工程科学学报，第39卷.第10期：1485-1492,2017年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.10:1485-1492,October 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.004;htp:/journals.ustb.edu.cn 尾矿浆沉积室内模拟试验 巫尚蔚2)四，杨春和23)，张超》，冒海军)，敬小非) 1)重庆科技学院安全工程学院，重庆4013312)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044 3)中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071 ☒通信作者，E-mail:wushangwei2017@163.com 摘要尾矿旷浆的沉积特性对尾矿坝的坝体结构有重要影响.为了研究尾矿浆的沉积分层特征和时间演化规律，对黏性尾 可矿浆和砂性尾矿浆进行一维沉降柱试验，讨论了尾矿沉积物的细观结构特征和分层划分依据，分析了沉积物形态与时间的关 系，并用双电层理论解释了絮凝作用对沉积特征的影响机理.结果表明：尾矿黏粒具有颗粒细小、黏土矿物成分比例高和吸 附性强的特点，在液体环境下易形成高孔隙率的絮状结构体：根据细观结构的变化，尾矿沉积层从上到下依次分为澄清区、絮 凝区、沉降区和固结区：按时间划分，可以将尾矿的沉积过程分为沉降阶段和固结阶段，黏性尾矿的沉积时间大约是砂性尾矿 的2倍：砂性尾矿的沉积时间主要由单颗粒的自由沉降速度决定，黏性尾矿浆的沉积过程可用分界面高度-时间的函数关系 来描述.研究结果揭示了尾矿浆的沉积过程和细观结构之间的联系，为尾矿浆沉积规律的预测提供了参考 关键词尾矿坝：沉降柱试验：细观结构：双电层理论 分类号TG142.7 Indoor scale-down test of tailings WU Shang-wei),YANG Chun-he2),ZHANG Chao,MAO Hai-jun,JING Xiao-fei) 1)College of Safety Engineering,Chongging University of Science and Technology,Chongqing 401331,China 2)State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam,Chongqing University,Chongqing 400044,China 3)State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China Corresponding author,E-mail:wushangwei2017@163.com ABSTRACT The sedimentary rule of tailings slurry has an important influence on dam structure.In this paper,the sediment forma- tion characteristics and evolution law of tailings slurry were investigated through a unidimensional sedimentation experiment.The meso- scopic structure and stratigraphic classification of tailings sediment were discussed,the relationship between morphology and time was analyzed,and the electric double-layer theory was used to explain the influence of flocculation on the sedimentary characteristics.The experimental results show that,compared with sand particles,clay particles are smaller in size,contain more clay minerals and have better adsorption,and form a high-porosity flocculent structure in a liquid environment.With respect to the changes in the mesoscopic structure,tailings sediment can be divided into a water zone,flocculation zone,subsidence zone,and consolidation zone.The process of sedimentation can be divided into subsidence and consolidation stages along the time axis and the deposition time of the clayey tail- ings is about twice that of sandy tailings.The sedimentation time of the sandy tailings mainly depends on the free subsidence velocity of single particles,whereas the sedimentation process of clayey tailings can be described as a function of the interface level and time. This research findings lay a theoretical foundation for correlation research of the sedimentary process and mesoscopic structure,which provide a reference for the prediction of fine-grained tailings compression deformation. 收稿日期：2017-02-04 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51234004)：国家自然科学基金资助项目(51004099)：国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51304088):国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51404049)：重庆市教育委员会科学技术研究资助项目(KJ1501328)
工程科学学报,第 39 卷,第 10 期:1485鄄鄄1492,2017 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 10: 1485鄄鄄1492, October 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 10. 004; http: / / journals. ustb. edu. cn 尾矿浆沉积室内模拟试验 巫尚蔚1,2) 苣 , 杨春和2,3) , 张 超3) , 冒海军3) , 敬小非1) 1) 重庆科技学院安全工程学院, 重庆 401331 2) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044 3) 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071 苣通信作者, E鄄mail: wushangwei2017@ 163. com 收稿日期: 2017鄄鄄02鄄鄄04 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目(51234004);国家自然科学基金资助项目(51004099);国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51304088);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51404049);重庆市教育委员会科学技术研究资助项目(KJ1501328) 摘 要 尾矿浆的沉积特性对尾矿坝的坝体结构有重要影响. 为了研究尾矿浆的沉积分层特征和时间演化规律,对黏性尾 矿浆和砂性尾矿浆进行一维沉降柱试验,讨论了尾矿沉积物的细观结构特征和分层划分依据,分析了沉积物形态与时间的关 系,并用双电层理论解释了絮凝作用对沉积特征的影响机理. 结果表明:尾矿黏粒具有颗粒细小、黏土矿物成分比例高和吸 附性强的特点,在液体环境下易形成高孔隙率的絮状结构体;根据细观结构的变化,尾矿沉积层从上到下依次分为澄清区、絮 凝区、沉降区和固结区;按时间划分,可以将尾矿的沉积过程分为沉降阶段和固结阶段,黏性尾矿的沉积时间大约是砂性尾矿 的 2 倍;砂性尾矿的沉积时间主要由单颗粒的自由沉降速度决定,黏性尾矿浆的沉积过程可用分界面高度鄄鄄时间的函数关系 来描述. 研究结果揭示了尾矿浆的沉积过程和细观结构之间的联系,为尾矿浆沉积规律的预测提供了参考. 关键词 尾矿坝; 沉降柱试验; 细观结构; 双电层理论 分类号 TG142郾 7 Indoor scale鄄down test of tailings WU Shang鄄wei 1,2) 苣 , YANG Chun鄄he 2,3) , ZHANG Chao 3) , MAO Hai鄄jun 3) , JING Xiao鄄fei 1) 1) College of Safety Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China 2) State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam,Chongqing University, Chongqing 400044,China 3) State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China 苣Corresponding author, E鄄mail: wushangwei2017@ 163. com ABSTRACT The sedimentary rule of tailings slurry has an important influence on dam structure. In this paper, the sediment forma鄄 tion characteristics and evolution law of tailings slurry were investigated through a unidimensional sedimentation experiment. The meso鄄 scopic structure and stratigraphic classification of tailings sediment were discussed, the relationship between morphology and time was analyzed, and the electric double鄄layer theory was used to explain the influence of flocculation on the sedimentary characteristics. The experimental results show that, compared with sand particles, clay particles are smaller in size, contain more clay minerals and have better adsorption, and form a high鄄porosity flocculent structure in a liquid environment. With respect to the changes in the mesoscopic structure, tailings sediment can be divided into a water zone, flocculation zone, subsidence zone, and consolidation zone. The process of sedimentation can be divided into subsidence and consolidation stages along the time axis and the deposition time of the clayey tail鄄 ings is about twice that of sandy tailings. The sedimentation time of the sandy tailings mainly depends on the free subsidence velocity of single particles, whereas the sedimentation process of clayey tailings can be described as a function of the interface level and time. This research findings lay a theoretical foundation for correlation research of the sedimentary process and mesoscopic structure, which provide a reference for the prediction of fine鄄grained tailings compression deformation
·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·
巫尚蔚等：尾矿浆沉积室内模拟试验 ·1487· C-2.97 C=2.74 C=1.44 C=1.46 壁缘迟滞效应，且沉积速度较快，沉积层较薄，不利 100H 于观测沉积过程和分层特征.如果柱体尺寸过大，设 Do=11.34 um D0-139.50um 80 备体积过重，不利于装样、搬运和观测处理.经过反复 5μm, 75m1 试验尝试，最终确定沉降柱尺寸为内径15cm,高 60 100cm. Dm=6.18μm Ds=150.79μm 40 试验时，首先将实验室制得的砂性尾矿和黏性尾 矿配制成固相质量分数20%的尾矿浆（实际用量配比 0 ★一黏性尾矿 ■一砂性尾矿 为尾矿质量5kg,蒸馏水20kg).再使用搅拌机搅拌24 10 h,形成均匀的泥水混合物.然后将制得的黏性尾矿浆 粒径μm 和砂性尾矿浆分别注入A和B两个沉降柱，搅拌为悬 图1砂粒和粉粒样本的粒径分布 浊液后开始记录，观察沉降柱中尾矿浆的沉积过程，按 Fig.I Particle-size distributions of silt particles and sand particles 0min、4min、8min、l5min、30min、60min、2h、4h、8h、l2 石英所占比例/% 一砂性尾矿 h、1d、2d、4d、8d、16d和32d的时间间隔测量并记录 一础性尾矿 土水分界面的下降量.在分层稳定和最终沉积时刻， 使用显微镜观测沉积层细观结构变化并拍照. 铁白云石比例% 伊利石比例% 2试验结果及分析 2.1尾矿沉积层的分层性状 40 在细粒尾矿悬浊液中，黏性细颗粒在水体中会发 D 80 生聚集现象，形成絮团或絮网结构，这种相邻颗粒结合 /100 其他矿物比例/% 绿泥石比例/% 成集合体的作用被称为絮凝作用.由于絮凝作用的影 图2尾矿的矿质成分 响，细粒尾矿沉积层的分层结构与粗粒尾矿存在较大 Fig.2 Mineral composition of tailings 差异 当尾矿浆静置一段时间后，沉降柱内的浆体逐渐 性尾矿颗粒的重要特点，这对尾矿浆的沉积特性有重 形成较为稳定的分层结构.按水-土分界面位置可以 要的影响 1.2试验方法 将沉降柱分为澄清区和沉降固结区，其中沉降固结区 沉降柱是观察沉积规律的一种装置.为便于观察 按细观形态特点又可以分为絮凝区、沉降区和固结区 浆液的变化，试验沉降柱选用透明的有机玻璃管材料. 需要注意的是，各个分层间是逐渐过渡的，没有明显的 柱体表面沿竖直方向贴上刻度软尺，以便记录分界面 划分界限.如图4所示. 变化.沉降柱尺寸对试验结果有一定影响，备选沉降 澄清区是指在水-土分界面以上的清水区域.如 柱尺寸为5.3cm×36cm、8.5cm×50cm、中10cm× 图5所示，黏性尾矿浆水-土分界面清晰，澄清区水质 100cm、中15cm×100cm和中20cm×100cm.预试验结 清澈，细观照片中的絮团较少.而砂性尾矿浆的水-土 果发现，如果使用小尺寸的柱体，会对浆体造成明显的 分界面较为模糊，分界面附近存在大量絮团，在实验中 (a)砂性尾矿颗粒 )黏性尾矿颗粒 图3尾矿颗粒的显微照片.(a)砂性尾矿颗粒：(b)黏性尾矿颗粒 Fig.3 Micrographs of tailings particles:(a)sandy tailings particles;(b)sticky tailings particles
巫尚蔚等: 尾矿浆沉积室内模拟试验 图 1 砂粒和粉粒样本的粒径分布 Fig. 1 Particle鄄size distributions of silt particles and sand particles 图 2 尾矿的矿质成分 Fig. 2 Mineral composition of tailings 性尾矿颗粒的重要特点,这对尾矿浆的沉积特性有重 要的影响. 图 3 尾矿颗粒的显微照片. (a) 砂性尾矿颗粒;(b) 黏性尾矿颗粒 Fig. 3 Micrographs of tailings particles: (a) sandy tailings particles; (b) sticky tailings particles 1郾 2 试验方法 沉降柱是观察沉积规律的一种装置. 为便于观察 浆液的变化,试验沉降柱选用透明的有机玻璃管材料. 柱体表面沿竖直方向贴上刻度软尺,以便记录分界面 变化. 沉降柱尺寸对试验结果有一定影响,备选沉降 柱尺寸为 准5郾 3 cm 伊 36 cm、准8郾 5 cm 伊 50 cm、准10 cm 伊 100 cm、准15 cm 伊 100 cm 和 准20 cm 伊 100 cm. 预试验结 果发现,如果使用小尺寸的柱体,会对浆体造成明显的 壁缘迟滞效应,且沉积速度较快,沉积层较薄,不利 于观测沉积过程和分层特征. 如果柱体尺寸过大,设 备体积过重,不利于装样、搬运和观测处理. 经过反复 试验 尝 试, 最 终 确 定 沉 降 柱 尺 寸 为 内 径 15 cm, 高 100 cm. 试验时,首先将实验室制得的砂性尾矿和黏性尾 矿配制成固相质量分数 20% 的尾矿浆(实际用量配比 为尾矿质量 5 kg,蒸馏水 20 kg). 再使用搅拌机搅拌 24 h,形成均匀的泥水混合物. 然后将制得的黏性尾矿浆 和砂性尾矿浆分别注入 A 和 B 两个沉降柱,搅拌为悬 浊液后开始记录,观察沉降柱中尾矿浆的沉积过程,按 0 min、4 min、8 min、15 min、30 min、60 min、2 h、4 h、8 h、12 h、1 d、2 d、4 d、8 d、16 d 和 32 d 的时间间隔测量并记录 土水分界面的下降量. 在分层稳定和最终沉积时刻, 使用显微镜观测沉积层细观结构变化并拍照. 2 试验结果及分析 2郾 1 尾矿沉积层的分层性状 在细粒尾矿悬浊液中,黏性细颗粒在水体中会发 生聚集现象,形成絮团或絮网结构,这种相邻颗粒结合 成集合体的作用被称为絮凝作用. 由于絮凝作用的影 响,细粒尾矿沉积层的分层结构与粗粒尾矿存在较大 差异. 当尾矿浆静置一段时间后,沉降柱内的浆体逐渐 形成较为稳定的分层结构. 按水鄄鄄 土分界面位置可以 将沉降柱分为澄清区和沉降固结区,其中沉降固结区 按细观形态特点又可以分为絮凝区、沉降区和固结区. 需要注意的是,各个分层间是逐渐过渡的,没有明显的 划分界限. 如图 4 所示. 澄清区是指在水鄄鄄 土分界面以上的清水区域. 如 图 5 所示,黏性尾矿浆水鄄鄄土分界面清晰,澄清区水质 清澈,细观照片中的絮团较少. 而砂性尾矿浆的水鄄鄄土 分界面较为模糊,分界面附近存在大量絮团,在实验中 ·1487·
·1488· 工程科学学报，第39卷，第10期 黏性尾矿浆 砂性尾矿浆 ↑澄清区 絮凝区 絮凝区 澄清区 沉降 固结区 沉降区 沉降区 沉降 砂性尾矿沉积物表 黏性尾矿沉积物表 固结区 固结区 固结区 面没有排水通道● 面没有排水通道 图4沉积尾矿的层界划分(60min时) 图6尾矿浆的絮凝区 Fig.4 Stratigraphic classification of sedimentary tailings(at 60 min) Fig.6 Flocculation zone of tailings slurry 可观察到絮团不断下沉的现象.这种现象与细颗粒含 量有关.黏性尾矿浆中含有大量黏性细颗粒，在一定 浓度下容易形成大量絮团，并相互接触连接，以絮网结 构的形式整体下沉，因此澄清区絮团较少，水质清澈 砂性尾矿浆中细颗粒含量较少，浓度较低，所以悬浊体 微裂纹 示意图 中絮团之间的接触概率低，不能形成絮网结构，可以在 悬浊体中滞留较长时间，导致澄清区在沉降初始阶段 呈浑浊状态 砂性尾矿 黏性尾矿 絮团少 澄清区 澄清区 浑浊 絮团多 清澈 沉降区 沉降区 图7尾矿浆沉降区显微照片 Fig.7 Subsidence zone of tailings slurry 粒层和粗粒层.黏性尾矿沉积层的细观特征与沉降区 黏性尾矿浆 黏性尾矿浆 砂性尾矿浆 砂性尾矿浆 相似，但颗粒更粗，排列更加紧密，且底部出现大量纵 澄清面细观照片 水土分界线 水土分界缓 澄清面细观照片 向裂缝，这可能与沉降柱底部的端部效应有关 图5尾矿浆的澄清区 Fig.5 Water zone of tailings slurry 絮凝区是指处于沉积物表层的絮状沉积区域.该 5 区域絮状结构体分散沉积，且只受自身重力和浮力影 86 响，上覆沉积物压力可忽略不计.砂性尾矿浆和黏性 87 黏性尾矿沉积层上部 尾矿浆的絮凝区形态相似，但砂性尾矿的絮凝结构是 89 由絮团沉降形成的，结构较为松散.黏性尾矿浆的絮 90 网是由絮团接触黏连形成，具有整体结构，因排水而形 成明显的裂纹状的排水通道（见图6）. 砂性尾矿沉积层 沉降区是指絮凝结构相互连接混合成固相结构体 黏性尾和矿沉积层下部 的弱固结区域.在沉降区域，沉积物在上覆压力作用 图8尾矿浆的固结区 下发生结构性压缩，体积缩小，密度增大.如图7所 Fig.8 Consolidation zone of tailings slurry 示，砂性尾矿浆的絮团在沉降过程中形成大量横向微 2.2沉积形态的时间效应 裂纹，而黏性尾矿的絮网微裂纹在上覆压力作用下逐 尾矿的沉积是一个动态变化的过程，沉积层的细 渐压实消失 观结构随时间不断变化，因此完整描述尾矿的沉积规 固结区是指颗粒形成土体，并发生固结现象的区 律需要考虑时间因素的影响3-) 域.如图8所示，这一区域的沉积物层相对密实，没有 按照土-水分界面的产生时间及絮团发育程度， 观察到微裂纹，从上到下颗粒粒径逐渐增大.由于黏 可将沉积类型分为自由沉积、絮团沉积、絮网沉积和混 粒和砂粒粒径相差较大，砂性尾矿沉积层明显分为细 合沉积，如表2.如图9所示，浆体的沉积类型与细颗
工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 图 4 沉积尾矿的层界划分(60 min 时) Fig. 4 Stratigraphic classification of sedimentary tailings(at 60 min) 可观察到絮团不断下沉的现象. 这种现象与细颗粒含 量有关. 黏性尾矿浆中含有大量黏性细颗粒,在一定 浓度下容易形成大量絮团,并相互接触连接,以絮网结 构的形式整体下沉,因此澄清区絮团较少,水质清澈. 砂性尾矿浆中细颗粒含量较少,浓度较低,所以悬浊体 中絮团之间的接触概率低,不能形成絮网结构,可以在 悬浊体中滞留较长时间,导致澄清区在沉降初始阶段 呈浑浊状态. 图 5 尾矿浆的澄清区 Fig. 5 Water zone of tailings slurry 絮凝区是指处于沉积物表层的絮状沉积区域. 该 区域絮状结构体分散沉积,且只受自身重力和浮力影 响,上覆沉积物压力可忽略不计. 砂性尾矿浆和黏性 尾矿浆的絮凝区形态相似,但砂性尾矿的絮凝结构是 由絮团沉降形成的,结构较为松散. 黏性尾矿浆的絮 网是由絮团接触黏连形成,具有整体结构,因排水而形 成明显的裂纹状的排水通道(见图 6). 沉降区是指絮凝结构相互连接混合成固相结构体 的弱固结区域. 在沉降区域,沉积物在上覆压力作用 下发生结构性压缩,体积缩小,密度增大. 如图 7 所 示,砂性尾矿浆的絮团在沉降过程中形成大量横向微 裂纹,而黏性尾矿的絮网微裂纹在上覆压力作用下逐 渐压实消失. 固结区是指颗粒形成土体,并发生固结现象的区 域. 如图 8 所示,这一区域的沉积物层相对密实,没有 观察到微裂纹,从上到下颗粒粒径逐渐增大. 由于黏 粒和砂粒粒径相差较大,砂性尾矿沉积层明显分为细 图 6 尾矿浆的絮凝区 Fig. 6 Flocculation zone of tailings slurry 图 7 尾矿浆沉降区显微照片 Fig. 7 Subsidence zone of tailings slurry 粒层和粗粒层. 黏性尾矿沉积层的细观特征与沉降区 相似,但颗粒更粗,排列更加紧密,且底部出现大量纵 向裂缝,这可能与沉降柱底部的端部效应有关. 图 8 尾矿浆的固结区 Fig. 8 Consolidation zone of tailings slurry 2郾 2 沉积形态的时间效应 尾矿的沉积是一个动态变化的过程,沉积层的细 观结构随时间不断变化,因此完整描述尾矿的沉积规 律需要考虑时间因素的影响[13鄄鄄14] . 按照土鄄鄄水分界面的产生时间及絮团发育程度, 可将沉积类型分为自由沉积、絮团沉积、絮网沉积和混 合沉积,如表 2. 如图 9 所示,浆体的沉积类型与细颗 ·1488·
巫尚蔚等：尾矿浆沉积室内模拟试验 ·1489· 粒含量有关.当黏性颗粒浓度较低时，颗粒相互接触 连接的可能性较小，絮团产生后无法形成大范围的絮 网结构，而单独的絮团悬滞能力较强，悬浮在澄清区 域，导致沉降初期(60min以前)水-土分界面不清晰. 黏性 尾和浆 当黏性颗粒浓度较大时，颗粒相互联结，形成絮网，以 整体的形态下沉，因此沉降初期(4min)就可以形成清 晰的水-土分界面.根据试验过程中对澄清面和絮凝 结构（絮团和絮网）的观察，砂性尾矿属于混合沉积， 固液分 其中的粗颗粒发生自由沉降，细颗粒发生絮团沉降，而 黏性尾矿属于典型的絮网沉积. 表2浆体的沉积类型 砂性 Table 2 Sedimentary types of slurry 尾矿浆 沉积类型自由沉积 絮团沉积 絮网沉积 混合沉积 水-土瞬时形成， 沉降初期 很快清晰视含砂量而定 分界面 清晰 不清晰 第一渣清面 第二澄清面 粗颗粒单絮团尺寸小， 絮团相互联既有单颗粒， 0min 15 min 60 min 480 min 46080 min 细观特点 粒，无絮团絮团相互独立结成絮网也有絮状结构体 图9沉积尾矿形态的时间效应 Fig.9 Time effect of tailings slurry 图10展示了水土分界线高度随时间变化的曲线. 从图中可以看出，尾矿浆的自重沉降固结过程可分为 速度0.41cmhl.砂性尾矿浆的主固结阶段持续约 明显的沉降阶段和固结阶段，其中固结阶段又分为主 1200min(20h),在第1440min(1d)结束，平均下降速 固结阶段和次固结阶段， 度0.03cmh1.相比砂性尾矿浆，黏性尾矿浆的主固 沉降阶段是颗粒快速下沉堆积的阶段，其特点是 结具有固结速度慢、持续时间长和固结变形大的特点. 土-水分界线下降速度较快.黏性尾矿浆大约在4min 在次固结阶段，沉积层中的超静水压力全部消散， 时出现清晰土-水分界线，到480min(8h)时沉降阶段 土骨架在自重作用下继续压缩，产生缓慢沉降.次固 基本结束.对于砂性尾矿而言，试验开始时粗颗粒会 结是黏性尾矿的特有性质，砂性尾矿旷在次固结阶段没 立即下沉，迅速形成底部沉积层，并产生第一澄清面 有观察到土-水分界面下降的情况.黏性尾矿浆的主 (如图8所示)，该澄清面形成后高度基本不变.60min 固结阶段开始于第2880min(2d),截止第32d,总下沉 后，黏性尾矿浆中的细颗粒逐渐下沉，形成较清晰的第 量为1.3cm,平均下降速度0.04cmd1 二澄清面，该澄清面可以视为土-水分界面.砂性尾矿 目前对于沉降柱试验中主、次固结的划分界限还 浆的沉降阶段大约持续240min(4h).由此可知，黏性 缺乏一种统一的判断标准.从本次试验获得的土-水 尾矿浆的沉降具有速度慢、时间长和下降量大的特点. 分界线过程曲线来看，主、次固结的转变过程存在一个 主固结阶段是土体排水固结的阶段，该阶段澄清 曲线斜率变化的转折点，突变点后的曲线斜率基本不 面下降速度明显变缓.黏性尾矿浆的主固结阶段持续 变，曲线趋近于一条直线.本文根据土-水分界线过程 约2400min(40h),在第2880min(2d)结束，平均下降 快慢情况，将这个突变的转折点作为主固结结束和次 1005( 沉降阶段1固结阶段 720 100 主固结阶段「次固结阶段 120 60mim时出现〡+砂性尾矿浆 80 、清晰分界线【一。一黏性尾矿浆 18 女一砂性尾矿浆18 ·一黏性尾矿浆 60 16 60 16 40 14 14 20 12 20 12 沉降阶段「固结阶段 主固结阶段|次固结阶段 0 10 200 400 600 800 1000 1000 2000 3000 4000 500 时间/min 时间min 图10土-水分界线过程曲线.(a)1000min内尾矿浆的沉降-固结曲线：(b)5000min内尾矿浆的沉降-固结曲线 Fig.10 Process curves of soil-water boundary:(a)settlement and consolidation curves of tail slurry within 1000 min;(b)settlement and consolida- tion curves of tail slurry within 5000 min
巫尚蔚等: 尾矿浆沉积室内模拟试验 粒含量有关. 当黏性颗粒浓度较低时,颗粒相互接触 连接的可能性较小,絮团产生后无法形成大范围的絮 网结构,而单独的絮团悬滞能力较强,悬浮在澄清区 域,导致沉降初期(60 min 以前)水鄄鄄土分界面不清晰. 当黏性颗粒浓度较大时,颗粒相互联结,形成絮网,以 整体的形态下沉,因此沉降初期(4 min)就可以形成清 晰的水鄄鄄土分界面. 根据试验过程中对澄清面和絮凝 结构(絮团和絮网)的观察,砂性尾矿属于混合沉积, 其中的粗颗粒发生自由沉降,细颗粒发生絮团沉降,而 黏性尾矿属于典型的絮网沉积. 表 2 浆体的沉积类型 Table 2 Sedimentary types of slurry 沉积类型 自由沉积 絮团沉积 絮网沉积 混合沉积 水鄄鄄土 分界面 瞬时形成, 清晰 沉降初期 不清晰 很快清晰 视含砂量而定 细观特点 粗颗粒单 粒,无絮团 絮团尺寸小, 絮团相互独立 絮团相互联 结成絮网 既有单颗粒, 也有絮状结构体 图 10 土鄄鄄水分界线过程曲线. (a) 1000 min 内尾矿浆的沉降鄄鄄固结曲线;(b) 5000 min 内尾矿浆的沉降鄄鄄固结曲线 Fig. 10 Process curves of soil鄄鄄water boundary: (a) settlement and consolidation curves of tail slurry within 1000 min; (b) settlement and consolida鄄 tion curves of tail slurry within 5000 min 图 10 展示了水土分界线高度随时间变化的曲线. 从图中可以看出,尾矿浆的自重沉降固结过程可分为 明显的沉降阶段和固结阶段,其中固结阶段又分为主 固结阶段和次固结阶段. 沉降阶段是颗粒快速下沉堆积的阶段,其特点是 土鄄鄄水分界线下降速度较快. 黏性尾矿浆大约在 4 min 时出现清晰土鄄鄄水分界线,到 480 min(8 h)时沉降阶段 基本结束. 对于砂性尾矿而言,试验开始时粗颗粒会 立即下沉,迅速形成底部沉积层,并产生第一澄清面 (如图 8 所示),该澄清面形成后高度基本不变. 60 min 后,黏性尾矿浆中的细颗粒逐渐下沉,形成较清晰的第 二澄清面,该澄清面可以视为土鄄鄄水分界面. 砂性尾矿 浆的沉降阶段大约持续 240 min(4 h). 由此可知,黏性 尾矿浆的沉降具有速度慢、时间长和下降量大的特点. 主固结阶段是土体排水固结的阶段,该阶段澄清 面下降速度明显变缓. 黏性尾矿浆的主固结阶段持续 约 2400 min(40 h),在第 2880 min(2 d)结束,平均下降 图 9 沉积尾矿形态的时间效应 Fig. 9 Time effect of tailings slurry 速度 0郾 41 cm·h - 1 . 砂性尾矿浆的主固结阶段持续约 1200 min(20 h),在第 1440 min(1 d)结束, 平均下降速 度 0郾 03 cm·h - 1 . 相比砂性尾矿浆,黏性尾矿浆的主固 结具有固结速度慢、持续时间长和固结变形大的特点. 在次固结阶段,沉积层中的超静水压力全部消散, 土骨架在自重作用下继续压缩,产生缓慢沉降. 次固 结是黏性尾矿的特有性质,砂性尾矿在次固结阶段没 有观察到土鄄鄄水分界面下降的情况. 黏性尾矿浆的主 固结阶段开始于第 2880 min(2 d),截止第 32 d,总下沉 量为 1郾 3 cm,平均下降速度 0郾 04 cm·d - 1 . 目前对于沉降柱试验中主、次固结的划分界限还 缺乏一种统一的判断标准. 从本次试验获得的土鄄鄄 水 分界线过程曲线来看,主、次固结的转变过程存在一个 曲线斜率变化的转折点,突变点后的曲线斜率基本不 变,曲线趋近于一条直线. 本文根据土鄄鄄水分界线过程 快慢情况,将这个突变的转折点作为主固结结束和次 ·1489·