D0I:10.13374/i.issnl00I153.2009.04.001 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 矿岩均质体各向异性渗流特性 王洪江)吴爱祥) 张杰)刘明德) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)云南驰宏锌锗股份有限公司，曲靖654211 3)中国黄金集团西峡金泰矿业有限公司，南阳474593 摘要以德兴铜矿矿石为实验物料，采用均匀设计法确定散体渗流实验方案，在自制多功能浸出实验台架上进行水平和垂 直渗流实验，实验结果采用SPS$统计软件进行回归分析·结果表明：垂直向下的渗流系数最大，其次为水平方式，垂直向上的 渗流系数最小：均质体各向异性系数变化范围为1.38~6.73，平均值为4：粗粒含量P5在35%~60%之间以及含泥量在 1%~5%之间，散体的渗流系数变化呈先升后降现象；渗流系数与孔隙率呈幂函数关系，随孔隙率增大而上升：孔隙率随0.1~ 0.2mm的物料含量增加而下降，随10~8mm和8~4mm含量之积增大而上升：渗流指数m与雷诺数Re之间存在幂函数关 系，对于判定渗流状态两者是一致的：西源排土场水平渗流系数为3.68×10-2ms1,垂直渗流系数为1.51×10-2ms1. 关键词均质体：渗流：各向异性系数：堆浸：孔隙率 分类号TD853.37:0357.3 Characters of anisotropy seepage in homogenous ore material WANG Hong jiang,WU Ai-xiang.ZHA NG Jie2).LIU Ming-de) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Yunnan Chihong Zn&-Ge Co.Ltd-.Qujing 654211,China 3)Xixia Jintai Mining Co.Ltd.,China Gold Group.Nanyang 474593.China ABSTRACT Horizontal and vertical seepage experiments with granular material from Dexing Copper Mine were completed on a mul- tifunctional experimental shelf.The experiment projects were homogenous designed and the data were analyzed in SPSS software.It is shown that the maximum seepage coefficient appears in down-going flow,the smaller in horizontal flow and the minimum in up"go- ing flow.All the anisotropy coefficients vary from 1.38 to 6.73 and their average value is 4.While the content of coarse grains is in the range of 35%to 60%and the content of mud is 1%to5%,the seepage coefficient is initially uprising but latter down-going The seepage coefficient is correlated with porosity in a power function and uprises with enlarging porosity.The porosity declines with increasing content of grains in the range of 0.1 to 0.2mm and heightens with increasing content of grains in the ranges of 10 to 8mm and 8 to 4mm.The relation of seepage coefficient and Reynolds number could be expressed as a power equation and they are identical to determine seepage state.The horizontal and vertical seepage coefficients of Xiyuan dump are 3.68X10-2msand 1.51X10-2 m,respectively. KEY WORDS homogenous material;seepage;anisotropy coefficient:heap leaching:porosity 堆浸工艺中溶浸液沿浸出物料颗粒之间的孔隙 浸堆大部分物料得到浸出，对于提高浸出率具有重 以及颗粒表面的裂隙流动，在流动的同时发生浸出 要意义，良好的渗透性不仅可以加快溶浸液的流 反应，目的金属从固相进入液相，并随浸出液离开浸 速，而且可以使气体在浸堆中的流通性得到改善，并 堆一]，因此，溶浸液在浸堆中渗流是至关重要的， 可人为控制浸出反应的温度可]，优化细菌生长环 没有溶浸液在散体中的渗流过程，浸出反应就无法 境，大大提高浸出反应速率 进行，溶浸液的均匀分布使浸堆不存在浸出盲区， 根据浸出前的准备条件不同，堆浸分为筑堆浸 收稿日期：2008-06-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No,50774011):国家新世纪人才计划资助项目(No,NCET07一0070)：国家重点基础研究发展计划 资助项目(No,2004CB619206) 作者简介：王洪江(1967-)，男，副教授，博士，E mail:wanghj1988@126.cmm
矿岩均质体各向异性渗流特性 王洪江1） 吴爱祥1） 张 杰2） 刘明德3） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 云南驰宏锌锗股份有限公司曲靖654211 3） 中国黄金集团西峡金泰矿业有限公司南阳474593 摘 要 以德兴铜矿矿石为实验物料采用均匀设计法确定散体渗流实验方案在自制多功能浸出实验台架上进行水平和垂 直渗流实验实验结果采用 SPSS 统计软件进行回归分析．结果表明：垂直向下的渗流系数最大其次为水平方式垂直向上的 渗流系数最小；均质体各向异性系数变化范围为1∙38～6∙73平均值为4；粗粒含量 P5 在35％～60％之间以及含泥量在 1％～5％之间散体的渗流系数变化呈先升后降现象；渗流系数与孔隙率呈幂函数关系随孔隙率增大而上升；孔隙率随0∙1～ 0∙2mm 的物料含量增加而下降随10～8mm 和8～4mm 含量之积增大而上升；渗流指数 m 与雷诺数 Re 之间存在幂函数关 系对于判定渗流状态两者是一致的；西源排土场水平渗流系数为3∙68×10－2m·s －1垂直渗流系数为1∙51×10－2m·s －1． 关键词 均质体；渗流；各向异性系数；堆浸；孔隙率 分类号 TD853∙37；O357∙3 Characters of anisotropy seepage in homogenous ore material W A NG Hong-jiang 1）W U A-i xiang 1）ZHA NG Jie 2）LIU Ming-de 3） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Yunnan Chihong Zn＆Ge Co．Ltd．Qujing654211China 3） Xixia Jintai Mining Co．Ltd．China Gold GroupNanyang474593China ABSTRACT Horizontal and vertical seepage experiments with granular material from Dexing Copper Mine were completed on a multifunctional experimental shelf．T he experiment projects were homogenous designed and the data were analyzed in SPSS software．It is shown that the maximum seepage coefficient appears in down-going flowthe smaller in horizontal flow and the minimum in up-going flow．All the anisotropy coefficients vary from 1∙38to6∙73and their average value is4．While the content of coarse grains is in the range of 35％ to60％ and the content of mud is1％ to 5％the seepage coefficient is initially uprising but latter down-going． T he seepage coefficient is correlated with porosity in a power function and uprises with enlarging porosity．T he porosity declines with increasing content of grains in the range of0∙1to0∙2mm and heightens with increasing content of grains in the ranges of10to8mm and8to4mm．T he relation of seepage coefficient and Reynolds number could be expressed as a power equation and they are identical to determine seepage state．T he horizontal and vertical seepage coefficients of Xiyuan dump are3∙68×10－2m·s －1and1∙51×10－2 m·s －1respectively． KEY WORDS homogenous material；seepage；anisotropy coefficient；heap leaching；porosity 收稿日期：2008-06-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50774011）；国家新世纪人才计划资助项目（No．NCET－07－0070）；国家重点基础研究发展计划 资助项目（No．2004CB619206） 作者简介：王洪江（1967－）男副教授博士E-mail：wanghj1988＠126．com 堆浸工艺中溶浸液沿浸出物料颗粒之间的孔隙 以及颗粒表面的裂隙流动在流动的同时发生浸出 反应目的金属从固相进入液相并随浸出液离开浸 堆［1－4］．因此溶浸液在浸堆中渗流是至关重要的 没有溶浸液在散体中的渗流过程浸出反应就无法 进行．溶浸液的均匀分布使浸堆不存在浸出盲区 浸堆大部分物料得到浸出对于提高浸出率具有重 要意义．良好的渗透性不仅可以加快溶浸液的流 速而且可以使气体在浸堆中的流通性得到改善并 可人为控制浸出反应的温度［5］优化细菌生长环 境大大提高浸出反应速率． 根据浸出前的准备条件不同堆浸分为筑堆浸 第31卷 第4期 2009年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．4 Apr．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．04．001
406 北京科技大学学报 第31卷 出法和非筑堆浸出法，前者浸堆的几何形状、尺寸、 提供理论依据 结构均按设计要求进行，散体偏析程度小，可视为均 质体：后者未经专门筑堆，地形复杂、堆体厚大，散体 1实验方案 偏析严重，可视为非均体。浸堆物料颗粒大小不一、 实验物料取自德兴铜矿采场，将物料采用颚式 形状不规则，决定着渗流系数随渗流方向而变化，即 破碎机破碎到10mm以下，并进行粒径筛分分析， 存在各向异性现象[]，所以，有必要进行均质体各 其结果如表1所示. 向异性渗流特性研究，为改善散体物料的渗流特性 表1破碎后物料粒级组成 Table I Gradation composition of the broken material 粒度/mm 项目 0.1 0.1-0.20.2-0.40.4-0.7 0.7-2.02.0-4.04.0-8.08.010.0 合计 筛余物料质量/kg 0.40 1.30 0.85 0.75 0.95 2.60 7.40 6.40 20.65 分计/% 1.94 6.30 4.12 3.63 4.60 12.59 35.84 30.98 100.0 累计/% 1.94 8.24 12.36 15.99 20.59 33.18 69.02 100.0 为了减少工作量，采用均匀设计法[设计实验 料粒级组成，其他水平按等差数列设定，如表2所 方案，实验因素选择物料的粒级组成，为8个因素 示，按照均匀设计法的要求共需进行10个方案的 实验水平选择10个水平，其中第6水平为破碎后物 实验，如表3所示 表2实验水平表 Table 2 Experimental level list 水平F1 F2 F3 F5 F6 F7 水平F1 F2 F3 F6 F7 Fa 10.000.000.000.000.000.000.000.00 61.946.304.123.634.6012.5935.8430.98 20.391.260.820.730.922.527.176.20 72.337.564.944.365.5215.1143.0137.18 30.782.521.651.451.845.0414.3412.39 82.72 8.825.775.086.4417.6350.1843.37 41.163.782.472.182.767.5521.5018.59 9 3.1010.086.595.817.3620.1457.3449.57 51.555.043.30 2.90 3.6810.0728.6724.78 103.4911.347.426.53 8.2822.6664.5155.76 表3实验方案设计 Table 3 Design of experimental schemes 方案序号 F2 F3 F4 Fs F6 F7 F8 平均径粒，d,/mm 1 0.0 0.9 1.2 1.6 2.7 11.0 41.9 40.7 6.56 2 0.3 3.2 3.5 4.3 6.9 4.2 36.1 41.6 6.16 3 0.7 5.7 5.9 0.0 2.5 20.4 25.8 39.0 5.73 4 1.4 10.5 0.0 3.4 8.7 14.9 17.0 44.1 5.59 5 2.7 20.1 4.4 10.3 3.3 4.5 0.0 54.8 5.21 6 1.6 0.0 4.0 0.6 5.2 16.3 52.2 20.1 5.52 7 2.4 2.6 7.8 3.8 1.0 10.5 52.5 19.4 5.27 8 3.9 7.3 1.2 9.5 8.0 0.0 52.0 18.0 4.92 5.1 12.4 5.4 2.4 0.0 29.0 35.4 10.2 3.96 8.1 23.4 13.4 10.1 10.7 17.6 16.7 0.0 1.81 实验装置、实验方法与分析原理 圆筒、调节阀门和流量计组成，如图1所示，分为水 平渗流装置与垂直渗流装置两种 2.1实验装置 2.2实验方法 实验装置由上下游水箱、化工泵、有机玻璃柱状 将实验物料按实验方案粒级组成要求配好，测
出法和非筑堆浸出法．前者浸堆的几何形状、尺寸、 结构均按设计要求进行散体偏析程度小可视为均 质体；后者未经专门筑堆地形复杂、堆体厚大散体 偏析严重可视为非均体．浸堆物料颗粒大小不一、 形状不规则决定着渗流系数随渗流方向而变化即 存在各向异性现象［6］．所以有必要进行均质体各 向异性渗流特性研究为改善散体物料的渗流特性 提供理论依据． 1 实验方案 实验物料取自德兴铜矿采场将物料采用颚式 破碎机破碎到10mm 以下并进行粒径筛分分析 其结果如表1所示． 表1 破碎后物料粒级组成 Table1 Gradation composition of the broken material 项目 粒度／mm ＜0∙1 0∙1～0∙2 0∙2～0∙4 0∙4～0∙7 0∙7～2∙0 2∙0～4∙0 4∙0～8∙0 8∙0～10∙0 合计 筛余物料质量／kg 0∙40 1∙30 0∙85 0∙75 0∙95 2∙60 7∙40 6∙40 20∙65 分计／％ 1∙94 6∙30 4∙12 3∙63 4∙60 12∙59 35∙84 30∙98 100∙0 累计／％ 1∙94 8∙24 12∙36 15∙99 20∙59 33∙18 69∙02 100∙0 — 为了减少工作量采用均匀设计法［7］设计实验 方案．实验因素选择物料的粒级组成为8个因素． 实验水平选择10个水平其中第6水平为破碎后物 料粒级组成其他水平按等差数列设定如表2所 示．按照均匀设计法的要求共需进行10个方案的 实验如表3所示． 表2 实验水平表 Table2 Experimental level list 水平 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 1 0∙00 0∙00 0∙00 0∙00 0∙00 0∙00 0∙00 0∙00 2 0∙39 1∙26 0∙82 0∙73 0∙92 2∙52 7∙17 6∙20 3 0∙78 2∙52 1∙65 1∙45 1∙84 5∙04 14∙34 12∙39 4 1∙16 3∙78 2∙47 2∙18 2∙76 7∙55 21∙50 18∙59 5 1∙55 5∙04 3∙30 2∙90 3∙68 10∙07 28∙67 24∙78 水平 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 6 1∙94 6∙30 4∙12 3∙63 4∙60 12∙59 35∙84 30∙98 7 2∙33 7∙56 4∙94 4∙36 5∙52 15∙11 43∙01 37∙18 8 2∙72 8∙82 5∙77 5∙08 6∙44 17∙63 50∙18 43∙37 9 3∙10 10∙08 6∙59 5∙81 7∙36 20∙14 57∙34 49∙57 10 3∙49 11∙34 7∙42 6∙53 8∙28 22∙66 64∙51 55∙76 表3 实验方案设计 Table3 Design of experimental schemes 方案序号 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 平均径粒dp／mm 1 0∙0 0∙9 1∙2 1∙6 2∙7 11∙0 41∙9 40∙7 6∙56 2 0∙3 3∙2 3∙5 4∙3 6∙9 4∙2 36∙1 41∙6 6∙16 3 0∙7 5∙7 5∙9 0∙0 2∙5 20∙4 25∙8 39∙0 5∙73 4 1∙4 10∙5 0∙0 3∙4 8∙7 14∙9 17∙0 44∙1 5∙59 5 2∙7 20∙1 4∙4 10∙3 3∙3 4∙5 0∙0 54∙8 5∙21 6 1∙6 0∙0 4∙0 0∙6 5∙2 16∙3 52∙2 20∙1 5∙52 7 2∙4 2∙6 7∙8 3∙8 1∙0 10∙5 52∙5 19∙4 5∙27 8 3∙9 7∙3 1∙2 9∙5 8∙0 0∙0 52∙0 18∙0 4∙92 9 5∙1 12∙4 5∙4 2∙4 0∙0 29∙0 35∙4 10∙2 3∙96 10 8∙1 23∙4 13∙4 10∙1 10∙7 17∙6 16∙7 0∙0 1∙81 2 实验装置、实验方法与分析原理 2∙1 实验装置 实验装置由上下游水箱、化工泵、有机玻璃柱状 圆筒、调节阀门和流量计组成如图1所示分为水 平渗流装置与垂直渗流装置两种． 2∙2 实验方法 将实验物料按实验方案粒级组成要求配好测 ·406· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第4期 王洪江等：矿岩均质体各向异性渗流特性 .407. s=3二hs L35 (5) 人=B十s 2 (6) 在式(4)~(6)中，h3、J35和p分别为监测点1和3 之间、点3和5之间水力梯度以其平均梯度；h1、h3 和h5分别为监测点1、3和5的水柱高度，m;L13和 L35为监测点1和3之间、点3和5之间距离，m, 雷诺数Re按下式计算： 1一上游水箱：2-调节阀门：3一柱浸圆筒：4一测压孔：5一流量 计：6-下游水箱；7-化工泵；8-塑料管道 Re=ud U (7) 图1渗流实验装置示意图 式中，v为渗流速度，ms1;d为散体平均粒径，m; Fig.1 Sketch of seepage test installation "为流体运动黏滞系数，m2s1. 其孔隙率 渗流速度v与水力梯度J之间的关系为： 将实验物料装入柱浸圆筒内，其两端进出口与 )=K厂m (8) 塑料管道联接，测压孔通过塑料软管与测压管联接， 式中，K为渗流系数，ms-1;J为水力梯度；m为渗 溶液由上游容器通过调节阀门、塑料管道进入柱浸 流指数，其值为1~2. 圆筒，经过散体物料后流入下游容器，下游容器内 由式(8)看出，当m=1时，与达西定律相同：当 的溶液由化工泵直接泵入上游容器，实现了渗流溶 m=2时，与巴甫洛夫紊流定律相同：当1<m<2 液的循环.柱浸圆筒内径为50mm,长1.0m,于柱 时，符合许多学者提出的过渡流，因此，用式(8)反 浸圆筒交错设置五个测压孔· 映散体的渗流特性和渗流规律较为全面、合理，并具 将装有实验物料的柱浸圆筒水平放在自制多功 有形式简单、使用方便等优点， 能浸出实验台架上，进行水平渗流实验，然后将柱状 渗流各向异性用下式表征： 圆筒垂直立于实验台架上，测定其垂直渗流状态 K. (9) 流量由柱浸圆筒下方的流量计测定，压力由测压管 测定 式中，K。为渗流各向异性系数，ms1;K1为水平渗 2.3分析原理 流系数，ms1;K。为垂直向下渗流系数，ms1. 孔隙率按下式计算： 3结果与讨论 e=C2-C×100% YV (1) 3.1均质体渗流各向异性规律 式中，e为孔隙率，%；G1和G2分别为注入水溶液 对方案1进行了渗流各向异性实验，渗流方式 前后的烧杯质量，g:Y为水的密度，gcm-3:V为烧 取水平、由上而下、由下而上三种.将方案1的三种 渗流方式的渗流速度与其水力梯度进行回归分析， 杯的体积，cm3. 其结果如图2所示，在三种渗流方式中，垂直向上 渗流量按下式计算： 的渗流系数最大，其次为水平方式，垂直向下的渗流 Q=60X V2-V1 (2) 0.035-0.02412m6 t 0.030 R2-0.973 式中Q为渗流量，m3h;V2和V1分别为初始体积 0.025 j=0.0175xd% 0.020 R-0.9995 及终了体积，m3;t为实验时间，min. 0.015 渗流速度按下式计算： 驰 0.010 季)-0.0311x1。水平方式 R2-0.9965 口从上而下 0.005 V-0 △从下而上 (3) 0 1.02.03.04.0 式中，D为柱浸圆筒直径，0.05m. 水力梯度 水力梯度按下式计算： 图2方案1中不同渗流方式下渗流速度与水力梯度之间的关系 ha=b二bs Fig.2 Relation between seepage velocity and hydraulic gradient un- L13 (4) der different seepage modes in Scheme No.1
1—上游水箱；2—调节阀门；3—柱浸圆筒；4—测压孔；5—流量 计；6—下游水箱；7—化工泵；8—塑料管道 图1 渗流实验装置示意图 Fig．1 Sketch of seepage test installation 其孔隙率． 将实验物料装入柱浸圆筒内其两端进出口与 塑料管道联接测压孔通过塑料软管与测压管联接． 溶液由上游容器通过调节阀门、塑料管道进入柱浸 圆筒经过散体物料后流入下游容器．下游容器内 的溶液由化工泵直接泵入上游容器实现了渗流溶 液的循环．柱浸圆筒内径为50mm长1∙0m于柱 浸圆筒交错设置五个测压孔． 将装有实验物料的柱浸圆筒水平放在自制多功 能浸出实验台架上进行水平渗流实验然后将柱状 圆筒垂直立于实验台架上测定其垂直渗流状态． 流量由柱浸圆筒下方的流量计测定压力由测压管 测定． 2∙3 分析原理 孔隙率按下式计算： ε＝ C2－C1 γV ×100％ （1） 式中ε为孔隙率％；G1 和 G2 分别为注入水溶液 前后的烧杯质量g；γ为水的密度g·cm －3 ；V 为烧 杯的体积cm 3． 渗流量按下式计算： Q＝60× V2－ V1 t （2） 式中 Q 为渗流量m 3／h；V2 和 V1 分别为初始体积 及终了体积m 3 ；t 为实验时间min． 渗流速度按下式计算： V ＝ Q 900πD 2 （3） 式中D 为柱浸圆筒直径0∙05m． 水力梯度按下式计算： J13＝ h1－h3 L13 （4） J35＝ h3－h5 L35 （5） Jp＝ J13＋J35 2 （6） 在式（4）～（6）中J13、J35和 Jp 分别为监测点1和3 之间、点3和5之间水力梯度以其平均梯度；h1、h3 和 h5 分别为监测点1、3和5的水柱高度m；L13和 L35为监测点1和3之间、点3和5之间距离m． 雷诺数 Re 按下式计算： Re＝ v d υ （7） 式中v 为渗流速度m·s －1 ；d 为散体平均粒径m； υ为流体运动黏滞系数m 2·s －1． 渗流速度 v 与水力梯度 J 之间的关系为： v＝ KJ －m （8） 式中K 为渗流系数m·s －1 ；J 为水力梯度；m 为渗 流指数其值为1～2． 由式（8）看出当 m＝1时与达西定律相同；当 m＝2时与巴甫洛夫紊流定律相同；当1＜ m ＜2 时符合许多学者提出的过渡流．因此用式（8）反 映散体的渗流特性和渗流规律较为全面、合理并具 有形式简单、使用方便等优点． 渗流各向异性用下式表征： Ks＝ K1 Kv （9） 式中Ks 为渗流各向异性系数m·s －1 ；Kl 为水平渗 流系数m·s －1 ；Kv 为垂直向下渗流系数m·s －1． 3 结果与讨论 图2 方案1中不同渗流方式下渗流速度与水力梯度之间的关系 Fig．2 Relation between seepage velocity and hydraulic gradient under different seepage modes in Scheme No．1 3∙1 均质体渗流各向异性规律 对方案1进行了渗流各向异性实验渗流方式 取水平、由上而下、由下而上三种．将方案1的三种 渗流方式的渗流速度与其水力梯度进行回归分析 其结果如图2所示．在三种渗流方式中垂直向上 的渗流系数最大其次为水平方式垂直向下的渗流 第4期 王洪江等： 矿岩均质体各向异性渗流特性 ·407·
.408 北京科技大学学报 第31卷 系数最小 下才能实施，因此，垂直向下和水平渗流方式比较 在自然压头作用下，垂直向下和水平渗流方式， 常用，其他方案的渗流实验只进行水平与垂直向下 渗流容易进行，而垂直向上只有在人工加压的条件 这两种方式，其分析结果如表4所示， 表4实验物料渗流系数和各向异性系数 Table 4 Seepage factor and anisotropy factor of experiment material 方案 水平渗流 垂直渗流 各向异性 序号 渗流系数/(ms) 渗流指数 相关系数 渗流系数/(ms) 渗流指数 相关系数 系数 No.1 0.0241 1.962 0.9864 0.0175 1.669 0.9997 1.38 No.2 0.0051 1.896 0.8957 0.0011 1.314 0.9449 4.64 No.3 0.0033 1.473 0.9999 0.0013 1.420 0.9986 2.54 No.4 0.0022 1.577 0.9839 0.0016 1.240 0.9922 1.38 No.5 5.828×10-5 1.097 0.9835 3.296×10-5 1.015 0.9803 1.77 No.6 0.0073 1.417 0.9994 0.0032 1.163 0.9905 2.28 No.7 0.0074 1.592 0.9955 0.0011 1.315 0.9482 6.73 No.8 0.0016 1.778 0.9918 0.0009 1.807 0.9907 1.78 No.9 0.0009 1.369 0.9158 0.0006 1.195 0.9848 1.50 No-10 1.22×10-6 0.516 0.9955 4.66×10-7 0.489 0.9933 2.62 在所进行的10个方案的渗流实验中，水平渗流 0.025 系数与垂直渗流系数明显不同.由表4可知：在10 ·水平滤流 个实验方案中，水平渗流系数由1.22×10-6ms1 0.020 变化到0.0241ms1,最大值是最小值的1.9×104 (.· ■垂直渗流 0.015 倍，垂直向下渗流系数由4.66×10-7ms变化到 0.010 0.0175ms1,最大值是最小值的3.8×10倍.均 0.005 质体各向异性系数均大于1，变化范围在1.38~ 6.73之间，平均值为4. 30 50 70 P,% 3.2渗流系数与粗料、细料含量的关系 由于散体具有大小颗粒粗细相差悬殊、组成分 图3渗流系数与P之间的关系 散、不均匀性大以及性质复杂的特点，因此在研究中 Fig.3 Curves of seepage factor and Ps 可把某一粒径作为区分粒径，将散体分为粗、细两部 分，从应用方便出发，采用5mm的固定粒径，即将 0.0250 粒径大于5mm的颗粒称为粗料，小于5mm的称为 0.020 ◆水平渗流 细料，含量用P5表示.一般细料的颗粒组成及对工 ■垂直渗流 程的影响主要是0.1mm,将小于0,1mm的颗粒含 0.010 量称为含泥量[8].粗料含量对渗流系数的影响如 图3所示，含泥量对渗流系数的影响如图4所示， 0.005◆ 图3和图4表明，不论水平渗流还是垂直渗流， 4 6 10 渗流系数与粗颗粒含量P;值以及含泥量均呈指数 含泥量% 函数关系，总的变化趋势是渗流系数与粗料含量呈 图4细泥含量与渗流系数之间的关系 正相关，与含泥量负相关， Fig.4 Curves of seepage factor and clay content 从散点图分析表明，粗粒含量P5在35%~ 60%期间以及含泥量在1%~5%之间，散体的渗流 时，孔隙当量尺寸大于细颗粒粒径，细颗粒被带出浸 系数先升后降，这表明在上述区间粗、细颗粒交互 堆，致使孔隙率增大，渗流系数上升，含泥量大于 作用影响强烈，此时，细颗粒粒径以及孔隙当量尺 2%、粗颗粒小于55%时，孔隙当量尺寸小于细颗粒 寸起着关键作用，含泥量小于2%、粗颗粒大于55% 粒径，则产生细颗粒机械堵塞，渗流系数下降.因
系数最小． 在自然压头作用下垂直向下和水平渗流方式 渗流容易进行而垂直向上只有在人工加压的条件 下才能实施．因此垂直向下和水平渗流方式比较 常用其他方案的渗流实验只进行水平与垂直向下 这两种方式其分析结果如表4所示． 表4 实验物料渗流系数和各向异性系数 Table4 Seepage factor and anisotropy factor of experiment material 方案 序号 水平渗流 垂直渗流 渗流系数／（m·s －1） 渗流指数 相关系数 渗流系数／（m·s －1） 渗流指数 相关系数 各向异性 系数 No．1 0∙0241 1∙962 0∙9864 0∙0175 1∙669 0∙9997 1∙38 No．2 0∙0051 1∙896 0∙8957 0∙0011 1∙314 0∙9449 4∙64 No．3 0∙0033 1∙473 0∙9999 0∙0013 1∙420 0∙9986 2∙54 No．4 0∙0022 1∙577 0∙9839 0∙0016 1∙240 0∙9922 1∙38 No．5 5∙828×10－5 1∙097 0∙9835 3∙296×10－5 1∙015 0∙9803 1∙77 No．6 0∙0073 1∙417 0∙9994 0∙0032 1∙163 0∙9905 2∙28 No．7 0∙0074 1∙592 0∙9955 0∙0011 1∙315 0∙9482 6∙73 No．8 0∙0016 1∙778 0∙9918 0∙0009 1∙807 0∙9907 1∙78 No．9 0∙0009 1∙369 0∙9158 0∙0006 1∙195 0∙9848 1∙50 No．10 1∙22×10－6 0∙516 0∙9955 4∙66×10－7 0∙489 0∙9933 2∙62 在所进行的10个方案的渗流实验中水平渗流 系数与垂直渗流系数明显不同．由表4可知：在10 个实验方案中水平渗流系数由1∙22×10－6 m·s －1 变化到0∙0241m·s －1最大值是最小值的1∙9×104 倍垂直向下渗流系数由4∙66×10－7 m·s －1变化到 0∙0175m·s －1最大值是最小值的3∙8×104 倍．均 质体各向异性系数均大于1变化范围在1∙38～ 6∙73之间平均值为4． 3∙2 渗流系数与粗料、细料含量的关系 由于散体具有大小颗粒粗细相差悬殊、组成分 散、不均匀性大以及性质复杂的特点因此在研究中 可把某一粒径作为区分粒径将散体分为粗、细两部 分．从应用方便出发采用5mm 的固定粒径即将 粒径大于5mm 的颗粒称为粗料小于5mm 的称为 细料含量用 P5 表示．一般细料的颗粒组成及对工 程的影响主要是0∙1mm将小于0∙1mm 的颗粒含 量称为含泥量［8］．粗料含量对渗流系数的影响如 图3所示含泥量对渗流系数的影响如图4所示． 图3和图4表明不论水平渗流还是垂直渗流 渗流系数与粗颗粒含量 P5 值以及含泥量均呈指数 函数关系总的变化趋势是渗流系数与粗料含量呈 正相关与含泥量负相关． 从散点图分析表明粗粒含量 P5 在35％～ 60％期间以及含泥量在1％～5％之间散体的渗流 系数先升后降．这表明在上述区间粗、细颗粒交互 作用影响强烈．此时细颗粒粒径以及孔隙当量尺 寸起着关键作用．含泥量小于2％、粗颗粒大于55％ 图3 渗流系数与 P5 之间的关系 Fig．3 Curves of seepage factor and P5 图4 细泥含量与渗流系数之间的关系 Fig．4 Curves of seepage factor and clay content 时孔隙当量尺寸大于细颗粒粒径细颗粒被带出浸 堆致使孔隙率增大渗流系数上升．含泥量大于 2％、粗颗粒小于55％时孔隙当量尺寸小于细颗粒 粒径则产生细颗粒机械堵塞渗流系数下降．因 ·408· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第4期 王洪江等：矿岩均质体各向异性渗流特性 .409 此，应将含泥量控制在2%、粗颗粒含量控制在55% 由式(12)可知，中间粒级与孔隙率负相关，孔隙 左右， 率随中间粒径的含量增大而下降，粗粒级与孔隙率 3.3渗流系数与孔隙率之间的关系 呈正相关，粗粒级含量高，其孔隙率大， 一般来说，散体的孔隙率大，所提供的通道多， 采用逐步回归法进行分析，得知孔隙率Y 渗透性能好，介质的渗透系数就大[9町.因此，渗流系 与X2的关系式为： 数与孔隙率之间存在着内在的联系，根据表3和 y=0.377-3.37×10-3X2 (13) 表4可作渗流系数与孔隙率之间的关系曲线，如 由式(13)得知：在0.1~0.2mm之间的颗粒含 图5所示.通过回归分析，得出水平渗流系数与孔 量与孔隙率负相关，究其原因，在于实验物料的当 隙率的关系式为(R=0.892): 量孔隙直径在0.1~0.2mm内，大部分孔隙通道被 Kx=2.11×109e26.4 (10) 0.1~0.2mm的颗粒堵塞，孔隙率迅速降低.因此， 垂直渗流系数与孔隙率的关系式为(R=0.875): 为了提高散体介质的孔隙率，在筑堆过程中，应控制 K,=5.47×108e25.9 (11) 相当于该粒级的颗粒含量， 式(9)和(1O)中，Kx和K,分别为x及y方向的渗 3.4.2二次多项式回归分析 流系数，ms1;e为孔隙率. 经逐步回归分析，其回归方程为： 1.0×10 Y=0.30+5.38×10-5X7X8 (14) 1.0×102 上式表明，粗粒级10~8mm和8~4mm之间 旦1.0×103 具有强烈的交互作用，二者粒级含量之积与孔隙率 正相关，二者含量的乘积越大，孔隙率值越大，这两 1.0×10 个粒级均大于实验物料的平均粒径，因此应最大程 ·水平渗流 1.0×10-5 ■垂直渗流 度地提高平均粒径以上的粗颗粒含量， 1.0×106 3.5雷诺数Re与渗流指数m之间的关系 0.25 0.300.350.400.45 雷诺数Re是表示渗流速度的一个纲量1的 孔隙率% 量，用它可以判别流体的渗流状态，当R小于1到 图5渗流系数与孔隙率之间的关系 10之间某个值时，渗流状态属于层流状态，此时达 Fig.5 Relations of seepage factor with porosity 西定律适用；当Re大致在1到100之间时，为过渡 孔隙率高，则流体在散体介质中的流通断面大， 流；当雷诺数较高时，渗流状态属于紊流运动. 流动阻力小，表现在散体介质的渗流系数大，反之， 渗流指数m也能够表征渗流状态，当m=1 孔隙率小，则散体介质的渗流系数小 时，为层流状态；当m=2时，为紊流状态；当1< 3.4孔隙率与粒级组成之间的关系 m<2时，为过渡流状态. 孔隙率直接决定着渗流系数的大小，而孔隙率 这两个渗流状态的判据能否在同一个实验中统 与物料的粒级组成有关.根据表3中实验方案粒级 一起来，是均质体各向异性实验的一个主要目的. 组成与孔隙率，采用SPSS软件对孔隙率与粒级组 根据表4中10个方案的水平渗流与垂直渗流的渗 成进行回归分析，将实验物料的孔隙率设为Y值， 流指数及最小雷诺数，绘制了水平渗流状态和垂直 粒级组成中的8个因素设为X值，即：X1代表0一 渗流状态下的渗流指数与雷诺数的关系曲线，如 0.1mm,X2代表0.1~0.2mm,X3为0.2~ 图6所示. 2.5 0.4mm,X4为0.40.7mm,X5代表0.7~2mm, J=1.0319x01408 R2-0.8671 X6代表24mm,X7代表4~8mm,X8代表8~ 2.0 10mm. 1.5 0.9893x0179 R2-0.7950 3.4.1线性回归 1.0 经分析，得出孔隙率与散体物料的粒级组成之 0.5 ◆水平渗流 ■垂直渗流 间的关系为(R=0.914): 50 100150200 Y=0.271-4.4×10-4X3-1.18×10-3X4- 雷诺数，Re 7.41×10-5X5+1.61×10-3X7+9.69×10-4X8 图6渗流指数与雷诺数之间的关系 (12) Fig.6 Curves of seepage index to Reynold number
此应将含泥量控制在2％、粗颗粒含量控制在55％ 左右． 3∙3 渗流系数与孔隙率之间的关系 一般来说散体的孔隙率大所提供的通道多 渗透性能好介质的渗透系数就大［9］．因此渗流系 数与孔隙率之间存在着内在的联系．根据表3和 表4可作渗流系数与孔隙率之间的关系曲线如 图5所示．通过回归分析得出水平渗流系数与孔 隙率的关系式为（ R＝0∙892）： Kx＝2∙11×109ε26∙4 （10） 垂直渗流系数与孔隙率的关系式为（ R＝0∙875）： Ky＝5∙47×108ε25∙9 （11） 式（9）和（10）中Kx 和 Ky 分别为 x 及 y 方向的渗 流系数m·s －1 ；ε为孔隙率． 图5 渗流系数与孔隙率之间的关系 Fig．5 Relations of seepage factor with porosity 孔隙率高则流体在散体介质中的流通断面大 流动阻力小表现在散体介质的渗流系数大．反之 孔隙率小则散体介质的渗流系数小． 3∙4 孔隙率与粒级组成之间的关系 孔隙率直接决定着渗流系数的大小而孔隙率 与物料的粒级组成有关．根据表3中实验方案粒级 组成与孔隙率采用 SPSS 软件对孔隙率与粒级组 成进行回归分析．将实验物料的孔隙率设为 Y 值 粒级组成中的8个因素设为 X 值即：X1 代表0～ 0∙1mmX2 代 表 0∙1～0∙2 mmX3 为0∙2～ 0∙4mmX4 为0∙4～0∙7mmX5 代表0∙7～2mm X6代表2～4mmX7 代表4～8mmX8 代表8～ 10mm． 3∙4∙1 线性回归 经分析得出孔隙率与散体物料的粒级组成之 间的关系为（ R＝0∙914）： Y ＝0∙271－4∙4×10－4X3－1∙18×10－3X4－ 7∙41×10－5X5＋1∙61×10－3X7＋9∙69×10－4X8 （12） 由式（12）可知中间粒级与孔隙率负相关孔隙 率随中间粒径的含量增大而下降．粗粒级与孔隙率 呈正相关粗粒级含量高其孔隙率大． 采用逐步回归法［10］ 进行分析得知孔隙率 Y 与 X2 的关系式为： Y ＝0∙377－3∙37×10－3X2 （13） 由式（13）得知：在0∙1～0∙2mm 之间的颗粒含 量与孔隙率负相关．究其原因在于实验物料的当 量孔隙直径在0∙1～0∙2mm 内大部分孔隙通道被 0∙1～0∙2mm 的颗粒堵塞孔隙率迅速降低．因此 为了提高散体介质的孔隙率在筑堆过程中应控制 相当于该粒级的颗粒含量． 3∙4∙2 二次多项式回归分析 经逐步回归分析其回归方程为： Y ＝0∙30＋5∙38×10－5X7X8 （14） 上式表明粗粒级10～8mm 和8～4mm 之间 具有强烈的交互作用二者粒级含量之积与孔隙率 正相关二者含量的乘积越大孔隙率值越大．这两 个粒级均大于实验物料的平均粒径因此应最大程 度地提高平均粒径以上的粗颗粒含量． 3∙5 雷诺数 Re 与渗流指数 m 之间的关系 雷诺数 Re 是表示渗流速度的一个纲量1的 量用它可以判别流体的渗流状态．当 Re 小于1到 10之间某个值时渗流状态属于层流状态此时达 西定律适用；当 Re 大致在1到100之间时为过渡 流；当雷诺数较高时渗流状态属于紊流运动． 渗流指数 m 也能够表征渗流状态．当 m ＝1 时为层流状态；当 m ＝2时为紊流状态；当1＜ m＜2时为过渡流状态． 图6 渗流指数与雷诺数之间的关系 Fig．6 Curves of seepage index to Reynold number 这两个渗流状态的判据能否在同一个实验中统 一起来是均质体各向异性实验的一个主要目的． 根据表4中10个方案的水平渗流与垂直渗流的渗 流指数及最小雷诺数绘制了水平渗流状态和垂直 渗流状态下的渗流指数与雷诺数的关系曲线如 图6所示． 第4期 王洪江等： 矿岩均质体各向异性渗流特性 ·409·