水砂充填体渗流问题研究

张 磊，吕力行

水砂充填体渗流问题研究

张 磊，吕力行

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

为解决水砂充填体脱水困难的问题，通过对水流在充填体内的渗流规律的理论研究，建立了在各个参数影响下与渗透时间关系的数学模型，并通过试验对不同的工艺参数影响下充填体的脱水效果进行模拟，得出各个参数与渗透效果之间的关系。

脱水；数学模型；渗透效果；水砂充填体

在解决矿山采空区以及矿山地压问题常用“封、崩、撑、充”等4种方法，其中以充填采空区来解决矿山地压最为可靠，尤其是在矿山有自己的选矿厂，用选矿尾砂作为充填料[1-2]。水砂充填是将选厂的尾砂通过水力管路输送至采空区进行充填的一种方法，在输送过程中要求输送速度快且不能堵塞管路，因此必须提高料浆的水分[3]。在充填完毕后，充填体内多余的水分要靠自重经预先布置的脱排水构筑物排出，要求脱水速度快、需将充填体内的水分尽量脱除。影响排水性质的最基本因素是物料的粒度组成，即同一类型的物料，其粒度组成发生变化，则会导致其渗流发生很大的变化。因此充填体的渗流特性的研究对尾砂级配、一次充填的高度、脱水构筑物的布置以及提高脱水效率有积极意义。

1 渗流模型

1.1 渗流概念

充填体内的水分是沿着一些形状不一、大小各异、弯弯曲曲的通道流动的，因此研究个别孔隙或者裂隙中的水分流动是很困难的，实际上也无此必要。因此人们不去直接研究单个水分质点的运动特征，而是具有整体平均性质的渗透规律[4]。

1.2 渗流模型

通常情况下，在充填采空区前预先在空区内布置脱水构筑物，充填体内多余的水分靠自身的重力经脱排水构筑物排出空区。一般选厂排放的尾砂的粒级较细，空区充填层的厚度不大，充填体上方没有外力作用，因此其渗透规律可用地下水渗流中的理论描述。水流在充填体内流动时，其上部边界称为潜水面，即潜水面是渗流区的边界，其位置是不断地往下降，其位置在问题解出以前是未知的。通常潜水面是一条曲线，过水断面也是一条曲线，水流在该曲线上的流动速度都相等。据有关资料显示，渗流的水面是一个平缓的曲面，一般认为坡度小于0.001，因此可以引用裘布依假说近似求解[5-6]，如图1所示，其中，Z 表示充填体内的潜水面高度(m)，X 表示基准高度(m)。

图1 裘布依假说

由达西定律[7-9]可知：

式中：K为渗透系数(m/s)，h 为测管水头(m)。因为可以近似地认为充填体无外部压力，则

由于一般认为潜水面的坡度α很小，即α≈0，如图1，则：

由于α≈0，意味着裘布依假说的潜水面较平缓，等水头面铅直，水流基本上水平，可以忽略渗流速度的垂直分离νz，将x、y、z的三维渗流问题简化成x、y二维问题。

由连续性方程知：

式中，K为充填体的渗透系数(m/s)，us为储水(释水)率(m-1)，其与储水(释水)系数u*的关系为u*＝us·h。由于单元体没有其他流入或者流出的“源”或者“汇”，因此W =0。

在充填前，尾砂料浆经过充分的搅拌，可以近似认为充填料的渗透系数K和储水(释水)率us为固定的常数，则解算时可将原有的x、y 二维问题简化为一维问题：

对式(5)进行积分可得到最终的数学模型，其边界条件为：

可以看出水砂充填体内的渗流时间与潜水面的高度(充填层的厚度)、脱排水设施间距、渗透系数、储水(释水)率等因素有关，如图2所示，该图是以两脱水井中间位置建立的坐标系，图中hx表示充填体的高度(m)，h为潜水面的高度(m)，x =0表示两脱水井间的中间位置，x 为脱水的距离(m)。影响渗透系数的基本因素是充填料的粒度组成，即使采用同一类型的物料，其粒度组成的变化也会使水流发生很大的变化。

图2 脱水空间模型

2 室内渗流效果试验及分析

2.1 试验方案

通过以上理论分析得知，水砂充填体内的渗流时间与潜水面的高度(充填层的厚度)、脱排水设施间距、渗透系数、储水(释水)率等因素有关。从云南某矿山现场采集的充填尾砂作为试验材料，研究各个参数对充填体渗透效率的影响。控制其他参数保持不变，改变其中的一个参数，可以得到在该参数影响下充填体的渗透效果。其中渗透时间为从开始计时到尾砂不再流出水为止，用脱水量来代替渗透时间。

试验在尺寸为0.7m×0.7m×1.2m的模型内进行，当参数为常量时，控制参数分别控制为：渗透系数K =7×10-6m/s、储水(释水)系数u*＝0.006、充填体的厚度h =0.30m，脱水井(管)间的距离x =0.16m。

2.2 试验结果及分析

试验结果分别列于表1、2、3、4。

表1 脱水量与渗流系数的关系

表2 脱水量与储水(释水)系数的关系

表3 脱水量与充填层的厚度之间的关系

通过试验，由表1可知，渗透系数越大，充填体脱水量越大，其渗透速度越大，则其渗透时间就越短，因此增大充填物料的渗透系数及增大物料粒径，有助于提高充填体脱水速度，另外渗透系数在7×10-6m/s以下的充填体上方或多或少的有一些澄清水没有被排出；由表2可知，脱水量随着储水(释水)系数的增大而增大，则增大释水系数，脱水效率就越高；由表3可知，充填体脱水量随着充填厚度的增加而减小，证明充填体的厚度越大，渗透时间越长；由表4可知，充填体内的脱水管间的距离越短，脱水效果越明显，渗透时间就越短。

表4 脱水量与脱水井(管)之间的关系

3 结论

(1) 通过理论分析，建立了充填体渗透的时间微分方程，表面充填体的渗透时间与潜水面的高度(充填层的厚度)、脱排水设施间距、渗透系数、储水(释水)系数等因素有关。

(2) 通过试验表明，渗透系数、储水(释水)系数越大，充填体厚度、脱水管间距越小，渗透效率就越高。

[1]郑巨明，奉欣，饶帮良，等.细粒尾砂作为充填料脱水措施的研究[J].资源环境与工程，2007，21(2)：184-186.

[2]吴东旭，唐飞.大红山铜矿全尾砂充填的试验研究[J].有色金属设计，2007，34(2)：7-10，20.

[3]毛彦鑫，丁凌霄，冯朝朝.水砂充填采矿中采场内充填体渗流问题研究[J].金属矿山，2013(8)：27-30.

[4]程松林.高等渗流力学[M].北京：石油工业出版社，2011.

[5]王俊杰，陈亮，梁越.地下水渗流力学[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[6]薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].北京：科学出版社，2007.

[7]韦华南.水力充填负压强制脱水研究[D].长沙：中南大学，2010.

[8]郭东屏，张石峰.渗流理论基础[M].西安：陕西科学出版社，1992.

[9]孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科技大学出版社，1999.

Study on Problem of Water Penetration in Filling Body

ZHANG Lei , LV Li-xing
(The Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

To solve the problem that is hard for the filling body of water flow and sediment to be dehydrated, the paper establishes a mathematical model of the relationship between the filling body and the infiltration time under the influence of various parameters though the theoretical study on the seepage law of the flow in filling body, and simulates the dehydration effect under the influence of different process parameters through the test to obtain the relationship between the various parameters and penetration effect.

dehydration; mathematical model; penetration effect; filling body

TD853.342

A

1007-9386(2014)06-0058-03

2014-04-14