水砂充填的合理尾砂级配选择的试验研究

张磊

张磊淤ZHANGLei曰吕力行淤LVLi-xing曰杨宏兴于YANGHong-xing（淤昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093；于玉溪矿业有限公司大红山铜矿，玉溪653405）（淤FacultyofLandResourceEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，China；于YuxiMiningIndustryCo.，Ltd.DahongshanCopperMine，Yuxi653405，China）

摘要院目前，采用全尾砂充填脱水速度慢，且容易堵塞渗透管等不利原因，在矿山充填往往采用分级尾砂。由于分级尾砂的渗透性对脱水速度等性能有直接的影响，因此从理论分析了尾砂的级配与渗透率的关系，并通过试验得到了对矿山较为有利的尾砂级配作为充填料。

Abstract:Currently,duetotheunclassifiedtailingsdehydrationslow,andeasytoplugpenetrationtube,andsoon,themineareoftenusedclassificationtailings.Sincethepermeabilityoftailingsgradinghasadirectimpactontheperformanceofthedehydrationspeed,analysisoftherelationshipbetweenthetailingsgradationandpermeability,andgetmorefavorablegradingasafillingmaterialforminebyexperiments.

关键词院分级尾砂；脱水速度；尾砂级配；渗透系数

Keywords:classedtailings；thespeedofdehydration；tailingsgradation；coefficientofpermeability

中图分类号院TD803文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）02-0288-030

引言在解决矿山采空区以及矿山地压的问题上常用的方法有“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[1-2]。处理采空区所用的充填物料来源各异，一般为矿山开拓产生的废石以及选厂尾砂作为充填料[3]，若全部用矿山废石处理采空区，脱水问题就不会存在，但矿山废石的量有限，仅用废石填充采场堑沟，防止细沙流出，目前，大多数矿山采用分级尾砂充填，利用全尾砂充填是今后充填的发展趋势。矿山一般采用水砂充填，水砂充填采空区是将选厂的尾砂通过水力管路以一定的浓度从地面充填自备站输送至采空区的一种办法，输送过程中，尽量要求尾砂浆含水较高，以便提高输送速度以及防止堵塞管道。在充填体内的多余的水分通过提前铺设的脱水管或脱水井重力自流疏干，要求充填体脱水的时间尽量的短，以便后续作业[4]。由于尾砂的粒径较细，保水性好、渗透性差，脱水问题显得突出[5]，矿山不得不采用分级尾砂进行充填。在保证可接受的脱水效果上，尽量的提高尾砂的利用率的研究对矿山生产人员在选择合理的尾砂级配、提高充填体的脱水效率具有重要的意义。

1尾砂充填脱水机理及理论研究1.1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，它决定这充填体的脱水速度。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渗流，渗透速度明显减小。

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

由（1），（2）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。由此可知，欲提高充填体的渗透脱水速度，只需将在充填体底部制造一个负压场，或者缩短水流在充填体经过的路径就可以达到提高充填体的脱水速度，再者提高尾砂充填体的渗透率。欲提高充填体的脱水速度，可以在采空区底部设置一个负压机，增加充填体的水头压差；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；再者就是利用分级尾砂，提高尾砂充填体的渗透率。然而，采用负压脱水会造成诸多问题，如采场不密闭、脱水孔堵塞、从采场内抽出大量的尾砂、能耗问题等等，在矿山不宜采用；在采空区安设脱水管可以提高脱水速度，但必须防止细粒尾砂堵塞充填脱水管，尽量提高尾砂的利用率的同时采用分级尾砂。

1.2充填体颗粒的渗透率的影响因素[9]渗透率K是水砂在充填体内渗流最重要的参数之一。由于充填尾砂经管路输送至采空区，由于充填尾砂堆积形成的孔隙断面大小、形状不规则，水流在其中流动的路程是相当复杂的，无论是从理论上分析还是从试验的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。此类问题往往从宏观试验进行研究。

由于尾砂颗粒的形状不规则、大小不等因素，通过上式较难描述尾砂的渗透率。东北工学院的孙凯年、刘可任以及孙豁然通过试验数据得到结论公式：

其中b'、a'为系数，b是与矿物成分有关的系数，e为自然对数的底，s为比表面积。尾砂充填料的渗透系数是由其孔隙率、比表面积以及矿物的成分等因素决定的。对于相同的矿物成分的尾砂具有相同的系数b值。

1.3采场充填料沉降模型[10]根据矿山的实际情况，充填料进入井下采空区时，由于充填尾砂粒径不同，粒度较细的尾砂悬浮在水中，容易随着水流从粗颗粒间的通道流失，造成尾砂离析，在尾砂料浆的渗透、沉降过程中，悬浮在水中较细的尾砂颗粒同时在做布朗运动、颗粒间的相互吸引（或排斥），最终，粗细颗粒都要沉降下来，由于粗颗粒沉降快，细颗粒沉降慢，导致细颗粒对水流起到封堵作用，从而影响充填体的渗透率，现场较难准确测量，其尾砂充填模型如图1。

2模拟试验《充填理论》指出：一般认为用于充填的尾砂具有跃10cm/h的渗透速度就可以保证正常的生产和较好的充填效果。孙凯年等老师于1983年提出渗透率K逸5cm/h的尾砂可以作为充填料。由于该矿尾砂的粒级较细，臆37um的占59.8%，臆10um占16.5%，其全尾砂的渗透率为0.88，明显的不满足上述要求，因此通过试验选择合理的分级尾砂是必要的。

2.1试验方案由于尾砂的粒级越细，其渗透性就越差。利用不同级配的尾砂进行脱水试验，通过其脱水效果对比，在可接受的脱水效果的前提下，尽量的选择尾砂利用率较高的尾砂级配作为充填料，来为矿山选择合理的分级尾砂。通过几组浓度为70%的分级尾砂脱水时间的对比，选择合理的尾砂级配。

2.2试验材料本次试验选取的尾砂来自于该矿山的经分级的多种分级尾砂，由于现场使用的70%的尾砂浆充填，则本试验根据现场用尾砂浓度为70%做试验，该矿山的全尾砂的物化特性见表1、2。6组的分级尾砂为淤逸40um的占78%，逸20um的占84.8%，臆10um的占6%。于逸40um的占73%，逸20um的占80%，臆10um的占7%。盂逸40um的占67%，逸20um的占78%，臆10um的占8.3%。

榆逸40um的占63%，逸20um的占76%，臆10um占10%。

虞逸40um的占60%，逸20um的占73%，臆10um占12%。

愚该矿的全尾砂。

以及设置一个实物模型，模型的尺寸是根据实际采空区的尺寸按照一定比例缩小的，长宽高按1:112建立0.5m伊0.7m伊1.2m的模型，另外模型倾斜30毅，并用支架支撑，模型底部用直径为12cm的小孔代替采场的堑沟，附近并用废石填塞（根据现场估计废石占采空区体积8%-10%），以防细砂流出。并准备渗透管若干支，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，相邻的两圈的泄水孔在沿管壁方向上相互错开，且管壁外包扎2-3层100目的尼龙滤布。

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24小时充填一次，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。每次充填记录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。

2.4试验结果及分析先后进行了进行6组试验，自充填结束后开始计时，至充填体不在从模型下方的溢流孔流水所需的时间及其脱水量，如表3-表5。

通过以上的试验比较得知，利用全尾砂充填的一组脱水速度最慢，且过一段时间后，不再脱水，且充填体表面有大量的澄清水，证明利用全尾砂充填难以满足矿山的需求；尾砂颗粒越大其脱水效果明显，且能在较短的时间内满足矿山的需求，其中，第四组的脱水效果能够满足矿山的需求，第五组虽然脱水效果不能够满足矿山的需求。因此矿山在选择尾砂级配时，应在第四组和第五组之间选择，即逸40um的占60-63%，逸20um的占73-76%，臆10um的应不大于12%最为有利。

3现场状况目前，该矿山使用的分级尾砂充填采空区，约60%的粗颗粒尾砂用于充填，剩余的40%的细颗粒尾砂排到尾矿库，由于尾砂利用率低，造成矿山充填欠账问题严重。

根据室内的实验结果，矿山采用逸40um的占63%，逸20um的占73%，臆10um占10%的分级尾砂作为充填料在该矿的中部区域575-660中段，其余的更细的尾砂送往尾矿库。在该矿的575中段I3矿体32I试验盘区进行尾砂充填脱水试验。其脱水速度非常快满足矿山的要求，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，称重、烘干计算其含水率都普遍在11.5%-17%之间，充填结束后充填体的含水率达到10%以下时需要2-3个月，同时尾砂利用率接近80%。因此使用该级配的尾砂作为充填料，是完全可以接受的。

4结论淤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，与渗透系数成正比，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以及利用分级尾砂作为充填料。

于通过试验对比，目前，采用逸40um的占63%，逸20um的占73%，臆10um占10%的分级尾砂作为充填料对矿山最为有利。

参考文献院[1]郑巨明，奉欣，饶帮良，高又成.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]李启成，邹文洁.水砂充填料中的水流特性研究[J].煤炭学报,2005，30（5）：678-680.[4]毛彦鑫，丁凌霄，冯朝朝.水砂充填采矿中采场内充填体渗流问题研究[J].金属矿山，2013（8）：678-680.[5]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.[6]韦华南.水力充填负压强制脱水研究.中南大学博士学位论文，2010：10.[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]王俊杰，陈亮，梁越.地下水渗流力学[M].北京：中国水利水电出版社，2013.[9]雷树业，王利群，贾兰庆，夏春梅.颗粒床孔隙率与渗透率的关系[J].清华大学学报（自然科学版），1998,38（5）:76-79.[10]龙涛，王建军.某铅锌矿充填采场脱水试验研究[J].采矿技术,2009,9（6）：5-8.