文章编号：1004-0609(2007)12-2074-05

微粒渗滤沉积作用对铜矿排土场渗流特性的影响

王贻明¹，吴爱祥^{1, 2}，左  恒¹，杨保华¹

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083；

2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083)

摘  要：针对排土场堆浸过程中微粒渗滤沉积作用对矿堆孔隙率的影响，建立微细颗粒沉积和堆体渗流数学模型。在一维条件下，利用有限差分法对模型进行理论计算，并通过实验进行验证，结果表明：微粒的渗滤沉积降低浸堆的孔隙率，增大溶液的渗透阻力；在常流量动水头条件下，渗滤沉积首先发生在模型注液端的20 cm以内，沿渗流方向上，流体压力随时间延长而增大；在常水头条件下，随时间的推移，渗流速度逐渐降低，表明堆体的渗透性降低，与排土场浸堆实际情况相符。因此，应采取必要的技术措施，防止微粒渗滤沉积，这对于改善堆体的渗透性和提高浸出率，具有重要的意义。

关键词：微粒；渗滤沉积；排土场；渗流特性；数学模型

中图分类号：TD 853.87　　     文献标识码：A

Effect of particles sedimentation during leaching on

seepage characteristic of copper dumps

WANG Yi-ming¹, WU Ai-xiang^{1, 2}, ZUO Heng¹, YANG Bao-hua¹

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: Based on the effect of particles sedimentation during leaching on the seepage characteristic of copper dumps, a mathematic model describing the law of particles sedimentation and seepage in dump was built. The theoretical solution of one-dimensional model resulted by finite difference method and a simulation test was carried out to validate it. The results show that the particles sedimentation decreases the porosity of dump and increases the resistance of seepage. To keep a fix flux and fluctuant pressure, the particles would deposit within the 20 cm zone along the streamline, and the flow pressure increases with prolonging time. On the other hand, to keep a fix pressure, the flow velocity also decreases. This indicates that the permeability of dump was decayed. These phenomena are identical with the facts of dump leaching. So it is important to take technical measures to prevent particles from depositing for improving the permeability of dump and increasing the metal leaching rate in practice.

Key words: particles; infiltration deposition; dump; seepage characteristic; mathematic model

随着开采条件好的富矿资源逐渐枯竭和湿法冶金技术的发展，露天矿排土场的表外氧化矿和含矿尾矿成为可利用资源，对排土场及尾矿的浸出成为资源利用最有效的手段之一^[1-2]。但排土场由于筑堆偏析及含泥量高等不利因素，存在因堆体渗透性差而导致的浸出率低等问题^[3-4]。吴爱祥等^[5-6]研究排土场浸堆的渗流规律，探讨改善高含泥矿堆渗透性的途径^[7]。实际排土场浸出过程中存在堆体渗透性逐渐降低的问题，影响到浸出效果和金属回收率。除机械压实和粉矿及泥质成分含量高等原因外，微细颗粒的迁移沉淀对堆体渗透性的影响也是较大。对于悬浮微粒渗滤沉积对多孔介质渗流特性的影响，主要集中在环保领域污染物运移的研究中^[8-9]，而在石油开采领域则着重微粒沉积对地层伤害的研究^[10-11]，对于排土场渗流的研究则着眼于边坡的稳定性^[12-13]。

对于堆浸排土场，其渗透性的好坏及其均匀性对浸出效果有很大影响，微细颗粒随溶浸液在浸堆中的迁移沉积，降低堆体的孔隙率，局部形成相对隔水层，是堆体渗透性降低的主要原因，过去只是定性研究微粒迁移沉淀对堆体的淤塞作用^[7]，对微细颗粒在堆体中随溶浸液的运移与沉淀规律及其对排土场渗流特性的影响则研究不多。本文作者利用流体动力学原理，建立悬浮微粒渗滤沉积的数学模型，探讨出悬浮液浓度、沉降速度与堆体孔隙率及渗透性的关系，改善浸堆渗透性具有积极的意义。

1  悬浮颗粒渗滤沉积规律

1.1  悬浮颗粒沉积条件

由于排土过程中颗粒的自然分选作用，细颗粒大多集中在排土场上部，较粗颗粒则集中在排土场底部^[15]，因此排土场上部渗透系数小，向下渗透系数逐渐增大。当溶浸液大量喷淋或骤降暴雨时，上部松散的微细颗粒或粘土在水流的作用下，可能随液流在堆体孔隙中迁移，形成固液两相流体即悬浮液。当流体流速发生变化时，可能在局部沉淀下来。

地下水动力学的研究结果表明^{[11, 14]}，颗粒沉积是孔裂隙被充填的原因。悬浮液存在一最小流动速度(v_KP)，即微细颗粒开始沉积的临界速度值。当v＜v_KP时，固相颗粒开始沉积，裂隙壁底处沉积物增加，直到液流速度达到v_KP时为止。

在弱饱和溶液运动的条件下，临界速度值随浓度的增大而增大。在高浓度悬浮溶液里，分子相互结合，沉积到底部，形成结构混合体。因此，浓度开始增大时，临界速度值减小。对不稳定溶液运动的临界速度值可由经验-半经验公式求得^[14]。

1.2  悬浮颗粒渗滤沉积规律

随溶液迁移的悬浮颗粒渗滤沉积过程对排土场的淤塞作用可归结为悬浮质在堆体中的运移和颗粒沉淀，对流体流动状态的影响则主要表现在浸堆渗透性降低及对流量与流体压力的影响。从影响机理角度分析，淤塞作用之所以影响溶浸液的流动状态，是因为淤塞导致浸堆孔隙结构及孔隙率的改变，从而使排土场堆体的渗透性发生变化。这种淤塞影响可用3个数学方程来表述，即：悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动态方程和悬浮液渗流方程。

1.2.1  悬浮质的运移方程

设悬浮质的密度函数为ρ = ρ(x, y, z, t)，排土场的孔隙度为f = (x, y, z, t)，且悬浮液符合牛顿流体的性质。根据多孔介质流体力学的理论，在流体流动区域内的源汇项为0，而排土场的孔隙度在不断变化，所以，在饱和排土场中流动的悬浮液渗流满足以下连续性方程：

令φ_s =φ_s(x, y, z, t)为悬浮液的体积分数，即单位体积悬浮液中固相所占体积。根据悬浮液的液-固二相性质，可得：

假设ρ_w和ρ_s在流动过程中是恒定的，将式(2)代入式(1)可得：

1.2.2  悬浮质沉淀动态方程

对于细颗粒状的悬浮质，当流速小于临界流速时，悬浮颗粒开始沉淀，颗粒沉淀速度跟排土场孔隙率及溶液中固体颗粒的浓度成正比，可用下式表达：

1.2.3  悬浮液的渗流速度方程

由于排土场筑堆过程的自然分选，细颗粒多集中在堆体上部。生产实践表明，粒径小于5 mm所占比例(P₅)大于30%时，渗透性将大大降低，因此，排土场的淤塞多发生在堆体的上部，根据实验和观测成果，此时排土场上部的渗流符合Darcy定律，因此，悬浮液在排土场中的渗流速度可用Darcy定律表示，即：

与水的渗流过程不同，在悬浮液的渗透过程中由于悬浮质的淤塞作用，多孔介质的渗透率也是个变量。据Carman和Kozeny的研究，多孔介质的渗透率主要取决于介质的孔隙度f和孔隙的比表面积a_v可表示为

将式(8)代入式(7)即得到悬浮液在多孔介质中的渗流速度方程：

2  实验验证

2.1  实验

为了验证数学模型的正确性，设计两个一维渗透实验。其中一次为常流量变水头实验，另一次为常水头变流量实验。实验装置为自行研制，主要包括渗流柱、注液系统、测量系统，渗流柱及容器采用透明有机玻璃制作，测量系统包括液压表、天平、量筒、直尺、秒表等。

实验所用介质材料取自德兴铜矿，破碎磨细后的平均粒径为d₅₀ = 0.3 mm，不均匀系数为C_u = 2.5；悬浮液为粘土-水混合液，其中的粘土的粒径均小于74 μm。悬浮液的体积浓度为80 g/L。为防止悬浮液絮凝造成过早沉淀，对悬浮液进行人工搅拌。由于试样呈均质和各向同性，实验柱的初始孔隙度(f ₀)可视为与位置无关的常数，因此可以用容重差法求得。介质固相即孔隙的比表面积a_v可根据平均粒径、初始孔隙度和砂粒的平均密度求得。通过无离子水渗透实验可以测出试样柱的初始渗透率k₀。已知k₀、f ₀和a_v后，便可用式(9)计算出系数C。表1列出试样柱的有关初始参数值，S₀为实验样品横截面积，l为流经长度。

表1  实验参数值

Table 1  Parameters of test

2.2  计算条件

模型的理论解采用有限差分法进行计算。

1) 简化模型

在一维渗流条件下，淤塞影响问题的基本模型由以下3个方程组成：

2) 定解条件

定流量变水头条件下的定解条件有：

初始条件，p(0, 0)=p₀，φ_s(x, 0)=0；

边界条件φ_s(0, t) = φ_{s, 0}，φ_s(1, t) = φ_{s, 1}，V(0, t) = V(1, t) = V₀。

常水头条件下的定解条件有：

初始条件，φ_s(x, 0) = 0；

边界条件φ_s(0, t) = φ_{s, 0}，φ_s(1, t) = φ_{s, 1}，p(0, t) = p₀，p(1, t) = p₁。

2.3  计算及实验结果分析

图1所示为理论计算的常流量变水头条件下悬浮液压力在渗流方向上的分布和不同位置、不同时刻的压力实测值。比较不同时刻的压力分布曲线及实测值可以看出，理论值与实验值吻合较好。由于悬浮液的沉淀淤塞，孔隙率降低，使得在流量不变的条件下柱子的注入压力逐渐增大，亦即渗透阻力随着淤塞过程呈不断增长的趋势，增长趋势在柱子的前半端尤为明显。其原因主要在于悬浮液的大颗粒首先在前半段沉淀，很快造成淤塞所致。

图1  常流量时流体压力随流程的分布

Fig.1  Flow pressure distribution along streamline at fix flux

图2所示为常流量时不同位置处流体压力随时间变化曲线的理论值和和实测值。从图中可见，沿着渗流方向距离的增加，流体压力降低，即水力坡降降低，可见，沉淀淤塞首先在注液端，并随着时间的推移，沉淀范围逐渐扩展。主要原因在于悬浮液中的大颗粒优先沉淀于注液端，使端部的孔隙率降低，渗透阻力增加。在渗透方向的后部主要沉淀的是相对微细颗粒，使孔隙率降低平缓，渗透阻力增加缓慢。

图2  常流量时不同位置处液体压力—时间曲线

Fig.2  Curves of flow pressure vs time at different positions with fix flux

图3所示为常水头条件下悬浮液渗流量随时间的变化，从图中可以看出，在水头一定的情况下，柱子的流量即渗流速度下降，主要是由于悬浮颗粒沉淀淤塞，导致孔隙率降低，渗透阻力增加，渗透系数降低所致。

图3  常水头时流量随时间的变化曲线

Fig.3  Curve of flux vs time at fix flow pressure

3  结论

1) 建立微细颗粒在排土场浸堆中的运移和沉积数学模型，应用该模型分析微细颗粒渗滤沉积对排土场浸堆的渗流特性的影响规律，其理论分析与实验结果吻合较好。

2) 微细颗粒的渗滤沉积对排土场浸堆的渗透性影响很大，特别是对高含泥或粉矿含量较高的浸堆，由于筑堆过程的自然分选，对堆体上部的渗透性影响更为明显，这在德兴铜矿祝家堆浸场已得到证实。

3) 降低排土场浸堆的微细颗粒(5 mm以下粉矿)的含量，改变筑堆方式，如机械筑堆和造粒筑堆等，改善堆体的孔隙结构分布，可以有效减少微细颗粒渗滤沉淀对堆体孔隙率及渗透性的影响，提高浸出效果。

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基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2004CB619205)；国家科技创新群体资助项目(54321042)；国家杰出青年科学基金资助项目(50325415)；国家自然科学基金资助项目(50574099)

收稿日期：2007-04-11；修订日期：2007-07-02

通讯作者：王贻明，高级工程师，博士研究生；电话：0731-8830851；E-mail: zhywang@126.com

(编辑 龙怀中)