1、高浓度水泥-尾砂充填料浆渗透性能研究第 58 卷第 2 期2006 年 5 月有色金属NonferrousMetalsVo1.58,No.2May2006高浓度水泥一尾砂充填料浆渗透性能研究邓代强,姚中亮,杨耀亮(长沙矿山研究院,长沙 410012)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 k23 和 k10 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.灰砂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 1:8 和灰砂比 1:4料浆的渗透系数依次减小.在相同配比条件下,浓度 C 为 66%,68%,70%和 72%的料浆,渗透系数
2、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:TD862;TD853.343 文献标识码:A 文章编号:1001 0211(2006)02008704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,变形三者互相联系卜 3l,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
3、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_4J.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,水透过充填料孑 L 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
4、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:20060127作者简介:邓代强(1974 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 Si02,Al2O3,CaO,MgO,TFe,S,Cu 测定结果见图 1;全尾砂粒度组成分布见图 2,其中,d0=3.32/m,dso=23.98/m,dgo=79.97/m,d 平均:33.71gm.表 1 全
5、尾砂物理性能Table1Physicspropertiesoffulltailing图 1 全尾砂化学成分Fig.1Chemicalcompositionoffulltailing1.2 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.Darcy(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.啦,懈扣忸有色金属第
6、58 卷v=ki=是H/L(1)式中:一渗透速度,cm/s;k 一土的渗透系数,cm/s;i 一水头梯度(或水力坡降);H 一渗流起点和终点间的水头差;L 一渗流流经起点至终点的距离.粒经/am图 2 全尾砂粒度组成Fig.2Particlesizedistributionoffulltailing若单位时间内的渗流量为 q,则有式(2).q=Q/t=vA=kiA=kAAH/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.而经过时问 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=kiAt(3)k=v/(iA)=Q/(iAt
7、)(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f 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.k:v/(iA)=AQL/(AAHAt)(5)式中:AQ 一在某一时问段内渗出水量(mI 或 cm);一该段时差(h 或 min).1.3 渗透试验试件制备根据试验原理卜 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 12 个.水泥为湖南某水泥厂生产的普通硅酸盐水泥,标号 425#.实验室室温为23,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
8、料浆灌入试验容器后,每隔 10min 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人公式(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 10的渗透系数(足 10)为标准 ,因此需要将温度为 T时的试验测定值(k)换算成 10时的数值,按式(6) 换算.klo=是下 ?2T/2lo(6)式中:k 丁一水温为 TU 时试样的渗透系数(cm/s);k10 一水温为 IOU 时试样的渗透系数(cm/s); 丁一水温为丁时水的动力粘滞系数(g?
9、s/cm3);210 水温为 IOU 时水的动力粘滞系数(g?s/c).和 r10 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 23U,所以,查得 223/210=0.718,通过公式 (6)得出充填料浆渗透试验结果如表 2 所示.褒 2 充填料浆渗透试验结果Table2Permeabilityexperimentrezuhoffillingmaterial灰砂配比 Cw/%水:水泥:全尾砂 k23/(10 一 cm?s 一.)10/(10cm?s 一.)全尾砂 666.12:0:11.889.446.78685.76:0:12,248.335.98705.40:0:12.6O7.2
10、25.19725.04:0:12.966.674.791:8666.12:1.32:10.569.176.58685.76:1.36:10.887.785.58705.40:1.40:l1.206.394.59725.04:1.44:11.525.0O3.591:4666.12:2.38:9.5O8.335.98685.76:2.45:9.796.674.79705.40:2.52:10.085.003.59725.04:2.59:10.374.443.19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 l:8,到灰砂比 1:4,渗透系数不断减小,当质量浓度
11、C 为66%时 ,纯全尾砂的充填料浆渗透系数为 6.7810 一 cm/s,灰砂比 1:8 的料浆渗透系数为 6.5810cm/s,灰砂比 1:4 的料浆渗透系数为 5.9810cm/s.当质量浓度 C 达到 72%时,料浆渗透系数分别降低到为 4.7910 一 cm/s.3.5910帅 0星栅加一一.瑚.mm.肿低一“u 降一第 2 期邓代强等:高浓度水泥一尾砂充填料浆渗透性能研究 89cm/s 和 3.19x10cm/s.在相同配比条件下,对于不含水泥的料浆,当 C 为 66%,68%,70%和72%时 ,其渗透系数不断减小,分别为 6.7810cm,5.9810_.cm/s,5.1910
12、 一 cm/s 和 4.7910 一 cm/s.当灰砂比为 1:4 时,各浓度料浆渗透系数分别降至 5.98x10 一 cm/s,4.7910 一 cm/s,3.5910 一 cm/s 和 3.1910 一 cm/s.当浓度相同时,各配比与无水泥料浆比较 k10 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,当质量浓度为66%时 ,灰砂比 1:8 的料浆渗透系数降低了 2.95%,灰砂比 1:4 的料浆渗透系数降低了 11.80%.当质量浓度 C 达到 70%时,灰砂比 1:8 和 1:4 的料浆渗透系数分别
13、降低了 11.56%和 30.82%.袭 3 各浓度下 kto 随灰砂配比的降低率Table3klodecreaseforeachdensitywithratioofcementtotailing/%3 渗透试验曲线分析通过表 2 中试验数据 kl0 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.Cw/%图 3 充填料浆渗透系数随 c 的变化Fig,3InterpenetrationmodulouschangeoffillingmaterialwithvariationofC从图 3 和
14、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 k.均有所减小.同样,水泥含量增加,四种质量浓度的 k.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.l 呐白善干料中水泥含量/%图 4 充填料浆渗透系数随干料中水泥含量的变化Fig.4Interpenetrationmodulouschangeoffillingmaterialwithvariationofcementcontent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 66%数
15、据为基准,当灰砂比相同时,随着 C的增加,k.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 Cw增加,比无水泥 k10 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.降低率逐渐变大,四种质量浓度的 k10降低率增大规律有所不同.堡量世肇Cw/%图 5 不同条件下充填料浆渗透系数降低率的变化Fig.5Changeofinterpenetrationmodulousdecreasingrflteoffillingmaterialunderdifferentcondition啦恃些世三赠芒董/%图 6 充填料浆渗
16、透系数相对无水泥料浆降低率随浓度的变化Fig.6ChangeofinterpenetrationmodulousdecreasingrateoffillingmaterialwithdifferentdensitycomparedtothatwithoUtcementaddition有色金属第 58 卷啦,薛岜踺悄丑IJ(IQ01)5U【llIJ.【5【】.20II25灰砂比图 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Fig.7Changeofinterpenetrationmoduloudecreasingrateoffillingmaterialwithdifferent
17、cementtailingproportioncomparedtothatwithoutcementaddition4 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 110n2110cm/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4.7910 一 cm/s.灰砂比为 1:8 时,料浆凝固后,渗透系数小于 3.5910.ClII/S.灰砂比为 1:4 时,料浆凝固后渗透系数更是小于 3.1910 一 cm/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
18、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
19、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.I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,2005:I 一 72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,2000:19 23.3龚晓南.高等土力学 M.杭州:浙江大学出版社,1996:6172+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,20
20、02:68 70.5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,1994:353356.6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,1994:107119.StudyonPermeabilityofHigh-densitySlurryMaterialofCement-tailingBackfillDENGDaiqiang,YAOZkong-liang,YANGYaoliang(ChangskaInstitute(MiningResearch,(angsh“410012,Ckina)AbstractTheparametersofk23and 是tOareobtainedbythedifferentcementdosageandslurrydensityandthedepen
