高浓度水泥-尾砂充填料浆渗透性能研究.pdf

第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a y 20 06 高浓度水泥一尾砂充填料浆渗透性能研究 邓代强，瑚邑中亮，杨耀亮 长沙矿山研究院，长沙4 1 0 0 12 摘 要通过不同配比、不同浓度的高浓度充填料浆渗透性试验，得到k 2 3 和k l o 的数据，分析充填料浆渗透性能随配比和浓 度的变化规律。结果表明，灰礁比和料浆浓度对料浆渗透性能有较大影响。浓度相同条件下，不含水泥、灰砂比I 8 和灰砂比I 4 料浆的渗透系数依次减小。在相同配比条件下，浓度C 。为6 6 ％，6 8 ％，7 0 ％和7 2 ％的料浆，渗透系数依次减小。提高渗透系数可 以获得较优的强度参数，有利于回采工作。 关键词采矿工程；高浓度料浆；渗透试验；强度参数；岩土体材料 中图分类号T D 8 6 2 ；T D 8 5 3 ．3 4 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 8 7 ～0 4 作为一种人工复合的岩土体材料，水泥尾砂充 填料浆是一种多相体，在一定条件下，充填料浆固体 骨架间的水会产生流动、渗流。充填体的渗透性与 强度、变形性能问题一样，是充填体力学中主要研究 的基础课题之一。渗透、强度、变形三者互相联 系【lqJ ，互相影响。在载荷作用下，充填料中会产 生孔隙水压力和有效应力，随着时间延长，孔隙水压 力将逐步消散，有效应力将逐步地提高，这都与充填 体的渗透性有关，而有效应力决定了充填体的抗剪 强度。矿山充填料的排水速度取决于砂浆的质量浓 度和充填面积，对采矿工艺具有很大的影响。如果 矿房充填时采用渗透性能较好的充填材料，则可以 获得比较安全和可靠的效果L 4 ’5J 。 由于充填料具有连续孔隙，水在重力作用下会 穿过充填料的孔隙而发生流动。在水头差的作用 下，水透过充填料孔隙流动的现象称为渗透或渗流， 而充填体可以被水透过的性能称为渗透性。由于充 填料中孔隙比不同，孔隙断面大小和形状十分不规 则，因而水在充填料中的渗透是非常复杂的现象。 即使较单纯的颗粒组成，也不可能像研究管道中层 流那样求出流速分布的规律或者孔隙中真实的流速 大小。因此，研究充填材料的透水性，只能用平均的 概念，用单位时间内通过充填材料单位面积的水量 这种平均渗透速度来代替真实速度，并且往往都由 实验获取相关数据。 1买验方法 1 ．1 充填料物理化学性质 收稿日期2 0 0 6 0 1 2 7 作者简介邓代强 1 9 7 4 一 ，男，新疆石河子市人，助理工程师，硕 士，主要从事岩体力学和岩土工程等方面的研究。 通过实验室测定，得出充填料物理化学性质数 据。全尾砂密度、容重、孔隙率等参数见表1 ；全尾 砂化学成分S i 0 2 ，A 1 2 0 3 ，C a O ，M g O ，T F e ，S ，C u 测定 结果见图1 ；全尾砂粒度组成分布见图2 ，其中，d l o 3 ．3 2 弘m ，d s o 2 3 ．9 8 ／, m ，d 9 0 7 9 ．9 7 ／1 m ，d 平均 3 3 ．7 1 ／1 m 。 表1 全尾砂物理性能 T a b l e1 P h y s i c sp r o p e r t i e so ff u l lt a i l i n g 图1 全尾砂化学成分 F i g ．1 C h e m i c a lc o m p o s i t i o no ff u l lt a i l i n g 1 ．2 充填料渗透试验计算原理 一般土中的孔隙较小，水在其中流动时的流速 不大，因而水在土中渗流多为层流。层流渗透定律 由法国学者H ．D a r c y 达西 根据砂土试验结果而 得到，也称达西定律。只要有水头差，土孔隙中的自 由水就会发生缓慢流动。通常情况下这种流动为层 流，如果出现紊流则将导致土体失稳破坏。根据达 西定律，在层流状态下，土中水的渗透速度与水头差 成正比，与渗流流经途径长度成反比，如式 1 所示。 零、蛳钿众陋 万方数据 有色金属第5 8 卷 v k i k A H ／L 1 式中v 一渗透速度，c m ／s ；忌一土的渗透系数，c m ／s ； i 一水头梯度 或水力坡降 ；△H 一渗流起点和终点 问的水头差；L 一渗流流经起点至终点的距离。 术 、 翻 扪 粒经I l a m 图2 全尾砂粒度组成 F i g ．2 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no ff u l lt a i l i n g 若单位时间内的渗流量为q ，则有式 2 。 g Q ／t 以 k ／A k A z ▲H ／L 2 式中A 一垂直于渗流方向的截面积；Q 一时间t 内 流过土样的流量。 而经过时间t 的渗流量为式 3 。所以，由上式 可以知道室内常水头渗透试验的渗透系数为式 4 。 Q k i A t 3 k v ／ i ．4 Q ／ i A t 4 在矿山全尾砂渗透试验中，添加水泥其渗透性 能下降，沉降凝固后充填料渗透性能极差，透水极 少。如果测得在某一时间段△￡内渗出水量△Q ，则由 式 5 计算出该段时间内充填料的渗透系数。 愚 v ／ i A A Q L ／ A △H A t 5 式中△Q 一在某一时间段内渗出水量 m L 或c m 3 ； △￡一该段时差 h 或m i n 。 1 ．3 渗透试验试件制备 根据试验原理[ 5 - 6 】制作试件，分别为不含水 泥、灰砂比1 4 、灰砂比1 8 三组试件，每组试件数 为4 个，试件总数为1 2 个。水泥为湖南某水泥厂生 产的普通硅酸盐水泥，标号4 2 5 。实验室室温为 2 3 ℃，整个试验过程在室温下操作，不开空调。 2 充填料浆渗透试验结果 当料浆灌入试验容器后，每隔1 0 m i n 测定并记 录一次渗透流出的水量、浆面高度和浆面上部的泌 水量。其中渗透系数的确定只与容器中渗透出的水 量有关，根据测定时间和流出的水量就可以代入公 式 5 计算出充填料浆的渗透系数。在矿山充填中， 充填料的渗透系数常常受到水温的影响，随水温的 变化而变化。工程中一般都是以1 0 ℃的渗透系数 k 1 0 为标准，因此需要将温度为T ℃时的试验测 定值 k 下 换算成1 0 ℃时的数值，按式 6 换算。 k l o k r ‘A T ／A 1 0 6 式中k 下一水温为T ℃时试样的渗透系数 c m ／s ； k l o 一水温为1 0 ℃时试样的渗透系数 c m ／s ；A T 一 水温为丁℃时水的动力粘滞系数 g s ／c m 3 ；A l o 一 水温为1 0 ℃时水的动力粘滞系数 g s ／c m 3 。 A 丁和A r 以1 0 的常数值可从试验手册中查得。试 验测得实验室平均室温为2 3 ℃，所以，查得| 【2 ，／A 】o 0 ．7 1 8 ，通过公式 6 得出充填料浆渗透试验结果 如表2 所示。 表2 充填料浆渗透试验结果 T a b l e 2P e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n tr e s u l to ff i l l i n gm a t e r i a l 从表2 充填料浆渗透试验结果可以看出，在相 同浓度条件下，料浆从不含水泥、灰砂比1 8 、到灰 砂比1 4 ，渗透系数不断减小，当质量浓度C 。为 6 6 ％时，纯全尾砂的充填料浆渗透系数为6 ．7 8 1 0 一c m ／s 、灰砂比1 8 的料浆渗透系数为6 ．5 8 1 0 一c m ／s 、灰砂比1 4 的料浆渗透系数为5 ．9 8 1 0 一c m ／s 。当质量浓度C 。达到7 2 ％时，料浆渗透 系数分别降低到为4 ．7 9 1 0 一c m ／s ，3 ．5 9 1 0 5 ∞ ∞ ∞ 们 舯 。 万方数据 第2 期 邓代强等高浓度水泥一尾砂充填料浆渗透性能研究8 9 c m ／s 和3 ．1 9 1 0 一c m ／s 。在相同配比条件下，对 于不含水泥的料浆，当C 。为6 6 ％，6 8 ％，7 0 ％和 7 2 ％时，其渗透系数不断减小，分别为6 ．7 8 1 0 - 5 c m ／s ，5 ．9 8 1 0 5 c m ／s ，5 ．1 9 1 0 5 c m ／s 和4 ．7 9 1 0 ～c m ／s 。当灰砂比为1 4 时，各浓度料浆渗透系 数分别降至5 ．9 8 1 0 一c m ／s ，4 ．7 9 1 0 一c m ／s ， 3 ．5 9 1 0 5 c m ／s 和3 ．1 9 1 0 ～c m ／s 。 当浓度相同时，各配比与无水泥料浆比较k ，。降 低率见表3 。从表3 试验数据可以看出，在相同浓度条 件下，随着水泥加入量的增大，充填料浆渗透系数不 断减小，若以无水泥数据为基准，当质量浓度G ，为 6 6 ％时，灰砂比1 8 的料浆渗透系数降低了2 ．9 5 ％， 灰砂比1 4 的料浆渗透系数降低了1 1 ．8 0 ％。当质量 浓度c t 。达到7 0 ％时，灰砂比1 8 和1 4 的料浆渗透 系数分别降低了1 1 ．5 6 ％和3 0 ．8 2 ％。 表3 各浓度下k l o 随灰砂配比的降低率仫 T a b l e3 kl od e c r e a s ef o re a c hd e n s i t yw 诜hr a t i o o fc e m e n tt ot a i l i n g ／％ 3 渗透试验曲线分析 通过表2 中试验数据k l O 可以得出充填料浆渗 透系数试验数据分析曲线，见图3 ～图5 。将表2 中 的数据归类计算可得数据表3 ，由此得出充填料浆 渗透系数试验曲线，见图6 和图7 。 7 ．t 6 ．0 0 5 ．0 0 4 ．0 0 0 W ／％ 图3充填料浆渗透系数随c 。的变化 F i g ．3I n t e r p e n e t r a t i o nm o d u l o u sc h a n g eo f f i l l i n gm a t e r i a lw i t hv a r i a t i o no fC 。 从图3 和图4 可以比较直观地看到充填料浆渗 透系数随c 。和干料中水泥含量的变化规律。当C 。 增加时，三种灰砂配比的足】o 均有所减小。同样，水 泥含量增加，四种质量浓度的k 。o 也同样减小。从各 曲线弯曲曲率来看，充填料浆渗透系数随C 。和干 料中水泥含量的变化规律略有不同。 f g 中 宝 善 蛊 051 01 52 0 干料中水泥含量／％ 图4 充填料浆渗透系数随干料中水泥含量的变化 F i g ．4I n t e r p e n e t r a t i o nm o d u l o u sc h a n g eo ff i l l i n g m a t e r i a lw i t hv a r i a t i o no fc e m e n tc o n t e n t 由图5 ～图7 可以比较直观地看到充填料浆渗 透系数在不同条件下的降低率变化。从图5 可以看 出，以6 6 ％数据为基准，当灰砂比相同时，随着C 。 的增加，k ，o 比上一浓度降低率先增大后减小，递减 方式基本一致。从图6 看到，灰砂比相同时，随着C 。 增加，比无水泥k 】o 降低率呈线性增大。图7 显示出， C 。相同时，随着灰砂配比的增大，各浓度料浆比无 水泥料浆k l o 降低率逐渐变大，四种质量浓度的k ，o 降低率增大规律有所不同。 邃 瓣 邕 世 魁 篷 L L 丑 C 。／％ 图5 不同条件下充填料浆渗透系数降低率的变化 F i g ．5C h a n g eo fi n t e r p e n e t r a t i o nm o d u l o u sd e c r e a s i n g r a t eo ff i l l i n gm a t e r i a lu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n 冰 、 碍 毯 邀 i _ 赋 芒 悄 釜 6 66 87 07 2 C w ，％ 图6充填料浆渗透系数相对无水泥 料浆降低率随浓度的变化 F i g ．6C h a n g eo fi n t e r p e n e t r a t i o nm o d u l 6 u sd e c r e a s i n g r a t eo ff i l l i n gm a t e r i a lw i t hd i f f e r e n td e n s i t y c o m p a r e dt Ot h a tw i t h o u tc e m e n ta d d i t i o n O O 0 O O 7 6 S 4 3 万方数据 有色金属第5 8 卷 冰 、 静 邕 世 曼 电 赋 * 候 丑 2 0 1 0 灰砂配比 图7 不同灰砂比下充填料浆渗透系数 相对无水泥料浆降低率的变化 F i g ．7 C h a n g eo fi n t e r p e n e t r a t i o nm o d u l o u sd e c r e a s i n gr a t eo f f i l l i n gm a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tc e m e n t - t a i l i n gp r o p o r t i o n e o m p a r e dt ot h a tw i t h o u tc e m e n ta d d i t i o n 4结语 充填料浆渗透试验表明，无论是否添加水泥，全 尾砂料浆渗透系数远远小于分级尾砂 分级尾砂渗 透系数为1 1 0 _ 2 ～1 1 0 4 c m ／s ，随着全尾砂料 浆沉降及凝结硬化，渗透系数逐渐减小。不添加水 泥的全尾砂料浆，达到最大沉降浓度后，渗透系数为 4 ．7 9 1 0 ～c m ／s 。灰砂比为1 8 时，料浆凝固后， 渗透系数小于3 ．5 9 1 0 一c m ／s 。灰砂比为1 4 时， 料浆凝固后渗透系数更是小于3 ．1 9 1 0 - ’c m ／s 。 参考文献 由此可以看出充填料颗粒大小与粒级分布对料浆渗 透性能有较大影响。 充填材料渗透性能的好坏，表征水从固体颗粒 间的孔隙流过的能力。它决定着充填料的脱水速 度、固结时间和强度值，对回采有明显的影响。充填 材料的渗透性能用渗透系数来表征，其物理意义是 单位水力坡度的渗透速度。充填料脱水时，水流从 惰性材料的孑L 隙中流过，固体颗粒对水流的阻力很 大，特别是在细颗粒或添加胶凝材料后的充填料中 渗流，渗透速度明显减小。所以充填料的孔隙率、结 构构造、胶凝材料含量及充填料浆中水的温度对渗 透系数都有较大影响。 充填料浆渗透系数大，则它在短时能够沉降、脱 水和在承载前很快地固化。这意味着充填材料具有 高的渗透率，则它在充填过程中或充填后马上就达 到局部饱和状态。而当充填料局部饱和时，具有力 学上的稳定性和高的剪切强度。如果充填料在充填 后脱水慢和保持在一种不稳定的饱和状态，那么有 可能造成重大的安全隐患，充填料浆由于挡墙意外 破裂或机械冲击，将导致严重的跑浆，从而会造成巨 大的安全事故。所以，为避免事故的发生，对高浓度 水泥尾砂充填料浆渗透性能研究具有现实意义。 [ 1 ] 邓代强．安庆铜矿特大型采场充填体力学性能、损伤及稳定性研究[ D ] ．长沙长沙矿山研究院，2 0 0 5 1 7 [ 2 ] 赵明华，王贻荪．土力学与基础工程[ M ] ．武汉武汉工业大学出版社，2 0 0 0 1 9 2 3 ． [ 3 ] 龚晓南．高等土力学[ M ] ．杭州浙江大学出版社，1 9 9 6 6 1 7 2 ． [ 4 ] 孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵．当代胶结充填技术[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 6 8 7 0 ． [ 5 ] 中国建材研究院水泥所．水泥性能及其检验[ M ] ．北京中国建材工业出版社，1 9 9 4 3 5 3 3 5 6 ． [ 6 ] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[ M ] ．第二版．北京水利水电出版社，1 9 9 4 1 0 7 1 1 9 ． S t u d yo nP e r m e a b i l i t yo fH i g h - d e n s i t yS l u r r yM a t e r i a lo fC e m e n t t a i l i n gB a c k f i l l D E N GD a i q i a n g ，Y A OZ h o n g - l i a n g ，r A N GY a o - l i a n g C h a n g s h aI n s t i t u t eo J lM i n i n gR e s e a r c h ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep a r a m e t e r so fk 2 3a n dk1 0a r eo b t a i n e db yt h ed i f f e r e n tc e m e n td o s a g ea n ds l u r r yd e n s i t ya n dt h ed e p e n d e n c eo ft h ep e r m e a b i l i t yo nt h ec e m e n td o s a g ea n ds l u r r yd e n s i t yi sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t s o ft h ep r o p o r t i o no fc e m e n t t a i l i n gi nb a c k f i l l i n gm a t e r i a la n dt h es l u r r yd e n s i t ya r er e m a r k a b l e ．U n d e rt h es a m e s l u r r yd e n s i t y ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h es l u r r yw i t hc e m e n t t a i l i n gp r o p o r t i o n so f0 ，1 81 4a r ep r o g r e s s i v e l yd e c r e a s e d ．W h i l et h ec e m e n t t a i l i n gp r o p o r t i o n sa r eo nd i f f e r e n c e ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h es l u r r yw i t h6 6 ％，6 8 ％， 7 0 ％a n d7 2 ％d e n s i t i e so fa r ea l s op r o g r e s s i v e l yd e c r e a s e d ．T h es u p e r i o rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fb a c k f i l l i n gc a n b ea c h i e v e d 巧t h ei n c r e a s eo fs l u r r yp e r m e a b i l i t y ，w h i c hi sf a v o r i t et os t o p p i n gp r o c e s s ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；h i g h d e n s i t ys l u r r y ；p e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n t ；s t r e n g t hp a r a m e t e r ； m a t e r i a 】o fr o c ka n ds o i l 万方数据