羅平安，曹慧群，邢江鵬

(長江科學(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)湖北省重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

礦產(chǎn)資源被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對于我國經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重大作用。泡沫浮選法是目前最普及的選礦方法。選礦過程將會產(chǎn)生大量的尾砂，目前對于尾砂的處置大部分選擇堆放在尾礦庫，而隨著尾砂堆積量的增加，尾砂可能隨降雨進入河道，對河流產(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。國內(nèi)對細顆粒泥沙的物理特性及其在水流中的運動規(guī)律展開了諸多研究。徐宏明等［3］對粉沙質(zhì)海岸泥沙特性及其在水流作用下的起動進行了實驗研究;黃建維等［4］通過試驗研究了粉沙質(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)的運動規(guī)律，并指出采用環(huán)形水槽研究黏性泥沙起動、沖刷、落淤的優(yōu)勢;劉峰［6］研究了黏性細顆粒泥沙挾沙規(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算公式;任艷粉等［7］對中值粒徑為24 um的擬焦沙的阻力特性及其水流挾沙能力進行了研究。

本文以選礦尾砂為研究對象，通過開展水槽試驗，研究選礦尾砂在不同流速和不同投砂速率條件下的運動規(guī)律，對于掌握選礦尾砂在水流中的擴散和淤積規(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)，在開展水槽試驗前，測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 密度測量

本文利用李氏密度瓶(最小刻度為0.1 mL)對選礦尾砂干密度進行測量。測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 粒徑測量分析

粒徑對泥沙在水流中運動的影響較大，試驗采用激光粒度儀(Mastersizer3000)測量尾砂粒徑。測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)其中值粒徑來看，選礦尾砂屬粉砂，為非均勻沙。圖1為選礦尾砂的級配曲線。

圖1 選礦尾砂級配曲線Fig.1 Gradation curve of tailings

3 試驗方案

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

圖2 試驗水槽布置Fig.2 Layout of the test flume

為盡量減小來流波動對試驗的影響，待水流從進口水池經(jīng)過一次消能，進入水槽并經(jīng)過二次消能后，在水流相對平穩(wěn)的位置設(shè)置投砂口?；诖?，投砂口設(shè)定在離水槽進口水池8 m的位置，近右邊壁5 cm，并將此斷面定義為起點0 m，同時，為避免出口尾門對試驗影響，試驗段選定為8～21 m，有效觀測段13 m。

試驗中，通過加砂設(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，取樣測定含沙量并分析其變化規(guī)律;對排砂進入水槽的擴散情況進行拍攝;待放水投砂一段時間且水槽內(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，測量尾砂淤積形態(tài)和輪廓，并分段收集淤積的尾砂，烘干稱重研究尾砂沿程淤積的規(guī)律。通過上述方法，研究尾砂進入水槽后的擴散、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)，對應(yīng)試驗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。擬定的試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況設(shè)置Table 1 Test schemes

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)水槽試驗結(jié)果，從尾砂擴散、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動規(guī)律。

4.1 尾砂擴散規(guī)律

尾砂進入水槽后，存在明顯擴散，如圖3所示。A組試驗條件(流速0.05 m/s)下圖3(a)，尾砂進入水槽后同時發(fā)生縱向和橫向擴散，縱向擴散速度大于橫向擴散速度;D組試驗條件(流速0.30 m/s)下圖3(b)，尾砂進入水槽后順水流方向迅速擴散，橫向擴散相對較小，大部分尾砂隨水流向下游運動，淤積的尾砂相對較少。

4.1.1 流速較小條件下的擴散規(guī)律(A，B組)

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

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

圖3 尾砂擴散情況Fig.3 Diffusion of tailings

表3 B1，B3組尾砂進入水槽初期擴散距離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散規(guī)律(C，D組)

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

表4 C1，C3，D1，D3 組尾砂進入水槽初期縱向擴散距離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)，分析尾砂進入水槽后的淤積形態(tài)。

從縱向看，由于尾砂剛投入水槽時的擴散作用和上游來流作用，尾砂淤積起始斷面隨流速增大向下游移動，如圖4所示。流速較小時，尾砂主要淤積在投砂口及其下游附近，淤積長度較短，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，尾砂從距投砂口一定距離后開始淤積，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，且沿程淤積量相對較小，大部分尾砂隨水流向下游運動。

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，進口段尾砂淤積的寬度變窄。流速較小時，進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，進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

為進一步分析尾砂淤積沿程分布規(guī)律，烘干稱重水槽內(nèi)分段淤積的尾砂。

流速較小時(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，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%，詳見表5。綜合對比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(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%，詳見表 5。綜合對比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［9］在研究瞬時排放泥沙顆粒團在水流中的擴散規(guī)律中指出，在實驗范圍內(nèi)，對同一粒徑組和初始體積的泥沙團，水流速度越小，泥沙顆粒團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垂直向下的速度，泥沙沉積的越快。水流流速較大時，由于總體上增大了擴散范圍，使得泥沙顆粒團與周圍水體之間的密度差減小了，從而使泥沙顆粒團垂向向下的運動速度減小了，泥沙就會隨水流向下游運動。

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)尾砂擴散實際情況，沿程布設(shè)7個斷面測量沿程含沙量的分布，分別是0.2，1，2，4，6，9，13 m。試驗中，采集各斷面近右邊壁的水樣，取樣點離邊壁約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;對于遠離投砂口的一側(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散的雙重作用下，在橫向上發(fā)生擴散，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，尾砂在橫向上充分擴散，基本混合均勻。

5 結(jié)論

本文從尾砂擴散、淤積形態(tài)和淤積量分布、含沙量沿程分布等幾個主要方面研究了選礦尾砂進入水槽后的擴散和運動規(guī)律，主要結(jié)論如下:

(1)擴散規(guī)律:尾砂進入水槽后，存在明顯擴散。尾砂進入水槽初期，當(dāng)水流流速較小時，縱向和橫向同時擴散;流速較大時，尾砂順水流方向迅速擴散，而橫向擴散寬度變化不大，且大部分尾砂隨水流向下游運動。

(2)淤積規(guī)律:隨著流速增大，隨水流向下游運動的尾砂增多，淤積比例減小。A組(流速0.05 m/s)試驗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入河道，可能會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，影響河道的過流能力;尾砂淤積在河底，特別是細顆粒泥沙容易板結(jié)，對河流生境造成影響。

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