尾礦濃密過程的導(dǎo)水通道分布和演化特征

周旭，阮竹恩，王洪江，王少勇，王勇

(1.中鐵建國際投資有限公司，北京，100005；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；3.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

膏體充填技術(shù)是綠色采礦的發(fā)展方向，是治理采空區(qū)與地表尾礦庫災(zāi)害的有效途徑之一[1]。膏體充填是將選廠排放的低濃度全尾砂料漿進(jìn)行深度脫水，并與活性材料、改性材料和水?dāng)嚢杈鶆颍苽涑筛邼舛?、流態(tài)化的膏體料漿，通過自流或泵壓輸送至井下采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定充填功能[2]。高濃度全尾砂料漿的制備決定了物料攪拌效果、膏體輸送性能和充填體質(zhì)量，直接影響充填工藝和成本[3]。尾礦深錐濃密脫水是制備高濃度全尾砂料漿的關(guān)鍵技術(shù)，通過向低濃度尾砂料漿中添加高分子絮凝劑，在耙架剪切應(yīng)力和料漿自重應(yīng)力耦合作用下，實(shí)現(xiàn)全尾砂料漿的高效、經(jīng)濟(jì)脫水[4]。

尾礦濃密脫水研究一般聚焦于絮凝效果[5?6]、絮團(tuán)結(jié)構(gòu)[7]、耙架剪切條件[8]和固體通量分析[9]等方面，而濃密過程中尾礦絮團(tuán)破裂重構(gòu)產(chǎn)生的導(dǎo)水通道特征、形成機(jī)理和導(dǎo)水效果關(guān)注較少。尾礦濃密過程中，導(dǎo)水通道始于絮凝作用產(chǎn)生的絮團(tuán)或細(xì)顆粒簇形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)中小型不連續(xù)的封閉孔隙，當(dāng)絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)破裂時(shí)，絮團(tuán)間孔隙相互連通形成了微小的向上排水通道[10]。導(dǎo)水通道是在細(xì)顆粒物料沉降和重力濃密過程中隨機(jī)發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)[11]，它的形成和發(fā)展對尾礦絮團(tuán)累積形成泥層的滲透性能、壓縮性能和抗剪強(qiáng)度有重要影響[12]。VESILIND等[13]通過間歇沉降試驗(yàn)觀察到泥層分界面頂部的“微型火山錐”的導(dǎo)水通道現(xiàn)象。BUSTOS 等[14?15]觀測導(dǎo)水通道現(xiàn)象，分析了其與料漿初始濃度、絮凝程度的聯(lián)系，并研究了其對絮凝沉降速率的影響。焦華喆等[16?17]開展半工業(yè)全尾砂濃密實(shí)驗(yàn)，借助計(jì)算機(jī)斷層掃描與三維重構(gòu)技術(shù)分析泥層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，研究了絮團(tuán)孔隙和導(dǎo)水通道貫通特征。

研究者們通過滑石礦等非金屬細(xì)顆粒料漿的間歇沉降實(shí)驗(yàn)認(rèn)識到導(dǎo)水通道受絮凝效果、初始料漿濃度和剪切作用的影響較大[18]，但并未深入研究在金屬尾礦動(dòng)態(tài)濃密過程中導(dǎo)水通道形成、發(fā)展的演化過程的力學(xué)機(jī)理。本文開展動(dòng)態(tài)濃密實(shí)驗(yàn)，基于泥層超孔隙水壓力和導(dǎo)水通道的關(guān)聯(lián)機(jī)制，檢測泥層孔隙水壓力的累積和耗散規(guī)律，分析泥層壓縮過程中導(dǎo)水通道的分布情況，研究導(dǎo)水通道形成過程及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的小型動(dòng)態(tài)濃密系統(tǒng)主要由濃密實(shí)驗(yàn)柱、攪拌裝置、尾砂料漿攪拌桶、絮凝劑溶液料筒、給料泵和循環(huán)泵組成。攪拌裝置包括電機(jī)、電機(jī)控制系統(tǒng)及耙架3 個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)耙架轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。耙架由1 根中心傳動(dòng)軸、2 根水平橫梁、3根左右對稱導(dǎo)水桿組成。尾砂實(shí)驗(yàn)柱直徑為20 cm、高度為100 cm，實(shí)驗(yàn)柱側(cè)壁垂直方向每隔20 cm 設(shè)取樣口，共5 個(gè)?？紫端畨毫ΡO(jiān)測系統(tǒng)由HM 26 型壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。壓力傳感器安裝于濃密實(shí)驗(yàn)柱側(cè)壁，各壓力傳感器在實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)上的高度分別為5，15，35，55和75 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為監(jiān)測不同初始泥層高度和不同耙架轉(zhuǎn)速條件下的濃密過程中的孔隙壓力變化，設(shè)置初始泥層高度為75 cm，耙架轉(zhuǎn)速為0，0.1，1.0 和10.0 r/min 的4 種條件；另設(shè)置耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min，初始泥層高度為75，45 和25 cm 的3 種條件，其中，初始泥層高度為75 cm 耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min條件的孔隙壓力監(jiān)測不進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

將全尾砂稱重按比例加入清水，配制成為固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的全尾砂料漿，在尾礦給料桶內(nèi)保持?jǐn)嚢杈鶆驙顟B(tài)。另將絮凝劑溶解稀釋制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液，置于絮凝劑給料桶內(nèi)。按照絮凝劑單耗15 g/t為指標(biāo)，分別設(shè)置尾礦料漿和絮凝劑給料蠕動(dòng)泵流量，向裝滿清水的濃密實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)同時(shí)注入尾礦料漿和絮凝劑溶液。泵入的尾礦與絮凝劑混合并逐漸沉降形成泥層，當(dāng)泥層高度達(dá)到預(yù)設(shè)值(75，45 或25 cm)后停止給料，同時(shí)開啟耙架按照轉(zhuǎn)速0，0.1，1.0或10.0 r/min)進(jìn)行攪拌。在試驗(yàn)過程中，通過設(shè)置于濃密柱側(cè)壁的壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器收集壓力數(shù)據(jù)。經(jīng)過充分?jǐn)嚢杳撍?，泥層高度不再下降時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，從取樣口進(jìn)行采樣、干燥、稱質(zhì)量，計(jì)算料漿固體體積分?jǐn)?shù)。

2 理論分析

尾礦濃密過程中，絮凝尾礦在濃密機(jī)底部逐漸堆積，當(dāng)料漿固體體積分?jǐn)?shù)超過凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)φg后，形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)泥層。該泥層是由尾礦固體顆粒或絮團(tuán)的骨架以及孔隙水組成的集合體，孔隙水充填于絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)泥層骨架孔隙中。絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)泥層具有一定強(qiáng)度，泥層中的固體顆粒骨架與孔隙水共同承擔(dān)外荷載，同時(shí)固體和液體之間存在相互作用，液體對絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)骨架的作用力為孔隙水壓力。絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)泥層中孔隙水壓力是由絮團(tuán)骨架內(nèi)孔隙水承受上部料漿重力或其他外部載荷而產(chǎn)生。孔隙壓力可以通過影響顆粒間的接觸力而改變固體顆粒之間的接觸狀態(tài)[19]，決定絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

當(dāng)外部載荷小于泥層壓縮屈服應(yīng)力時(shí)，由孔隙水全部承擔(dān)，或者由絮團(tuán)骨架和孔隙水共同承受外部載荷，此時(shí)，外部載荷增長既不會(huì)造成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)泥層骨架的變形，也不影響泥層強(qiáng)度。當(dāng)外載荷大于泥層壓縮屈服應(yīng)力時(shí)，泥層絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，由絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載傳遞給孔隙水，而使孔隙水壓力上升，產(chǎn)生超孔隙水壓力[20]，而且絮團(tuán)骨架結(jié)構(gòu)破壞愈嚴(yán)重，超孔隙水壓力越大。

在固液混合的體系中，總應(yīng)力Pt是孔隙壓力P和固體有效應(yīng)力σe之和：

式中：Pf為液體局部應(yīng)力；Ps為固體局部應(yīng)力。Pf是基于料漿整體表面積的變量，因此，不能通過實(shí)驗(yàn)測量，實(shí)驗(yàn)可測壓力為孔隙壓力P(z,t)。

式中：ρf為液體密度；g為重力加速度；h為量筒底部超孔隙水壓力所代表的水柱高度，測量點(diǎn)高度為z(t)。圖1所示為孔隙水壓力測量示意圖，將超孔隙水壓力Pe(z,t)引入上式，得

圖1 孔隙水壓力測量的示意圖Fig.1 Schematic diagram of pore water pressure measurement

整理式(3)和式(4)，可得超孔隙水壓力[21]為

式中：h0為固液總高度。

由于泥層內(nèi)部各點(diǎn)的超孔隙水壓力不同，壓力差驅(qū)使孔隙水流動(dòng)，導(dǎo)致超孔隙水壓力的降低和擴(kuò)散，造成超孔隙壓力耗散與孔隙水排出同時(shí)發(fā)生。另一方面，由于絮團(tuán)孔隙水排出，引起絮網(wǎng)骨架結(jié)構(gòu)體積壓縮，致使超孔隙壓力降低并且轉(zhuǎn)化為固體有效應(yīng)力。在全尾砂濃密過程，通常認(rèn)為泥層中的尾礦顆粒和液體是不可壓縮的，而泥層體積變化是由于絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞和重構(gòu)而造成的，泥層超孔隙水壓力耗散過程即為有效應(yīng)力產(chǎn)生過程[22]。有效應(yīng)力是單位截面上顆粒間所傳遞的荷載在截面法線方向的分量，反映了顆粒間傳遞的真實(shí)應(yīng)力[23]。

有效應(yīng)力σe在數(shù)值上等于總應(yīng)力Pt與孔隙水壓力P之差：

總應(yīng)力為泥層上部清水的靜水壓力和飽和泥層的重力之和：

式中：γw為水的重度，kN/m3；γsat為泥層料漿的重度，kN/m3；h1為澄清區(qū)高度，m；h2為泥層高度，m。

泥層的有效應(yīng)力為

泥層的孔隙水壓力為泥層上部清水和泥層的靜水壓力與超孔隙水壓力之和：

整合后，可得泥層的有效應(yīng)力[20]為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 超孔隙水壓力

初始時(shí)刻，濃密柱內(nèi)尾礦料漿為均勻分布狀態(tài)，其靜水壓力呈線性狀態(tài)。濃密過程中，泥層界面隨時(shí)間延長而下降，泥層上部出現(xiàn)澄清區(qū)。澄清區(qū)只存在靜水壓力，而泥層分界面以下的壓密區(qū)出現(xiàn)超孔隙水壓力現(xiàn)象。

在初始泥層高度為75 cm的不同耙架轉(zhuǎn)速條件下，超孔隙水壓力均呈現(xiàn)先升高而后降低的變化趨勢。在濃密初始階段，各高度位置點(diǎn)的超孔隙水壓力均出現(xiàn)逐漸累積上升的線性分布特征，與初始均勻狀態(tài)下的凈水壓力分布類似。其中，耙架轉(zhuǎn)速為0 r/min 條件下，超孔隙水壓力累積上升的時(shí)間最長，為5 808 s。耙架轉(zhuǎn)速為0.1，1.0 和10.0 r/min條件下超孔隙水壓力累積上升時(shí)間較短，為1 340～1 458 s。圖2所示為初始泥層高度75 cm的不同耙架轉(zhuǎn)速條件下超孔隙水壓力變化情況。

耙架轉(zhuǎn)速0 r/min 條件下，在5 808 s 至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間段內(nèi)，泥層分界面以下高度的超孔隙水壓力呈現(xiàn)上升和下降反復(fù)，如圖2(a)所示。在耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min 條件下，在3 128～5 973 s 時(shí)間段內(nèi)，15 cm 處超孔隙水壓力由2.81 kPa 下降至1.83 kPa再上升至2.14 kPa，在6 239～8 900 s時(shí)間內(nèi)再下降至0.80 kPa，如圖2(b)所示。在耙架轉(zhuǎn)速1.0 r/min條件下，在1 684～11 228 s 時(shí)間段內(nèi)，15 cm 處超孔隙水壓力由2.81 kPa 下降至0.82 kPa，如圖2(c)所示。耙架轉(zhuǎn)速10.0 r/min條件下，在3 178～4 715 s時(shí)間段內(nèi)，15 cm處超孔隙水壓力先減小至1.51 kPa后增大至2.86 kPa，在6 566～9 322 s時(shí)間段內(nèi)，再降低至2.41 kPa，如圖2(d)所示。由此可見，無耙架剪切時(shí)，泥層超孔隙水壓力累積上升時(shí)間最長，泥層脫水速率最低。而在有耙架剪切的條件下，超孔隙水壓力的累積和耗散現(xiàn)象主要出現(xiàn)在濃密柱15 cm 以上泥層內(nèi)，在15 cm 以下泥層內(nèi)超孔隙水壓力則持續(xù)下降，反映了底部泥層的脫水速率更高。

在初始泥層高度在初始泥層高度45 cm和25 cm條件下，由于上部料漿重力不同，初始泥層高度越低，超孔隙水壓力越小，但超孔隙水壓力累積上升時(shí)間與初始泥層高度關(guān)聯(lián)較弱。圖3所示為耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min條件下不同初始泥層高度的超孔隙水壓力變化。由圖2(a)和圖3可見，在初始泥層高度為75，45和25 cm的條件下，泥層出現(xiàn)超孔隙水壓力累積上升時(shí)間分別為1 340，2 701 和1 523 s。初始泥層高度為45 cm 時(shí)，在2 701～8 043 s 時(shí)間內(nèi)，15 cm 處超孔隙水壓力由1.41 kPa 下降至0.78 kPa，如圖3(a)所示。初始泥層高度為25 cm時(shí)，在1 523～6 245 s的時(shí)間內(nèi)，15 cm處超孔隙水壓力由0.96 kPa下降至0.18 kPa，如圖3(b)所示。

圖2 初始泥層高度為75 cm時(shí)不同耙架轉(zhuǎn)速條件下的泥層超孔隙水壓力變化Fig.2 Excess pore pressure variations under conditions of initial bed height 75 cm with different rake speeds

圖3 耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min條件下不同初始泥層高度的超孔隙水壓力變化Fig.3 Excess pore pressure variations under the conditions of rake speed 0.1 r/min with different initial bed heights

3.2 凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)

不同條件下實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻濃密柱內(nèi)的固液料漿總高度均為85 cm，給入物料后的初始泥層高度75，45和25 cm條件下，計(jì)算料漿的初始體積分?jǐn)?shù)分別為24.8%，14.5%和10.7%。將實(shí)驗(yàn)過程的固液分界面高度(即泥層高度)，按照時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用式(11)計(jì)算凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)φg[24]。

式中：φ0為料漿初始固體體積分?jǐn)?shù)；h0為料漿初始高度；hg為凝膠點(diǎn)的泥層高度。

在耙架轉(zhuǎn)速ω為0.1 r/min，初始泥層高度75，45 和25 cm 條件下，凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)分別為32.4%，27.7%和16.3%。在相同初始泥層高度為75 cm，耙架轉(zhuǎn)速為0，0.1，1.0 和10.0 r/min 條件下，料漿的凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)分別為30.9%，32.4%，31.9%和32.1%。由此可見，初始泥層高度對凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)影響較大，而耙架轉(zhuǎn)速對其影響較小。此外，提高初始泥層高度可明顯提升尾礦料漿凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)，耙架剪切作用可促使其上升，但增加耙架剪切速率對凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)提升效果不明顯，如圖4所示。

圖4 不同條件下初始料漿固體體積分?jǐn)?shù)與凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between initial solid volume fraction and gel point solid volume fraction under different conditions

3.3 泥層有效應(yīng)力

在初始泥層高度為75 cm，耙架轉(zhuǎn)速為0，0.1，1.0 和10.0 r/min 條件下，通過取樣分析獲得料漿最終的固體體積分?jǐn)?shù)分別為38.5%，42.7%，41.3%和41.4%。在耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min，初始泥層高度45 和25 cm 條件下，料漿最終的固體體積分?jǐn)?shù)分別為43.4%和44.8%。

根據(jù)式(10)超孔隙水壓力和有效應(yīng)力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)算泥層有效應(yīng)力。初始泥層高度為75 cm，耙架轉(zhuǎn)速為0，0.1，1.0和10.0 r/min條件下，試驗(yàn)濃密柱內(nèi)泥層底部5 cm 高度位置的最終有效應(yīng)力分別為2.943，2.997，2.761 和2.925 kPa。在耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min，初始泥層高度45 和25 cm 條件下，相應(yīng)的有效應(yīng)力為1.459 kPa和1.101 kPa。

結(jié)合泥層固體體積分?jǐn)?shù)φ和泥層凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)φg，根據(jù)文獻(xiàn)[25]將有效應(yīng)力σe擬合為式(12)。當(dāng)φ大于φg后，泥層有效應(yīng)力σe與φ呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[26]，如圖5所示。

圖5 不同條件下有效應(yīng)力與固體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between effective stress and solid volume fraction under different conditions

式中：α和β為擬合系數(shù)。

在初始泥層高度75 cm條件下，料漿達(dá)到相同有效應(yīng)力時(shí)，無耙架剪切的濃密過程中泥層固體體積分?jǐn)?shù)更低。然而，在耙架剪切作用下，在泥層超孔隙水壓力累積、耗散和轉(zhuǎn)化為泥層有效應(yīng)力的過程中，泥層高度更低，固體體積分?jǐn)?shù)上升更快，泥層脫水速率提高。不過，泥層脫水速率和泥層最終有效應(yīng)力并不隨耙架轉(zhuǎn)速增加而提升，在耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min條件下，其最終有效應(yīng)力比耙架轉(zhuǎn)速為0 r/min時(shí)僅高1.8%。

在耙架轉(zhuǎn)速ω為0.1 r/min，泥層料漿有效應(yīng)力相同時(shí)，在初始泥層高度25 cm條件下泥層固體體積分?jǐn)?shù)最高，反映了在合理耙架剪切作用下，初始泥層高度越小，脫水速率越高。在同樣條件下，初始泥層高度75 cm 和45 cm 時(shí)的泥層最終有效應(yīng)力比25 cm條件下有效應(yīng)力分別高172.2%和32.5%。由此可見，初始泥層高度增加有利于提升最終有效應(yīng)力，泥層固體體積分?jǐn)?shù)更大，脫水程度更高。

4 導(dǎo)水通道結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律探討

本實(shí)驗(yàn)通過不同條件下的全尾砂動(dòng)態(tài)濃密實(shí)驗(yàn)，在干涉沉降區(qū)和泥層壓縮區(qū)均觀察到導(dǎo)水通道間歇性地向上發(fā)展，絮團(tuán)內(nèi)部封閉水逸出并攜帶少量微小固體顆粒向上移動(dòng)，經(jīng)導(dǎo)水通道上升的固體顆粒經(jīng)常在泥層界面上堆積發(fā)展為微型火山錐或火山口。導(dǎo)水通道現(xiàn)象多發(fā)生在泥層上部區(qū)域，在貫通到泥層分界面后終止。在耙架運(yùn)動(dòng)軌跡的后方出現(xiàn)了導(dǎo)水通道群，而且在濃密實(shí)驗(yàn)柱的邊壁可見導(dǎo)水通道由下部泥層壓縮區(qū)向上部發(fā)展，直到與低濃度的沉降區(qū)連通，通常寬為1～3 mm，長為50～200 mm。

導(dǎo)水通道在懸浮區(qū)一般表現(xiàn)為螺旋形狀和偶爾的不規(guī)則形態(tài)。在固液分界面附近的下部區(qū)域，導(dǎo)水通道長度通常小于300 mm，當(dāng)泥層固體體積分?jǐn)?shù)到達(dá)極限時(shí)消失。在耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min 條件下，導(dǎo)水通道的產(chǎn)生和發(fā)育程度更為穩(wěn)定，而在耙架高轉(zhuǎn)速10.0 r/min條件下，導(dǎo)水通道結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定。

根據(jù)導(dǎo)水通道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度，將其分為不穩(wěn)定導(dǎo)水通道和穩(wěn)定導(dǎo)水通道2種類型[27]，穩(wěn)定導(dǎo)水通道區(qū)域附近的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)更致密，具有更明顯的通道壁，導(dǎo)水作用持續(xù)時(shí)間較長，常于泥層壓縮區(qū)中出現(xiàn)。不穩(wěn)定導(dǎo)水通道結(jié)構(gòu)細(xì)微，容易移動(dòng)，其根部位于穩(wěn)定導(dǎo)水通道區(qū)上方，因此，推測它是由穩(wěn)定導(dǎo)水通道產(chǎn)生排水效果，導(dǎo)致液體慣性流動(dòng)引起的。

根據(jù)導(dǎo)水通道演化與超孔隙水壓力耗散的相互關(guān)聯(lián)，可見在壓力傳感器監(jiān)測高度范圍內(nèi)超孔隙水壓力耗散時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)水通道，而當(dāng)超孔隙水壓力累積上升時(shí)，導(dǎo)水通道閉合。將實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)超孔隙水壓力累積和耗散的起止時(shí)間作為導(dǎo)水通道的持續(xù)時(shí)間。導(dǎo)水通道垂直方向的長度可按濃密柱側(cè)壁安裝壓力傳感器的位置確定。穩(wěn)定導(dǎo)水通道導(dǎo)致持續(xù)的超孔隙水壓力耗散，不穩(wěn)定導(dǎo)水通道導(dǎo)致超孔隙水壓力的反復(fù)累積和耗散。

圖6所示為初始泥層高度75 cm 不同耙架轉(zhuǎn)速條件下的導(dǎo)水通道分布情況，圖7所示為耙架轉(zhuǎn)速0.1 r/min不同初始泥層高度條件下的導(dǎo)水通道分布情況。在耙架剪切條件下，實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)底部5～15 cm處更容易產(chǎn)生穩(wěn)定導(dǎo)水通道，而不穩(wěn)定導(dǎo)水通道則存在于實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)上部15～55 cm范圍。耙架剪切作用對導(dǎo)水通道形成時(shí)間存在一定影響，合理剪切速率有利于導(dǎo)水通道在早期形成并持續(xù)發(fā)展。

圖6 初始泥層高度75 cm時(shí)不同耙架轉(zhuǎn)速條件下的導(dǎo)水通道分布情況Fig.6 Distribution of channeling under conditions of initial bed height 75 cm with different rake speed

在初始泥層高度75 cm條件下，當(dāng)耙架轉(zhuǎn)速為0 r/min 時(shí)，泥層中未出現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)水通道，不穩(wěn)定導(dǎo)水通道產(chǎn)生于5 808 s，分布在實(shí)驗(yàn)濃密機(jī)的5～55 cm 范圍內(nèi)，如圖6(a)所示。在耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min 和1.0 r/min 時(shí)，導(dǎo)水通道分別產(chǎn)生于1 340 s和1 684 s，如圖6(b)和(c)所示。在耙架轉(zhuǎn)速為10.0 r/min 時(shí)，導(dǎo)水通道產(chǎn)生于3 178 s，晚于其他轉(zhuǎn)速條件，推測耙架轉(zhuǎn)速過高可能影響導(dǎo)水通道效果，如圖6(d)所示。

由圖7可見：在耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min 條件下，當(dāng)初始泥層高度不同時(shí)，穩(wěn)定導(dǎo)水通產(chǎn)生于濃密機(jī)底部的壓密區(qū)，不穩(wěn)定導(dǎo)水通道則分布于其上部區(qū)域。由此可知，在耙架剪切作用下，初始泥層高度越小，越容易形成貫穿整個(gè)泥層的導(dǎo)水通道。導(dǎo)水通道的產(chǎn)生和發(fā)展是導(dǎo)致泥層中超孔隙水壓力耗散、泥層有效應(yīng)力提升的主要原因，因此，在穩(wěn)定導(dǎo)水通道區(qū)域，泥層料漿固體體積分?jǐn)?shù)更高。

圖7 耙架轉(zhuǎn)速為0.1 r/min時(shí)不同初始泥層高度條件下的導(dǎo)水通道分布情況Fig.7 Distribution of channeling under conditions of rake speed 0.1 r/min with different initial bed heights

5 結(jié)論

1)泥層超孔隙水壓力在濃密初始階段出現(xiàn)逐漸累積上升的線性特征，但在整個(gè)濃密過程中呈現(xiàn)為先升高而后降低的變化趨勢。

2)尾礦料漿凝膠點(diǎn)固體體積分?jǐn)?shù)與初始泥層高度呈正相關(guān)，與耙架轉(zhuǎn)速相關(guān)性不明顯。

3)隨泥層固體體積分?jǐn)?shù)上升，泥層有效應(yīng)力呈指數(shù)函數(shù)增加，合理剪切作用有利于提升泥層最終有效應(yīng)力。

4)耙架剪切作用可促進(jìn)濃密機(jī)泥層底部處產(chǎn)生穩(wěn)定導(dǎo)水通道，而在泥層上部產(chǎn)生不穩(wěn)定導(dǎo)水通道，合理耙架轉(zhuǎn)速有利于導(dǎo)水通道更早形成并持續(xù)發(fā)展。