分層水砂充填采礦中的滲流規(guī)律研究

由于回采安全、回收率高、對(duì)地表生態(tài)破壞小等優(yōu)點(diǎn)，充采過(guò)程中的許多復(fù)雜工藝越來(lái)越受到重視。此外，近年來(lái)，許多復(fù)雜的工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化。充采將成為未來(lái)地下金屬礦床開(kāi)采的主要趨勢(shì)。水砂充填采礦法是將選礦廠尾砂或者河砂通過(guò)水力管路以一定濃度從地表輸送至采場(chǎng)進(jìn)行采空區(qū)充填的一種采礦方法。水力輸送過(guò)程中要求充填料漿含水較高,以便提高輸送速度,防止堵管。在充填采場(chǎng)內(nèi)多余的水通過(guò)預(yù)先布置的脫水井重力自流疏干,要求疏干時(shí)間盡可能短,以便滿足接續(xù)作業(yè)的支撐強(qiáng)度要求。充填體的疏水時(shí)間與其滲流特性密切相關(guān),因此,充填體滲流特性的研究對(duì)于生產(chǎn)人員選擇合理的尾砂粒徑、充填層厚度和脫水井布設(shè)間距、提高疏水效率有重要意義。1滲透時(shí)間模型的建立1.1實(shí)際剖面流近似求解一般情況下,充填采場(chǎng)內(nèi)會(huì)按一定的間排距布設(shè)脫水井,含水較高的水砂充填料漿進(jìn)入采場(chǎng)后,多余的水分通過(guò)重力自流至脫水井內(nèi),從脫水井下部預(yù)設(shè)的管路排出。由于上向水平分層充填采礦法中充填層的厚度不大,而且在疏水過(guò)程中充填體上方?jīng)]有受到外部應(yīng)力的作用,其滲流規(guī)律類似于地下水滲流中無(wú)壓含水層的非穩(wěn)定流。它的頂部邊界是潛水面,在非穩(wěn)定流的過(guò)程中潛水面的位置也在不斷變化(降低),因此假設(shè)的單元體如圖1所示。但是要精確求解此類問(wèn)題比較困難。充填體內(nèi)水的滲流是流向脫水井的,從其流動(dòng)剖面可以看出,潛水面是一條曲線,過(guò)水?dāng)嗝嬉彩乔€,在該曲線上任一點(diǎn)的流速qs是處處相等的。由于滲流流動(dòng)的水面坡降很小,可以采用裘布依假設(shè)(圖2)近似求解,即假定在垂直過(guò)水?dāng)嗝嫔先我稽c(diǎn)的流速是處處相等的,而且流線均為平行直線。在流線上,水流的流動(dòng)服從達(dá)西定律,有qs=-Κ?φ?s?(1)qs=?K?φ?s?(1)式中,φ=p+ρgz,由于充填體上部無(wú)外部應(yīng)力,故p=0。記h=ρgz,有qs=-Κdhds.(2)qs=?Kdhds.(2)由圖2可知,dx和ds之間存在一個(gè)夾角θ,則有dhds=sinθ,dhdx=tanθ.dhds=sinθ,dhdx=tanθ.當(dāng)θ→0,則tanθ→0,sinθ→0,即有sinθ≈tanθ,式(2)可變?yōu)閝s=-Κdhdx.(3)即在水的滲流過(guò)程中,忽略了z方向的流速分量,把實(shí)際剖面流是x、y、z三維流動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為x、y二維問(wèn)題。按照質(zhì)量守恒的原理,在無(wú)源匯項(xiàng)的情況下,有ΚhdhdxΔy+ΚhdhdyΔx=S?h?tΔxΔy,(4)式中,K為充填體的滲流系數(shù),S為比儲(chǔ)水系數(shù),h為水頭高度。式(4)可變換如下:??x(Κh?h?x)+??y(Κh?h?y)=S?h?t.(5)滲透系數(shù)K和比儲(chǔ)水系數(shù)S均為常數(shù),有Κ??x(h?h?x)+Κ??y(h?h?y)=S?h?t.(6)又h?h?x=12?h2?x,(7)式(6)可變換為Κ2??x(?h2?x)+Κ2??x(?h2?y)=S?h?t.(8)由于充填體為顆粒均勻的尾砂或河砂,所以可將其簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題求解,去掉式中含有y的項(xiàng),有?2h2?2x=2SΚ?h?t.(9)故最終數(shù)學(xué)模型確定為{?h?t=ΚS??x(h?h?x)h(x,)=h0?h?x|x=0=0,h|x=L=0.(10)令K/S=N,則有?h?t=Ν??x(h?h?x).利用有效容積法對(duì)非線性微分方程進(jìn)行離散,對(duì)i=1～m,有m×m的矩陣方程:[1+Ν1hn+11-Ν1hn+11-Ν1hn+121+2Ν1hn+12-Ν1hn+12?-Ν1hn+1m-11+2Ν1hn+1m-1-Ν1hn+1m-1-Ν1hn+1m1+3Ν1hn+1m]?[hn+11?hn+1i?hn+1m]=[hn1?hni?hnm],(11)式中,Ν=ΚS,Ν1=ΝΔtΔx2,h0=h1,hL=0.1.2透系數(shù)、比儲(chǔ)水系數(shù)及充填體厚度的確定對(duì)非線性微分方程進(jìn)行離散之后,得到式(11),其中的滲透系數(shù)K、比儲(chǔ)水系數(shù)S和充填體厚度hi在特定的礦井生產(chǎn)條件下是相同的,因此在方程中均作為常數(shù)來(lái)處理。用MATLAB編寫(xiě)計(jì)算程序,采場(chǎng)內(nèi)充填體的疏水模型如圖3所示。2固結(jié)特性分析由于滲透系數(shù)表征充填體的滲流特性,比儲(chǔ)水系數(shù)表征充填體的固結(jié)特性,所以在實(shí)驗(yàn)室采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀對(duì)所采集尾砂進(jìn)行滲流和固結(jié)試驗(yàn),試驗(yàn)裝置原理如圖4所示。2.1傳統(tǒng)滲流力學(xué)中達(dá)西定律的表述由于充填采場(chǎng)內(nèi)充填體的水滲流屬于重力自流,并無(wú)很大的外部應(yīng)力作用于充填體,因此不考慮實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生的非線性特性,仍沿用經(jīng)典滲流力學(xué)中達(dá)西定律的表述方式q=-ΚJ=-Κ?p?x.(12)在式(12)中,假定孔隙壓力梯度是均勻的,即J=p1-p2L,這里p1,p2表示的是試樣兩端的孔隙壓力,L表示試樣的長(zhǎng)度。而流量Q是容易測(cè)量的,所以滲流速度q可以由計(jì)算得到。這樣滲透系數(shù)就可以根據(jù)滲流速度和孔隙壓力梯度的值,并應(yīng)用達(dá)西公式計(jì)算得出。基于以上假定,得到的滲透系數(shù)是1個(gè)常數(shù)。2.2儲(chǔ)水系數(shù)測(cè)試在經(jīng)典滲流力學(xué)和地下水文學(xué)等工程學(xué)科中,將比儲(chǔ)水系數(shù)定義為孔隙流體壓力下降(或升高)1個(gè)單位時(shí),從多孔介質(zhì)中排除(或吸收)的水的體積。在這里,假定尾砂顆粒是不可壓縮的彈性體,那么從外部測(cè)得的多孔介質(zhì)體積變化就是孔隙體積變化。對(duì)于多孔試樣,有Vt=Vs+Vp,(13)式中,Vt為多孔介質(zhì)體積,Vs固體(尾砂顆粒)體積,Vp孔隙體積。在假設(shè)固體顆粒不可壓縮的條件下,ΔVt=ΔVs+ΔVp=ΔVp?(14)ΚpΔVpVp=σ-αpp.(15)又Vp=nVt,有ΚpΔVpnVt=σ-αpp.(16)式(16)就是比儲(chǔ)水系數(shù)測(cè)試的原理方程,式中總應(yīng)力σ=σr+σθ+σz3,且σr=σθ.σr、σθ、σz分別為潛水面徑向、切向、z向應(yīng)力;ΔVp就等于排出三軸腔的水量;Kp、αp是由實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)。將式(16)變換得到ΔVp=nΚp(σ-αpp)Vt.(17)考慮到充填體松散易變形的特性,現(xiàn)將比儲(chǔ)水系數(shù)定義為總應(yīng)力增加1個(gè)單位,孔隙壓力下降1個(gè)單位,從充填體中排出的水量。令Kp=1,αp=1,即為充填體的比儲(chǔ)水系數(shù),有S=ΔVp=n(σ-p)Vt.(18)3充填體滲流規(guī)律以中國(guó)有色集團(tuán)紅透山銅礦為例,紅透山銅礦采用上向分層水砂充填采礦法開(kāi)采礦石,為了滿足生產(chǎn)接續(xù)的要求,需要充填采場(chǎng)內(nèi)多余水份快速疏干,以滿足接續(xù)作業(yè)對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。采集現(xiàn)場(chǎng)充填尾砂,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其滲透系數(shù)和比儲(chǔ)水系數(shù),結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)充填采場(chǎng)內(nèi)充填層厚度和脫水井的布設(shè)間距,研究各個(gè)參數(shù)對(duì)滲流效率的影響及充填體的滲流特性。保證其他參數(shù)不變的情況下,改變其中的1個(gè)參數(shù),得出某一特定參數(shù)影響下充填采場(chǎng)內(nèi)充填體的滲流效率曲線,見(jiàn)圖5～圖8。圖9為充填體內(nèi)水滲流潛水面隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可以看出,隨滲透系數(shù)不斷增大,充填體滲水效率也逐漸提高,滲流時(shí)間逐漸縮短,故增大充填料的粒徑有助于提高充填體脫水效率。由圖6可知,比儲(chǔ)水系數(shù)與充填體的滲流效率成正比,比儲(chǔ)水系數(shù)越大,充填體的滲流時(shí)間越短。圖7表明,由于分層充填采礦中充填層厚度本身較小,重力壓降不大,故充填層厚度對(duì)滲流效率的影響不大。圖8說(shuō)明充填井布設(shè)間距越小,所需脫水時(shí)間越短,故在經(jīng)濟(jì)合理的條件下,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小脫水井的設(shè)置間距。圖9為充填體內(nèi)水分疏干的滲流規(guī)律,可以看出充填體中潛水面隨時(shí)間不斷下降,但是當(dāng)水頭高度越小時(shí),單位水頭下降所需的時(shí)間越長(zhǎng),這是由于重力壓降也隨之減小的緣故。這也是滲透系數(shù)、脫水井布設(shè)間距與滲流時(shí)間的關(guān)系為非線性的原因。4充填體滲流效率的測(cè)定(1)建立充填體滲流的微分方程,利用有效容積法進(jìn)行離散后得到矩陣方程,并用MATLAB編制了數(shù)值計(jì)算程序。(2)給出了實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)定滲流系數(shù)和比儲(chǔ)水系數(shù)的基本原理和方法。(3)通過(guò)改變單一