基于仿生學(xué)的新型脫水管設(shè)計及其強(qiáng)化脫水規(guī)律

張愛卿 吳愛祥 王貽明 李金云

摘要：脫水管類型是影響非膠結(jié)充填體脫水技術(shù)的關(guān)鍵因素之一?；诜律鷮W(xué)設(shè)計新型脫水管，以某鐵礦尾砂為例，通過脫水試驗(yàn)對比分析新型脫水管的脫水效率和脫水效果，研究強(qiáng)化脫水規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：脫水管根系狀設(shè)計可以增加脫水管過水面積和減小滲流距離。新型脫水管相比普通脫水管，脫水時間減少了20%，累計脫水量增加了10.3%;引入尾砂流失量作為評價脫水管脫水效果的依據(jù)，新型脫水管相比普通脫水管尾砂流失量減少了45%;新型脫水管強(qiáng)化非膠結(jié)充填體脫水的過程可劃分為2個區(qū)域，即急流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。觀察到非膠結(jié)充填體與試驗(yàn)裝置內(nèi)表面形成了大量分布均勻的孔隙導(dǎo)水帶，這也是新型脫水管能提高脫水效率的原因之一。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué);脫水管;非膠結(jié)充填;脫水規(guī)律;脫水效率

中圖分類號：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-582X（2022）02-014-07

Abstract： The type of dehydration tube is one of the key factors influencing the dehydration technology of filling. This paper designs a new dehydration tube based on the analysis of the water absorption model of plant roots and its related test devices. The dehydration efficiency and the dehydration law of the new dehydration tube for unclassified tailings non-cemented filling are studied. The test results show that the root-like design of the dehydration tube can increase the water passing area and reduce the seepage distance of the dehydration tube. Compared with the ordinary dehydration tube， the new type reduces the dehydration time by 20%， and the cumulative dehydration volume increases by 10.3%. Using the tailing loss to evaluate the dehydration effect of dehydration tube， the new type of dehydration tube has a 45% reduction in tailing loss compared with the conventional dehydrating tube. The dehydration process of the unclassified tailings non-cemented filling can be divided into 2 zones， i.e. rapid and steady flow zones， and the rapid flow zone is the key for the improved dehydration efficiency of the new type pipe. Another important factor for the improved dehydration efficiency is the large number of uniformly distributed pore water-conducting zones formed on the unclassified tailings non-cemented filling and the inner surface of the test device.

Keywords： bionics; dehydration tube; unclassified tailings; dehydration law; dehydration efficiency

低品位礦床的開采，在兼顧礦山安全和經(jīng)濟(jì)效益的同時，需要對大采空區(qū)進(jìn)行非膠結(jié)充填。但是在非膠結(jié)充填過程中，充填體的脫水效果以及充填體的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性難以得到確認(rèn)，對礦山后續(xù)的開采帶來了很大的不確定性因素，嚴(yán)重制約了礦山生產(chǎn)能力[1-5]。如何解決采場快速脫水，縮短采場的充填周期已成為了非膠結(jié)充填系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的首要問題。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對非膠結(jié)充填體的脫水技術(shù)進(jìn)行了大量研究。鏈?zhǔn)矫撍苊撍╗6]雖然脫水效果好，但要求作業(yè)人員能進(jìn)入采空區(qū)安裝脫水管，存在一定的安全隱患。設(shè)置脫水密閉墻和脫水井進(jìn)行滲透脫水，可以提高脫水速度，但只適用于高濃度全尾砂膠結(jié)充填體[7-8]。電滲法[9-11]和負(fù)壓法[12]的脫水效果好，但成本較高，且相關(guān)配套技術(shù)復(fù)雜。選擇增加脫水管安設(shè)間距和管徑提升充填體的脫水效率，也會導(dǎo)致脫水成本的增高[13]。綜上所述，已有研究成果雖然可以在一定程度上提高脫水管的脫水效率，但脫水成本高昂，也存在一定的安全隱患。因此，急需設(shè)計一種脫水效率高、脫水效果好及脫水成本低的脫水管。

已有研究表明自由水在非膠結(jié)充填體中的流動屬于Poiseuille類型[14]，利用廣義達(dá)西定律分析非膠結(jié)充填體的脫水機(jī)理可得出，脫水量與過水面積呈正比，脫水速率與滲流距離呈反比。這也就意味著，若能增加脫水管的過水面積，減少滲流距離，就可以提高非膠結(jié)充填體的脫水效率。眾所周知，植物根系具有較好的吸水能力，這不僅是由于蒸騰作用，而且根系本身就是一個龐大的吸水管路系統(tǒng)。筆者在不考慮外界作用，不增加脫水管數(shù)量、縮短脫水管間距的前提下，將普通脫水管進(jìn)行改進(jìn)，基于植物根系的特點(diǎn)設(shè)計出根系狀新型脫水管，開展非膠結(jié)充填體的脫水試驗(yàn)，綜合分析新型脫水管和普通脫水管的試驗(yàn)結(jié)果，以期從試驗(yàn)角度驗(yàn)證新型脫水管的可行性。其研究成果豐富了充填體脫水理論，對于無外界作用下加速非膠結(jié)充填體脫水，縮短采場的充填周期，保證充填采場的穩(wěn)定性，降低脫水成本，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 基于仿生學(xué)的新型脫水管設(shè)計

1.1 植物根系的吸水模型

植物根系按照形態(tài)可以分為直根系和須根系，直根系相對須根系而言主根長，如圖1所示。

目前研究根系吸水的方法為微觀法和宏觀法。其中微觀法研究單個根的吸水狀況，假定植物根系分布是均勻的，在根層中的土壤水吸力也是均勻分布的，它主要用于分析根系吸水的機(jī)制[15]。微觀模型是將土壤水的流動當(dāng)作平面問題處理，在忽略重力作用的條件下，土壤水流動基本方程為

由式（1）可知，若根半徑不變，那么吸水速率與土壤的導(dǎo)水率或擴(kuò)散率呈正比，通過增加植物的側(cè)根可以達(dá)到提高土壤的導(dǎo)水率或擴(kuò)散率的目的[16]，也就是間接增加了根系的過水面積，縮短了水的滲流距離。這與非膠結(jié)充填體脫水機(jī)理的分析結(jié)果相一致，因此，脫水管根系狀設(shè)計可以增加脫水管的過水面積和減小滲流距離，從而起到加速脫水管脫水效率的作用。

1.2 新型脫水管設(shè)計

試驗(yàn)所用的普通脫水管為直徑為2 cm的PVC管，管的表面均勻分布著直徑為4 mm的排水孔，孔與孔的間距為0.5 cm，脫水管的外部被脫水紗布包裹，端部纏有細(xì)線將紗布與脫水管相固定。

新型脫水管是在普通脫水管的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在普通脫水管的中部增加4層支管，每層設(shè)有2個支管，每層支管之間呈90°，上下交錯排列，支管直徑為4 mm，長度為6 cm，每根支管布有4個直徑為4 mm的濾水孔。支管表面包有脫水紗布，并纏有細(xì)線，支管端部包一層膠布，以防尾砂從端部滲入堵塞支管。如圖2所示。同時，為避免在充填過程中，充填料漿的沖擊力給支管造成破壞，支管采用柔性橡膠管。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用某鐵礦經(jīng)由選廠排出的尾砂，通過室內(nèi)試驗(yàn)綜合測定尾砂粒徑分布，分布曲線如圖3所示。

觀察圖3可知，尾砂粒徑累計分布曲線平緩，不均勻系數(shù)為10.34，曲率系數(shù)為2.69，參考土工試驗(yàn)規(guī)程可知，尾砂粒徑分布范圍較大、連續(xù)性較好，其中粒徑小于75 μm尾砂顆粒所占尾砂比例為39.49%，表明尾砂以細(xì)顆粒為主。

2.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)裝置選取張愛卿等[17]設(shè)計的室內(nèi)脫水試驗(yàn)裝置。將脫水試驗(yàn)裝置放入新型脫水管后的示意圖如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)步驟

1）準(zhǔn)備試驗(yàn)料漿，質(zhì)量為8 000 g，料漿質(zhì)量濃度控制在70%，保證每次試驗(yàn)料漿中的總水量相同。

2）將脫水管放入脫水試驗(yàn)裝置中，并確保與外脫水管連接。

3）試驗(yàn)條件為室溫（20±2）℃、相對濕度65%以上，充分?jǐn)嚢枇蠞{并連續(xù)灌入，灌入結(jié)束后立即利用秒表計時，并讀取量筒數(shù)據(jù)。

4）試驗(yàn)前期脫水速度較快，每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，30 min后改為每2 min讀取一次數(shù)據(jù)，后期脫水速率較慢，每5 min讀取一次數(shù)據(jù)，直至脫水停止。

5）脫水完畢后，量筒靜置沉淀24 h以上，至尾砂完全沉淀為止，讀取尾砂沉淀的數(shù)據(jù)，按照式（2）換算出脫水量，即

6）重復(fù)上述試驗(yàn)過程，取2次試驗(yàn)的平均值，作為累計脫水量的值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 脫水效率分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出采用普通脫水管脫水時累計脫水量為1 560 mL，采用新型脫水管脫水時累計脫水量可達(dá)到1 720 mL，相比普通脫水管累計脫水量增加了10.3%。

普通脫水管累計脫水量達(dá)到穩(wěn)定時所需的脫水時間為75 min，新型脫水管累計脫水量達(dá)到穩(wěn)定時所需的脫水時間為60 min，相比普通管脫水管的時間減少了20%。因此，采用新型根狀脫水管可以提高脫水管的脫水效率。

3.2 脫水效果分析

引入尾砂流失量作為評價非膠結(jié)充填體脫水效果的指標(biāo)[16]，如圖5所示。

觀察圖5可知，普通脫水管相比新型脫水管的尾砂流失量大。待尾砂完全沉淀后，利用量筒測定普通脫水管的尾砂流失量為380 mL，新型脫水管中的尾砂流失量為210 mL，相比普通脫水管的尾砂流失量減少了45%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是新型脫水管增加了過水面積與濾水孔個數(shù)，可以迅速地將作用于細(xì)顆粒尾砂上的動水力降低，進(jìn)而有效減少了細(xì)顆粒尾砂被動水力帶入主脫水管的數(shù)量，表明新型脫水管不僅可以提高脫水效率，還可以保證非膠結(jié)充填體的脫水效果。

3.3 強(qiáng)化脫水規(guī)律分析

圖6為2種脫水管累計脫水量與脫水時間的關(guān)系曲線，曲線的斜率可以反映非膠結(jié)充填體采用不同脫水管時對應(yīng)的脫水速度。觀察圖6可知，脫水時間在10 min內(nèi)，2條曲線的斜率相近，此時非膠結(jié)充填體內(nèi)的自由水較多，2種脫水管的脫水速度都比較快。脫水時間在10～30 min，2條曲線的斜率明顯不同，其中新型脫水管的斜率未發(fā)生變化，而普通脫水管的斜率出現(xiàn)明顯降低，說明2種脫水管的脫水速度出現(xiàn)顯著差異，新型脫水管的脫水速度遠(yuǎn)大于普通脫水管的脫水速度。當(dāng)脫水時間超過30 min后，2條曲線的斜率均變小，曲線整體趨緩。

通過上述分析，將強(qiáng)化脫水過程劃分為急流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)2個階段，其中急流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)的累計含水量增加量分別為1 000 mL和200 mL，急流區(qū)的累計含水量增加量是平穩(wěn)區(qū)的累計含水量增加量的5倍。由此可見急流區(qū)是提高脫水效率的關(guān)鍵。

3.4 孔隙導(dǎo)水帶分析

觀察圖7可知，隨著脫水時間的增加，在非膠結(jié)充填體與試驗(yàn)裝置內(nèi)表面形成了孔隙導(dǎo)水帶，新型脫水管較普通管的孔隙導(dǎo)水帶數(shù)量多，且分布均勻。因此，在非膠結(jié)充填體與模型內(nèi)表面形成的大量分布均勻的孔隙導(dǎo)水帶，也是新型脫水管能提高脫水效率的原因之一。

4 結(jié) 論

1）基于仿生學(xué)設(shè)計新型脫水管，通過分析植物根系的吸水模型可以得出，脫水管根系狀設(shè)計可以增加脫水管的過水面積，減少滲流距離，從而達(dá)到提高脫水管脫水效率的目的。

2）新型脫水管比普通管脫水管的脫水時間減少了20%，累計脫水量增加了10.3%，提高了脫水管的脫水效率;新型脫水管相比普通脫水管的尾砂流失量減少了45%，脫水效果十分顯著。新型脫水管強(qiáng)化非膠結(jié)充填體的脫水過程可劃分為急流區(qū)和平穩(wěn)區(qū)2個階段，急流區(qū)是提高脫水效率的關(guān)鍵。

3）新型脫水管脫水試驗(yàn)過程中觀察到在非膠結(jié)充填體與模型內(nèi)表面形成了數(shù)量多、均勻分布的孔隙導(dǎo)水帶，說明孔隙導(dǎo)水帶也是提高非膠結(jié)充填體的脫水效率的原因之一。

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（編輯 張 蘋）