選礦尾砂在水流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究

羅平安，曹慧群，邢江鵬

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

礦產(chǎn)資源被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重大作用。泡沫浮選法是目前最普及的選礦方法。選礦過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生大量的尾砂，目前對(duì)于尾砂的處置大部分選擇堆放在尾礦庫(kù)，而隨著尾砂堆積量的增加，尾砂可能隨降雨進(jìn)入河道，對(duì)河流產(chǎn)生影響。

相關(guān)研究表明，水體中泥沙懸浮或淤積的狀態(tài)與流速、含沙量、泥沙特性(粒徑、密度等)等因素相關(guān)［1］。泥沙顆粒根據(jù)其粒徑大小劃分為6組［2］，文中所提及的選礦尾砂屬于粉砂。國(guó)內(nèi)對(duì)細(xì)顆粒泥沙的物理特性及其在水流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律展開(kāi)了諸多研究。徐宏明等［3］對(duì)粉沙質(zhì)海岸泥沙特性及其在水流作用下的起動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;黃建維等［4］通過(guò)試驗(yàn)研究了粉沙質(zhì)海岸航道驟淤期的懸移質(zhì)挾沙力，并在此基礎(chǔ)上提出了粉沙質(zhì)海岸驟淤期懸移質(zhì)挾沙力公式;李宇等［5］研究了黏性泥沙在環(huán)形水槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并指出采用環(huán)形水槽研究黏性泥沙起動(dòng)、沖刷、落淤的優(yōu)勢(shì);劉峰［6］研究了黏性細(xì)顆粒泥沙挾沙規(guī)律，并從黏性泥沙本身所特有的電化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，推導(dǎo)了黏性泥沙水流挾沙力的計(jì)算公式;任艷粉等［7］對(duì)中值粒徑為24 um的擬焦沙的阻力特性及其水流挾沙能力進(jìn)行了研究。

本文以選礦尾砂為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展水槽試驗(yàn)，研究選礦尾砂在不同流速和不同投砂速率條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于掌握選礦尾砂在水流中的擴(kuò)散和淤積規(guī)律具有重要意義。

2 選礦尾砂特性

基于選礦尾砂特殊的理化性質(zhì)，在開(kāi)展水槽試驗(yàn)前，測(cè)量分析了選礦尾砂包括密度和粒徑在內(nèi)的主要特性。

2.1 密度測(cè)量

本文利用李氏密度瓶(最小刻度為0.1 mL)對(duì)選礦尾砂干密度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量得到的選礦尾砂干密度平均值為2.77 g/cm3，略大于一般泥沙的密度2.65 g/cm3［8］，這可能是由于選礦尾砂含有一定量的重金屬，導(dǎo)致其密度略大于一般泥沙。

2.2 粒徑測(cè)量分析

粒徑對(duì)泥沙在水流中運(yùn)動(dòng)的影響較大，試驗(yàn)采用激光粒度儀(Mastersizer3000)測(cè)量尾砂粒徑。測(cè)量得到的選礦尾砂中值粒徑d50為46.7 um，d10和d90分別為6.3 um和133.0 um。根據(jù)其中值粒徑來(lái)看，選礦尾砂屬粉砂，為非均勻沙。圖1為選礦尾砂的級(jí)配曲線(xiàn)。

圖1 選礦尾砂級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Gradation curve of tailings

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所采用的水槽為23 m×1 m×0.6 m的矩形(長(zhǎng) × 寬 × 高)，底坡0.1%，最大流量540 m3/h，具有完整的回水系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)水槽布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)水槽布置Fig.2 Layout of the test flume

為盡量減小來(lái)流波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的影響，待水流從進(jìn)口水池經(jīng)過(guò)一次消能，進(jìn)入水槽并經(jīng)過(guò)二次消能后，在水流相對(duì)平穩(wěn)的位置設(shè)置投砂口?；诖耍渡翱谠O(shè)定在離水槽進(jìn)口水池8 m的位置，近右邊壁5 cm，并將此斷面定義為起點(diǎn)0 m，同時(shí)，為避免出口尾門(mén)對(duì)試驗(yàn)影響，試驗(yàn)段選定為8～21 m，有效觀(guān)測(cè)段13 m。

試驗(yàn)中，通過(guò)加砂設(shè)備，于水槽右側(cè)將選礦尾砂投入設(shè)定好流量和水位的水槽中，取樣測(cè)定含沙量并分析其變化規(guī)律;對(duì)排砂進(jìn)入水槽的擴(kuò)散情況進(jìn)行拍攝;待放水投砂一段時(shí)間且水槽內(nèi)有明顯尾砂淤積后(A，B，C 組為1 h，D 組為0.5 h)，停止放水，緩慢排空水槽，測(cè)量尾砂淤積形態(tài)和輪廓，并分段收集淤積的尾砂，烘干稱(chēng)重研究尾砂沿程淤積的規(guī)律。通過(guò)上述方法，研究尾砂進(jìn)入水槽后的擴(kuò)散、淤積，以及含沙量的沿程變化規(guī)律。

根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合試驗(yàn)水槽，擬定4組流速，分別為0.05，0.10，0.20，0.30 m/s(投砂口斷面平均流速)，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的流量和水位隨流速增大而遞增;投砂速率擬定3組，成比例增長(zhǎng)。擬定的試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置Table 1 Test schemes

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)水槽試驗(yàn)結(jié)果，從尾砂擴(kuò)散、淤積形態(tài)和淤積量沿程變化、沿程含沙量變化等方面，分析選礦尾砂在水流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4.1 尾砂擴(kuò)散規(guī)律

尾砂進(jìn)入水槽后，存在明顯擴(kuò)散，如圖3所示。A組試驗(yàn)條件(流速0.05 m/s)下圖3(a)，尾砂進(jìn)入水槽后同時(shí)發(fā)生縱向和橫向擴(kuò)散，縱向擴(kuò)散速度大于橫向擴(kuò)散速度;D組試驗(yàn)條件(流速0.30 m/s)下圖3(b)，尾砂進(jìn)入水槽后順?biāo)鞣较蜓杆贁U(kuò)散，橫向擴(kuò)散相對(duì)較小，大部分尾砂隨水流向下游運(yùn)動(dòng)，淤積的尾砂相對(duì)較少。

4.1.1 流速較小條件下的擴(kuò)散規(guī)律(A，B組)

水流流速較小條件下，尾砂進(jìn)入水槽后縱向與橫向同步擴(kuò)散，擴(kuò)散距離隨時(shí)間逐漸增大，如圖3(a)、表2和表3所示。A組(0.05 m/s)試驗(yàn)下，23 s末，A1組試驗(yàn)尾砂的縱向擴(kuò)散距離為1.25 m，小于同時(shí)刻A3組的1.35 m;A1組試驗(yàn)尾砂的橫向擴(kuò)散寬度為0.40 m，小于同時(shí)刻 A3 組的0.50 m。B 組(0.10 m/s)試驗(yàn)下，10 s末，B1組試驗(yàn)尾砂的縱向擴(kuò)散距離為1.20 m，小于同時(shí)刻 B3組的1.28 m;B1組試驗(yàn)尾砂的橫向擴(kuò)散寬度為0.24 m，略小于同時(shí)刻B3組的0.25 m。分析得出，同一水流流速下，在同一時(shí)刻，投砂速率越大，其縱向擴(kuò)散距離和橫向擴(kuò)散寬度越大。

表2 A1，A3組尾砂進(jìn)入水槽初期擴(kuò)散距離Table 2 Diffusion distance of tailings group A1 and A3 at the beginning of diffusion

圖3 尾砂擴(kuò)散情況Fig.3 Diffusion of tailings

表3 B1，B3組尾砂進(jìn)入水槽初期擴(kuò)散距離Table 3 Diffusion distance of tailings group B1 and B3 at the beginning of diffusion

4.1.2 流速較大條件下的擴(kuò)散規(guī)律(C，D組)

水槽流速較大條件下，尾砂進(jìn)入水槽后沿縱向上迅速擴(kuò)散，擴(kuò)散距離隨時(shí)間迅速增大，橫向擴(kuò)散寬度上變化不大，如圖3(b)和表4所示。C組(0.20 m/s)試驗(yàn)下，6 s末，C1組試驗(yàn)尾砂的縱向擴(kuò)散距離為1.33 m，略小于同時(shí)刻C3組的1.35 m。D組(0.30 m/s)試驗(yàn)下，6 s末，D1組試驗(yàn)尾砂的縱向擴(kuò)散距離為1.50 m，小于同時(shí)刻 D3組的1.70 m。

表4 C1，C3，D1，D3 組尾砂進(jìn)入水槽初期縱向擴(kuò)散距離Table 4 Longitudinal diffusion distance of tailings group C1，C3，D1 and D3 at the beginning of diffusion m

4.2 尾砂淤積規(guī)律

4.2.1 淤積形態(tài)分析

選取不同流速下投砂速率最大的工況(A3，B3，C3，D3)，分析尾砂進(jìn)入水槽后的淤積形態(tài)。

從縱向看，由于尾砂剛投入水槽時(shí)的擴(kuò)散作用和上游來(lái)流作用，尾砂淤積起始斷面隨流速增大向下游移動(dòng)，如圖4所示。流速較小時(shí)，尾砂主要淤積在投砂口及其下游附近，淤積長(zhǎng)度較短，如A3組起始淤積斷面為－0.15 m(投砂口位置為0 m)，B3組起始淤積斷面為0 m;流速較大時(shí)，尾砂從距投砂口一定距離后開(kāi)始淤積，如C3組起始淤積斷面為0.12 m，D3組起始淤積的斷面為0.40 m，且沿程淤積量相對(duì)較小，大部分尾砂隨水流向下游運(yùn)動(dòng)。

圖4 不同工況下尾砂淤積形態(tài)Fig.4 Morphology of tailings deposition in different test conditions

從橫向上看，隨著流速增大，進(jìn)口段尾砂淤積的寬度變窄。流速較小時(shí)，進(jìn)口段尾砂橫向淤積的寬度較大，如距投砂口1 m斷面處，A3和B3組的橫向淤積寬度分別為0.85 m和0.65 m;流速較大時(shí)，進(jìn)口段尾砂橫向淤積的寬度較小，如距投砂口1 m斷面處，C3和D3組的橫向淤積寬度分別為0.40 m和0.36 m。

4.2.2 淤積量分析

為進(jìn)一步分析尾砂淤積沿程分布規(guī)律，烘干稱(chēng)重水槽內(nèi)分段淤積的尾砂。

流速較小時(shí)(A組與B組)，尾砂淤積量沿程先迅速減小，而后基本不再增加，如圖5所示。大部分尾砂淤積在0～2 m的范圍內(nèi)，約在3 m斷面后，淤積量基本不再增加。因此，流速較小時(shí)，大部分尾砂淤積在水槽內(nèi)。同一流速下，投砂量的增加導(dǎo)致淤積量的增加，尾砂淤積量占總投砂量的比例增大，如A1，A2，A3組尾砂淤積總量分別占投砂總量的67.3%、72.6%和85.8%，B1，B2，B3 組尾砂淤積總量分別占投砂總量的43.6%，48.4%，56.9%，詳見(jiàn)表5。綜合對(duì)比A組與B組發(fā)現(xiàn)，流速越小，尾砂淤積量占總投砂量的比例越大。

圖5 不同工況下的尾砂沿程淤積分布Fig.5 Distribution of tailings deposition along the channel in different test conditions

表5 不同工況下的尾砂總淤積量Table 5 Distribution of deposition amountin different test conditions

流速較大時(shí)(C組與D組)，尾砂淤積量沿程先保持不變或略有增加，而后逐漸減小，如圖5所示。同一流速下，投砂量的增加導(dǎo)致淤積量的增加，尾砂淤積量占總投砂量的比例增大，如C1，C2，C3組尾砂淤積總量分別占投砂總量的30.3%，35.3%，44.6%，D1，D2，D3 組(加砂0.5 h)尾砂淤積總量分別占投砂總量的21.8%，22.5%，24.9%，詳見(jiàn)表 5。綜合對(duì)比C組與D組發(fā)現(xiàn)，流速越大，尾砂淤積量占總投砂量的比例越小。

總之，水流流速越大，尾砂淤積量占總投砂量的比例越小;同一流速下，投砂量的增加導(dǎo)致淤積量的增加，尾砂淤積量占總投砂量的比例增大。

文獻(xiàn)［9］在研究瞬時(shí)排放泥沙顆粒團(tuán)在水流中的擴(kuò)散規(guī)律中指出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)同一粒徑組和初始體積的泥沙團(tuán)，水流速度越小，泥沙顆粒團(tuán)的垂向前鋒位置越大，原因可能是較小的水流速度，較小地減少了泥沙顆粒團(tuán)垂直向下的速度，泥沙沉積的越快。水流流速較大時(shí)，由于總體上增大了擴(kuò)散范圍，使得泥沙顆粒團(tuán)與周?chē)w之間的密度差減小了，從而使泥沙顆粒團(tuán)垂向向下的運(yùn)動(dòng)速度減小了，泥沙就會(huì)隨水流向下游運(yùn)動(dòng)。

4.3 含沙量沿程變化規(guī)律

由于投砂口位于水槽右側(cè)，根據(jù)尾砂擴(kuò)散實(shí)際情況，沿程布設(shè)7個(gè)斷面測(cè)量沿程含沙量的分布，分別是0.2，1，2，4，6，9，13 m。試驗(yàn)中，采集各斷面近右邊壁的水樣，取樣點(diǎn)離邊壁約20 cm。

投砂口在橫斷面上的位置影響了水體含沙量的分布規(guī)律。對(duì)于近排砂口一側(cè)(近右岸)，含沙量沿程先迅速減小，而后逐漸降低，最終基本趨于不變，如圖6所示。各工況下近排砂口一側(cè)的含沙量沿程分布均與指數(shù)公式擬合得較好，相關(guān)系數(shù)在0.9左右;對(duì)于遠(yuǎn)離投砂口的一側(cè)(近左岸)，含沙量沿程變化不大，整體上沿程先增大，在1 m斷面附近達(dá)到峰值，而后逐漸減小，最后基本保持不變。

圖6 不同工況下沿程含沙量分布Fig.6 Distribution of sediment concentration in different test conditions

對(duì)于同一斷面，由于投砂口位于右側(cè)，各工況下水槽上段近右岸的含沙量明顯大于近左岸的含沙量;隨水流向下游，尾砂在流速和自身擴(kuò)散的雙重作用下，在橫向上發(fā)生擴(kuò)散，逐步混合，且在9 m斷面以后，近右岸和近左岸的含沙量相差較小。因此，在距排砂口9 m以后，尾砂在橫向上充分?jǐn)U散，基本混合均勻。

5 結(jié)論

本文從尾砂擴(kuò)散、淤積形態(tài)和淤積量分布、含沙量沿程分布等幾個(gè)主要方面研究了選礦尾砂進(jìn)入水槽后的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要結(jié)論如下:

(1)擴(kuò)散規(guī)律:尾砂進(jìn)入水槽后，存在明顯擴(kuò)散。尾砂進(jìn)入水槽初期，當(dāng)水流流速較小時(shí)，縱向和橫向同時(shí)擴(kuò)散;流速較大時(shí)，尾砂順?biāo)鞣较蜓杆贁U(kuò)散，而橫向擴(kuò)散寬度變化不大，且大部分尾砂隨水流向下游運(yùn)動(dòng)。

(2)淤積規(guī)律:隨著流速增大，隨水流向下游運(yùn)動(dòng)的尾砂增多，淤積比例減小。A組(流速0.05 m/s)試驗(yàn)尾砂淤積總量占投砂總量的67.3%～85.8%，B組(流速0.10 m/s)為43.6%～ 56.9%，C 組(流速0.20 m/s)為30.3%～44.6%，D 組(流速0.30 m/s)為21.8%～24.9%。同一流速下，投砂速率越大，尾砂淤積的比例越大。

(3)含沙量沿程變化規(guī)律:近排砂口一側(cè)(近右岸)的含沙量沿程先迅速減小，而后逐漸減小，最后基本保持不變，其沿程分布與指數(shù)公式擬合地較好，相關(guān)系數(shù)在0.9左右;近左岸的含沙量沿程先增大，在1 m斷面附近達(dá)到峰值，而后逐步減小，最后基本保持不變。在距排砂口9 m以后，尾砂在橫向上基本混合均勻。

綜上所述，若大量選礦尾砂隨水流進(jìn)入河道，可能會(huì)使排砂口附近局部水體含沙量增加，局部河道的淤積略有增加，河床抬高，影響河道的過(guò)流能力;尾砂淤積在河底，特別是細(xì)顆粒泥沙容易板結(jié)，對(duì)河流生境造成影響。

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