于不穩(wěn)定階段，該時間段不進行數(shù)值記錄；在之后的4～18小時時間段，礦體滲透性能逐漸趨于穩(wěn)定，此時每2.5min進行一次數(shù)值記錄，每15min測一次礦體滲透量。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計算出礦體在滲流過程中水力梯度，其計算公式如下：

公式（1）中，i 表示礦體的水利梯度；Δh 表示水頭高度，即礦體頂部水面與礦體底部水頭的差值；L 為礦體滲流路徑長度。礦體底部水頭計算公式如下：

公式（2）中，hd表示礦體底部水頭；u 為水流速度；g 為水體的重力加速度；p 為水管的水壓；r 為水體的重度；q 為基準面的高程。礦體滲流量的計算公式為：

公式（3）中，f 為礦體的滲流量；w 為流入到礦體的水的體積；t 表示滲流時間。最后根據(jù)測量和記錄的滲流數(shù)據(jù)，計算出礦體的滲透系數(shù)，其計算公式如下：

2 試驗結果

根據(jù)上述試驗方法完成對礦體的滲透特性試驗，運用公式（4）計算出兩組礦體的滲透系數(shù)，其結果如下表所示。

表1 兩組礦體滲透系數(shù)

為了更加深入地了解到礦體的滲透性能，還根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制了礦體水力梯度曲線圖，如下圖所示。

圖2 礦體水力梯度曲線圖

圖1 為粒徑范圍在0.015mm～0.035mm的礦體與粒徑范圍在0.045mm～0.085mm的礦體在測試中，礦體內水利梯度變化曲線，根據(jù)以上試驗結果對礦體的滲透特性進行分析和討論。

3 試驗結果討論

從表1中可以看出，A組礦體的滲透系數(shù)低于B組礦體的滲透系數(shù)，當粒徑范圍在0.015 mm～0.035mm之間時，滲透系數(shù)隨著礦體粒徑的增加而變大；而當粒徑范圍在0.045mm～0.085mm之間時，礦體滲透系數(shù)起初是隨著礦體粒徑的增加而變大，但當?shù)V體粒徑超過0.055mm時，礦體的滲透系數(shù)逐漸減小。由此得知，礦體的滲透性能與礦體粒徑的大小有直接關系，礦體粒徑越小，滲透性能越差，當?shù)V體粒徑達到一定數(shù)值時，礦體的滲透性能反而降低，即0.55mm粒徑的礦體滲透性能最好。從圖1中可以看出，A組礦體的水利梯度明顯低于B組，即顆粒比較小的礦體水力梯度越小。這主要是因為小粒徑的礦體孔隙率較低，在滲流過程中不利于水體的流經，存水的空間比較小，不容易注水，所以水利梯度比較小，滲透性能比較差；而大粒徑的礦體具有較大的孔隙率，在滲流過程中有充足的空間利于水體流過，所以水利梯度比較大，滲透性能比較好。

4 結語

本文以試驗的方式對礦體的滲透特性進行了研究，明確了礦體的滲透規(guī)律，有利于原地浸礦工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新，為提高采礦過程中礦體邊坡的穩(wěn)定性和安全性提供保證。