·1486· 工程科学学报，第39卷，第10期 KEY WORDS tailings dam:unidimensional sedimentation experiment;mesoscopic structure;electric double layer theory 在尾矿库的运行期间，尾矿的排放堆存需要经历 沙输移作用越强.詹良通等8]探讨了阳离子对沉积淤 一个自重落淤的过程，这一过程中的沉降变形量较大， 泥自重沉积固结特性的影响，结果显示，盐溶液浓度越 同时发生分层沉积现象，导致土体不均匀，是尾矿筑坝 大，阳离子化合价越高，泥浆沉积越快，固结后孔隙比 工程问题研究中的一个难题.当尾矿浆注入库区后， 越小.张楠等]采用分层抽取法取样，得到了吹填泥 尾矿分散为颗粒或絮状悬浮物，并逐渐沉降.同时，沉 浆的颗粒分选规律，同时利用体积通量函数法，计算了 降的土层在自身重力的作用下开始固结.这种自重作 不同粒组颗粒平均沉速.冀国栋等[o]和徐玉龙等山 用下的沉降-固结过程称为自重沉积.当尾矿浆中的 认为含有黏粒的碱渣浆在沉积之前有一个絮凝阶段， 细粒含量较大时，容易形成一个含水率高、孔隙率大、 该阶段黏粒逐渐形成絮团，没有清晰的泥-水分界面， 压缩性强且渗透率低的不良沉积层，导致沉积稳定时 且黏粒含量对絮团发育具有显著影响 间长、工后沉降量大、沉积层强度指标低等不良工程地 目前的研究以河流泥沙为主，而尾矿浆与一般挟 质现象，这种现象称为细粒效应 沙水流相比，具有浓度高、流速慢、细粒含量多的特点， 沉降柱试验是研究泥沙的沉降固结性质的重要方 因此两者的沉积规律有一定区别.此外，由于滩面勘 法，国内外相关学者已经开展了大量试验和理论研究. 探困难、沉积影响因素复杂等原因，对尾矿自重沉降固 Sills与Been利用沉降柱试验研究了粉质黏土的沉 结的规律研究目前仍没有合适的理论及方法， 积性质，提出利用X射线测量沉降柱试验中土层密度 为研究黏性尾矿和砂性尾矿在沉积规律和细观 剖面的方法.Fith2-]根据沉降试验结果，认为泥浆在 结构上的差异，本文采用一维沉降柱试验和显微观 沉降过程中可以从上到下分为澄清区、沉降区和压密 测相结合的方法，对砂性尾矿浆和黏性尾矿浆在一 区.Imai)在黏土沉积结束后，将土样取出切割成薄 维静水条件下的沉积特性进行对比研究，并基于试 片，得到了沉积层的含水量沿深度的变化情况.Pedro- 验结果探讨了絮凝作用对尾矿浆沉积过程的影响 等[)设计了一个大尺寸沉降柱装置，采用光学监控 机制 仪、伽马射线密度传感器、孔压仪等设备对矿井泥浆的 1尾矿浆一维沉降试验 沉积固结过程进行监测，并利用实验数据验证了沉降- 固结理论.Tilston等[o]使用计算机断层扫描仪和三维 1.1试验试样 超声波多普勒流速剖面仪研究了沉积层交错层理的产 室内沉降试验样品取自江西德兴铜矿4号坝表层 生机理，认为颗粒粒径是形成交错层理的关键影响因 干滩.取样时在干滩浅层剥离10cm表面土，然后收集 素.柴朝晖等]建立了考虑絮团分形特性的静水絮 新鲜的沉积尾矿试样.根据勘察资料，该尾矿库原状 凝-沉降模型，该模型认为形维数越大，竖直方向的泥 尾矿物性指标如表1所示. 表1原状尾矿的物性指标 Table 1 Physical indexes of undisturbed tailings 试样名称 含水率/% 密度/(gcm3)干密度/(gcm3)相对密度 孔隙比孔隙率/%饱和含水量/%饱和度 尾粉砂（砂性尾矿） 21.6 2.03 1.67 2.90 0.74 42.39 25.44 85.20 尾黏土（黏性尾矿） 39.5 1.88 1.35 2.85 1.12 52.55 40.04 98.46 配制尾矿浆时，先将尾矿风干，捣碎，然后采用气 别.砂性尾矿粒径均大于75μm,而黏性尾矿最大粒径 流分级技术)进行分离提纯.本试验所用分级机的 18.55μm,黏粒比例为37.74%.砂性尾矿的矿质成分 分级细度在2~74μm之间.具体操作时，首先将风干 以石英为主，非黏土矿物占比重很高.而黏性尾矿中 后的尾矿经过气流分级机筛分分离出较细的黏性尾 伊利石含量所占比例从14.1%上升至42.4%，石英所 矿.然后过75μm的标准振动筛，将筛上部分作为较 占比例从75.7%降至44.9%，黏土矿物比例显著 粗的砂性尾矿 增加. 尾矿的分级效果和成分分析如图1和图2所示. 图3是尾矿颗粒的显微照片.从图中可以看出， 图中C表示曲率系数，C表示不均匀系数，D表示样 尾矿黏粒相互吸附，形成颗粒簇，而砂粒则处于相互分 品中小于该粒径的颗粒占90%，D0表示样品中小于该 离状态.这是因为黏粒的粒径较小，颗粒比表面积大， 粒径的颗粒占50%.从图中可以看出，制得的砂性尾 颗粒的吸附性很强，因此相互黏连形成颗粒簇 矿和黏性尾矿在粒径大小和矿物成分方面均有较大区 总之，颗粒细小、黏土矿物比例高和吸附性强是黏工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 KEY WORDS tailings dam; unidimensional sedimentation experiment; mesoscopic structure; electric double layer theory 在尾矿库的运行期间,尾矿的排放堆存需要经历 一个自重落淤的过程,这一过程中的沉降变形量较大, 同时发生分层沉积现象,导致土体不均匀,是尾矿筑坝 工程问题研究中的一个难题. 当尾矿浆注入库区后, 尾矿分散为颗粒或絮状悬浮物,并逐渐沉降. 同时,沉 降的土层在自身重力的作用下开始固结. 这种自重作 用下的沉降鄄鄄固结过程称为自重沉积. 当尾矿浆中的 细粒含量较大时,容易形成一个含水率高、孔隙率大、 压缩性强且渗透率低的不良沉积层,导致沉积稳定时 间长、工后沉降量大、沉积层强度指标低等不良工程地 质现象,这种现象称为细粒效应. 沉降柱试验是研究泥沙的沉降固结性质的重要方 法,国内外相关学者已经开展了大量试验和理论研究. Sills 与 Been [1]利用沉降柱试验研究了粉质黏土的沉 积性质,提出利用 X 射线测量沉降柱试验中土层密度 剖面的方法. Fitch [2鄄鄄3]根据沉降试验结果,认为泥浆在 沉降过程中可以从上到下分为澄清区、沉降区和压密 区. Imai [4]在黏土沉积结束后,将土样取出切割成薄 片,得到了沉积层的含水量沿深度的变化情况. Pedro鄄 ni 等[5]设计了一个大尺寸沉降柱装置,采用光学监控 仪、伽马射线密度传感器、孔压仪等设备对矿井泥浆的 沉积固结过程进行监测,并利用实验数据验证了沉降鄄鄄 固结理论. Tilston 等[6]使用计算机断层扫描仪和三维 超声波多普勒流速剖面仪研究了沉积层交错层理的产 生机理,认为颗粒粒径是形成交错层理的关键影响因 素. 柴朝晖等[7] 建立了考虑絮团分形特性的静水絮 凝鄄鄄沉降模型,该模型认为形维数越大,竖直方向的泥 沙输移作用越强. 詹良通等[8]探讨了阳离子对沉积淤 泥自重沉积固结特性的影响,结果显示,盐溶液浓度越 大,阳离子化合价越高,泥浆沉积越快,固结后孔隙比 越小. 张楠等[9]采用分层抽取法取样,得到了吹填泥 浆的颗粒分选规律,同时利用体积通量函数法,计算了 不同粒组颗粒平均沉速. 冀国栋等[10] 和徐玉龙等[11] 认为含有黏粒的碱渣浆在沉积之前有一个絮凝阶段, 该阶段黏粒逐渐形成絮团,没有清晰的泥鄄鄄水分界面, 且黏粒含量对絮团发育具有显著影响. 目前的研究以河流泥沙为主,而尾矿浆与一般挟 沙水流相比,具有浓度高、流速慢、细粒含量多的特点, 因此两者的沉积规律有一定区别. 此外,由于滩面勘 探困难、沉积影响因素复杂等原因,对尾矿自重沉降固 结的规律研究目前仍没有合适的理论及方法. 为研究黏性尾矿和砂性尾矿在沉积规律和细观 结构上的差异,本文采用一维沉降柱试验和显微观 测相结合的方法,对砂性尾矿浆和黏性尾矿浆在一 维静水条件下的沉积特性进行对比研究,并基于试 验结果探讨了絮凝作用对尾矿浆沉积过程的影响 机制. 1 尾矿浆一维沉降试验 1郾 1 试验试样 室内沉降试验样品取自江西德兴铜矿 4 号坝表层 干滩. 取样时在干滩浅层剥离 10 cm 表面土,然后收集 新鲜的沉积尾矿试样. 根据勘察资料,该尾矿库原状 尾矿物性指标如表 1 所示. 表 1 原状尾矿的物性指标 Table 1 Physical indexes of undisturbed tailings 试样名称 含水率/ % 密度/ (g·cm - 3 ) 干密度/ (g·cm - 3 ) 相对密度 孔隙比 孔隙率/ % 饱和含水量/ % 饱和度 尾粉砂(砂性尾矿) 21郾 6 2郾 03 1郾 67 2郾 90 0郾 74 42郾 39 25郾 44 85郾 20 尾黏土(黏性尾矿) 39郾 5 1郾 88 1郾 35 2郾 85 1郾 12 52郾 55 40郾 04 98郾 46 配制尾矿浆时,先将尾矿风干,捣碎,然后采用气 流分级技术[12] 进行分离提纯. 本试验所用分级机的 分级细度在 2 ~ 74 滋m 之间. 具体操作时,首先将风干 后的尾矿经过气流分级机筛分分离出较细的黏性尾 矿. 然后过 75 滋m 的标准振动筛,将筛上部分作为较 粗的砂性尾矿. 尾矿的分级效果和成分分析如图 1 和图 2 所示. 图中 Cc表示曲率系数,Cu表示不均匀系数,D90表示样 品中小于该粒径的颗粒占 90% ,D50表示样品中小于该 粒径的颗粒占 50% . 从图中可以看出,制得的砂性尾 矿和黏性尾矿在粒径大小和矿物成分方面均有较大区 别. 砂性尾矿粒径均大于 75 滋m,而黏性尾矿最大粒径 18郾 55 滋m,黏粒比例为 37郾 74% . 砂性尾矿的矿质成分 以石英为主,非黏土矿物占比重很高. 而黏性尾矿中 伊利石含量所占比例从 14郾 1% 上升至 42郾 4% ,石英所 占比 例 从 75郾 7% 降 至 44郾 9% , 黏 土 矿 物 比 例 显 著 增加. 图 3 是尾矿颗粒的显微照片. 从图中可以看出, 尾矿黏粒相互吸附,形成颗粒簇,而砂粒则处于相互分 离状态. 这是因为黏粒的粒径较小,颗粒比表面积大, 颗粒的吸附性很强,因此相互黏连形成颗粒簇. 总之,颗粒细小、黏土矿物比例高和吸附性强是黏 ·1486·