巫尚蔚等：尾矿浆沉积室内模拟试验 ·1491· 100F 絮状结构初始形态 黑凝区的絮状结构形态 40 ■试验数据点 0 一拟合曲线 101 102 10 10 10 时间/min 沉降区的絮状结构形态 固结区的絮状结构形态 图13黏性尾矿浆的沉积过程函数 图14不同分区的絮状结构体形态 Fig.13 Sedimentary process function of clayey tailings slury Fig.14 Morphology of flocculent structure in different zones 类型.而单一的细颗粒重力小，在浮力和动力迟滞力 4尾矿沉积的机理解释 的作用下可以保持悬浮状态，沉降速度很慢.当有一 黏性尾矿悬浮体中的絮网结构，对水体的黏滞性 定含沙量时，细颗粒通过絮凝作用组成絮团，沉速略大 和颗粒沉降速度具有重要影响，因此黏性尾矿浆和砂 于单颗粒，宏观上体现为絮团沉降类型.当含沙量较 性尾矿浆的沉积过程和沉积分层特征存在著差别. 大时，絮团可以相互连结形成絮网，宏观上体现为絮网 根据双电层理论，在水环境中，细颗粒表面一般带 沉降类型.这种絮网由细颗粒和水共同组成，具有空 有负电荷.由于电荷间的静电吸引，颗粒表面具有双 间结构，在沉降柱顶部较快地形成土一水分界面，且随 电层结构，并在颗粒周围形成吸附水膜.吸附水膜的 时间缓慢下沉 厚度一般在0.1m左右（受矿物成分和水的化学成分 5结论 影响)，因此对粗颗粒影响不大，但细微颗粒粒径较 小，重力作用微弱，吸附水膜的影响十分明显 (1)尾矿沉积物具有分层特征.试验过程中沉降 在沉降初始阶段的澄清区悬浮着大量细颗粒，存 柱从上到下依次分为澄清区、絮凝区、沉降区和固结 在于相邻颗粒间的公共吸附水膜发生融合连结，形成 区.澄清区位于土-水分界面以上，水质清澈.絮凝区 絮状聚合体.如前文所述，黏性尾矿的细颗粒较多，容 位于沉积物表面，没有上覆压力，沉积物呈絮状松散结 易发生大规模的絮凝现象，形成絮网结构，加速细颗粒 构.沉降区的尾矿受到上覆压力的作用，相互压紧形 的沉降，因此土-水分界面很快清晰.而砂性尾矿的细 成固相结构体.固结区尾矿所受上覆压力进一步增 颗粒较少，只能发生小范围的絮凝作用，形成絮团，并 大，有明显的固结现象，具有初步的土体结构 长时间处于悬浮状态，导致沉降前期土-水分界面不 (2)尾矿沉积物的形态与时间有关.根据土-水 清晰. 分界线随时间的变化，可以将尾矿的沉积过程分为沉 尾矿沉积层的分层特点也与颗粒性质有关.粗颗 降阶段和固结阶段.黏性尾矿的固液分离较快，沉积 粒粒径较大，沉积过程主要受重力影响，一旦沉积到底 持续时间大约是砂性尾矿的2倍. 部就不再压实，最终形成松散的单粒结构.而细颗粒 (3)尾矿浆中细颗粒在沉积过程中会发生絮凝作 在沉积时形成的絮状结构体与沉积深度有关.如图14 用，对尾矿的沉积特性有重要影响.细颗粒表面具有 所示，新形成的絮状沉积物含有大量孔隙，相邻颗粒黏 吸附水膜，可以相互连结形成絮状结构体.絮状结构 连形成蜂窝状结构.絮凝区的絮状结构在自重作用下 体具有结构松散、孔隙率高的特点，内部充满水分，在 下沉压密，孔隙逐渐减小.沉降区的絮状结构在上覆 重力作用下缓慢排水压缩. 压力下进一步压实，颗粒间的蜂窝状孔隙闭合，絮团重 (4)砂性尾矿和黏性尾矿的沉积过程需要用不同 叠排列成层状，形成分散结构.位于底部的固结区域 的指标进行描述.砂性尾矿主要发生单颗粒的自由沉 内，压力进一步增加，颗粒密集排列，形成相对密实的 降，可以用单颗粒的沉降速度来描述沉积过程.黏性 土体结构.从最终的形态上看，相比单颗粒形成的沉 尾矿主要发生絮网下沉，可用分界面高度与时间的函 积物，絮凝结构体沉积物的孔隙率更高，压缩性更强. 数关系来定量描述尾矿浆的沉积过程. 从时间的角度看，由于细颗粒含量高，黏性尾矿 土-水分界面出现时间更早，沉降固结时间更长，这与 参考文献 万兆惠等)的试验结论相同.粗颗粒在重力作用下 [1]Been K,Sills G C.Self-weight consolidation of soft soils:an ex- 沉降，阻力较小，下沉速度快，宏观上体现为自由沉降 perimental and theoretical study.Geotechnique,1981,31(4):巫尚蔚等: 尾矿浆沉积室内模拟试验 图 13 黏性尾矿浆的沉积过程函数 Fig. 13 Sedimentary process function of clayey tailings slurry 4 尾矿沉积的机理解释 黏性尾矿悬浮体中的絮网结构,对水体的黏滞性 和颗粒沉降速度具有重要影响,因此黏性尾矿浆和砂 性尾矿浆的沉积过程和沉积分层特征存在著差别. 根据双电层理论,在水环境中,细颗粒表面一般带 有负电荷. 由于电荷间的静电吸引,颗粒表面具有双 电层结构,并在颗粒周围形成吸附水膜. 吸附水膜的 厚度一般在 0郾 1 滋m 左右(受矿物成分和水的化学成分 影响),因此对粗颗粒影响不大,但细微颗粒粒径较 小,重力作用微弱,吸附水膜的影响十分明显. 在沉降初始阶段的澄清区悬浮着大量细颗粒,存 在于相邻颗粒间的公共吸附水膜发生融合连结,形成 絮状聚合体. 如前文所述,黏性尾矿的细颗粒较多,容 易发生大规模的絮凝现象,形成絮网结构,加速细颗粒 的沉降,因此土鄄鄄水分界面很快清晰. 而砂性尾矿的细 颗粒较少,只能发生小范围的絮凝作用,形成絮团,并 长时间处于悬浮状态,导致沉降前期土鄄鄄 水分界面不 清晰. 尾矿沉积层的分层特点也与颗粒性质有关. 粗颗 粒粒径较大,沉积过程主要受重力影响,一旦沉积到底 部就不再压实,最终形成松散的单粒结构. 而细颗粒 在沉积时形成的絮状结构体与沉积深度有关. 如图 14 所示,新形成的絮状沉积物含有大量孔隙,相邻颗粒黏 连形成蜂窝状结构. 絮凝区的絮状结构在自重作用下 下沉压密,孔隙逐渐减小. 沉降区的絮状结构在上覆 压力下进一步压实,颗粒间的蜂窝状孔隙闭合,絮团重 叠排列成层状,形成分散结构. 位于底部的固结区域 内,压力进一步增加,颗粒密集排列,形成相对密实的 土体结构. 从最终的形态上看,相比单颗粒形成的沉 积物,絮凝结构体沉积物的孔隙率更高,压缩性更强. 从时间的角度看,由于细颗粒含量高,黏性尾矿 土鄄鄄水分界面出现时间更早,沉降固结时间更长,这与 万兆惠等[15] 的试验结论相同. 粗颗粒在重力作用下 沉降,阻力较小,下沉速度快,宏观上体现为自由沉降 图 14 不同分区的絮状结构体形态 Fig. 14 Morphology of flocculent structure in different zones 类型. 而单一的细颗粒重力小,在浮力和动力迟滞力 的作用下可以保持悬浮状态,沉降速度很慢. 当有一 定含沙量时,细颗粒通过絮凝作用组成絮团,沉速略大 于单颗粒,宏观上体现为絮团沉降类型. 当含沙量较 大时,絮团可以相互连结形成絮网,宏观上体现为絮网 沉降类型. 这种絮网由细颗粒和水共同组成,具有空 间结构,在沉降柱顶部较快地形成土鄄鄄水分界面,且随 时间缓慢下沉. 5 结论 (1)尾矿沉积物具有分层特征. 试验过程中沉降 柱从上到下依次分为澄清区、絮凝区、沉降区和固结 区. 澄清区位于土鄄鄄水分界面以上,水质清澈. 絮凝区 位于沉积物表面,没有上覆压力,沉积物呈絮状松散结 构. 沉降区的尾矿受到上覆压力的作用,相互压紧形 成固相结构体. 固结区尾矿所受上覆压力进一步增 大,有明显的固结现象,具有初步的土体结构. (2)尾矿沉积物的形态与时间有关. 根据土鄄鄄 水 分界线随时间的变化,可以将尾矿的沉积过程分为沉 降阶段和固结阶段. 黏性尾矿的固液分离较快,沉积 持续时间大约是砂性尾矿的 2 倍. (3)尾矿浆中细颗粒在沉积过程中会发生絮凝作 用,对尾矿的沉积特性有重要影响. 细颗粒表面具有 吸附水膜,可以相互连结形成絮状结构体. 絮状结构 体具有结构松散、孔隙率高的特点,内部充满水分,在 重力作用下缓慢排水压缩. (4)砂性尾矿和黏性尾矿的沉积过程需要用不同 的指标进行描述. 砂性尾矿主要发生单颗粒的自由沉 降,可以用单颗粒的沉降速度来描述沉积过程. 黏性 尾矿主要发生絮网下沉,可用分界面高度与时间的函 数关系来定量描述尾矿浆的沉积过程. 参 考 文 献 [1] Been K, Sills G C. Self鄄weight consolidation of soft soils: an ex鄄 perimental and theoretical study. Geotechnique, 1981, 31 ( 4 ): ·1491·