·1490· 工程科学学报，第39卷，第10期 固结开始的标志 砂性尾矿浆以单颗粒自由沉积为主，沉降速度快， 随着时间的增长，尾矿沉积物的细观结构也在发 可以将单颗粒的下沉速度视为浆体沉积的平均速度. 生变化，其中改变最明显的是絮凝层.图11展示了絮 对于一个当量圆直径为D的颗粒，在静水中受到 凝层在60min和32d时的细观结构.从图中可以看 重力作用而下沉： 出，在沉降初期，絮凝结构较为松散，经过长时间静置 G=P.&(AD) (1) 后，沉积物逐渐压实，内部孔隙逐渐缩小，弥合，逐渐具 6 有土的结构性特点 式中，G为颗粒所受重力，P.为颗粒密度，g为重力加 速度，入为颗粒形状系数 絮团压实 砂性 架团堆积 结构相对 而颗粒所受浮力有阻止颗粒下沉的作用： 尾矿浆 结构松散 密实 沉积物 F=Po&(AD) (2) 6 式中，F为颗粒所受浮力，P。为流体密度 孔隙大量 絮网沉降 黏性 减少， 此外，颗粒运动会产生一个与速度相关的黏滞力， 尾矿浆 内部有排 沉积物 水通道 排水通道 消失 其大小为： F=Co TPo(AD)o (3) 8 沉降前期 沉降后期 图11沉积尾矿细观形态的时间效应 式中，F为颗粒所受黏滞力：C。为阻力系数；ω为颗粒 Fig.11 Time effect of meso-structure of tailings slurry 下沉速度 沉降开始时，颗粒重力大于浮力和黏滞力，因此颗 最终沉积层形态如图12所示，沉积体相对密实， 粒作加速运动.随着颗粒下沉的增大，黏滞力不断增 但内部仍含有大量的自由水，黏性尾矿沉积物底部出 加，最后颗粒达到力的平衡，作匀速运动，建立受力平 现纵向裂纹，砂性尾矿沉积物有分选沉积现象.黏性 衡方程： 尾矿沉积物最终高度22.8cm,孔隙比约为1.31，砂性 尾矿最终高度14.4cm,孔隙比约为0.77.黏性尾矿沉 P.&(AD)3 6 C(AD) 6 P .(4) 积物体积是砂性尾矿的1.58倍，说明粒径越大，堆积 解得： 密度越高.对比表1的结果，发现试验得到的孔隙比 结果略大于现场数据.一是由于试验试样是经过分级 A(Po -p.)gAD 山= 处理的，与原状样有一定区别.二是原状样的压缩固 3CpPo (5) 结是在上覆压力作用下完成的，而试验试样处于静水 从式(5)可以看出，砂性尾矿浆的沉降受到颗粒 压力条件，没有上覆土层压力的影响 粒径和阻力系数的影响.颗粒粒径越大，阻力系数越 底部裂纹 小，砂性尾矿的沉降速度越快 和单颗粒沉降相比，絮网沉降的作用机理较为复 澄清面 杂，具有明显的时间效应，因此理论分析方法难以适用 于黏性尾矿的沉降.为了定量描述黏性尾矿浆的沉积 过程，可以建立分界面高度与时间的经验公式，来定量 描述尾矿浆的沉积过程. 从图10可以看出，黏性尾矿的土-水分界线的沉 降速度具有先快后慢的特点，这种特征可以用一个曲 线形式的函数来描述，表达式为 黏性尾矿沉积物 砂性尾矿沉积物 S=136.8-24.1 图12尾矿浆的最终沉积形态 1+e-23.6229+24.1. (6) Fig.12 Final failure mode of tailings slurry 式中，S为土-水分界线高度，t为时间. 由于沉降初期土-水分界线变化很快，为了更加 3尾矿浆沉积过程的定量描述 清晰地体现初始阶段(100min内)的沉降数据，将图 定性的描述可以对沉积过程的特点和演变规律作 10中黏性尾矿的数据表达在对数坐标上，利用式(6) 出判断，但为了使分析更加科学，准确，还需要建立数 的拟合结果如图13所示，该经验公式的可决系数为 学模型，以便于计算沉积过程的各项指标及其数值. 0.997,可以很好地对土-水分界线的下沉进行描述.工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 固结开始的标志. 随着时间的增长,尾矿沉积物的细观结构也在发 生变化,其中改变最明显的是絮凝层. 图 11 展示了絮 凝层在 60 min 和 32 d 时的细观结构. 从图中可以看 出,在沉降初期,絮凝结构较为松散,经过长时间静置 后,沉积物逐渐压实,内部孔隙逐渐缩小,弥合,逐渐具 有土的结构性特点. 图 11 沉积尾矿细观形态的时间效应 Fig. 11 Time effect of meso鄄structure of tailings slurry 最终沉积层形态如图 12 所示,沉积体相对密实, 但内部仍含有大量的自由水,黏性尾矿沉积物底部出 现纵向裂纹,砂性尾矿沉积物有分选沉积现象. 黏性 尾矿沉积物最终高度 22郾 8 cm,孔隙比约为 1郾 31,砂性 尾矿最终高度 14郾 4 cm,孔隙比约为 0郾 77. 黏性尾矿沉 积物体积是砂性尾矿的 1郾 58 倍,说明粒径越大,堆积 密度越高. 对比表 1 的结果,发现试验得到的孔隙比 结果略大于现场数据. 一是由于试验试样是经过分级 处理的,与原状样有一定区别. 二是原状样的压缩固 结是在上覆压力作用下完成的,而试验试样处于静水 压力条件,没有上覆土层压力的影响. 图 12 尾矿浆的最终沉积形态 Fig. 12 Final failure mode of tailings slurry 3 尾矿浆沉积过程的定量描述 定性的描述可以对沉积过程的特点和演变规律作 出判断,但为了使分析更加科学,准确,还需要建立数 学模型,以便于计算沉积过程的各项指标及其数值. 砂性尾矿浆以单颗粒自由沉积为主,沉降速度快, 可以将单颗粒的下沉速度视为浆体沉积的平均速度. 对于一个当量圆直径为 D 的颗粒,在静水中受到 重力作用而下沉: G = 籽sg 仔(姿D) 3 6 郾 (1) 式中,G 为颗粒所受重力,籽s 为颗粒密度,g 为重力加 速度,姿 为颗粒形状系数. 而颗粒所受浮力有阻止颗粒下沉的作用: F = 籽0 g 仔(姿D) 3 6 . (2) 式中,F 为颗粒所受浮力,籽0 为流体密度. 此外,颗粒运动会产生一个与速度相关的黏滞力, 其大小为: Ff = CD 仔籽0 (姿D) 2棕 2 8 郾 (3) 式中,Ff 为颗粒所受黏滞力;CD 为阻力系数;棕 为颗粒 下沉速度. 沉降开始时,颗粒重力大于浮力和黏滞力,因此颗 粒作加速运动. 随着颗粒下沉的增大,黏滞力不断增 加,最后颗粒达到力的平衡,作匀速运动,建立受力平 衡方程: 籽sg 仔(姿D) 3 6 = 籽0 g 仔(姿D) 3 6 + CD 仔籽0 (姿D) 2棕 2 8 . (4) 解得: 棕 = 4(籽0 - 籽s)g姿D 3CD 籽0 . (5) 从式(5)可以看出,砂性尾矿浆的沉降受到颗粒 粒径和阻力系数的影响. 颗粒粒径越大,阻力系数越 小,砂性尾矿的沉降速度越快. 和单颗粒沉降相比,絮网沉降的作用机理较为复 杂,具有明显的时间效应,因此理论分析方法难以适用 于黏性尾矿的沉降. 为了定量描述黏性尾矿浆的沉积 过程,可以建立分界面高度与时间的经验公式,来定量 描述尾矿浆的沉积过程. 从图 10 可以看出,黏性尾矿的土鄄鄄 水分界线的沉 降速度具有先快后慢的特点,这种特征可以用一个曲 线形式的函数来描述,表达式为 S = 136郾 8 - 24郾 1 1 + e (t - 123郾 6) / 225郾 9 + 24郾 1郾 (6) 式中,S 为土鄄鄄水分界线高度,t 为时间. 由于沉降初期土鄄鄄 水分界线变化很快,为了更加 清晰地体现初始阶段(100 min 内) 的沉降数据,将图 10 中黏性尾矿的数据表达在对数坐标上,利用式(6) 的拟合结果如图 13 所示,该经验公式的可决系数为 0郾 997,可以很好地对土鄄鄄水分界线的下沉进行描述. ·1490·