張愛卿，吳愛祥，王貽明，李金云

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.北京科技大學(xué) 膏體充填采礦技術(shù)研究中心，北京 100083)

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

圖1 直根系Fig.1 A straight root system

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

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式中：r為土壤中某一點(diǎn)到根中心的徑向距離，m；rt為根半徑，m；θ，ψ分別為土壤含水率和水勢；θ0，ψ0分別為土壤含水率和水勢的初始值；k(ψ)，D(θ)分別為土壤的導(dǎo)水率和擴(kuò)散率；q為單位根長的吸水速率，即單位時間內(nèi)每單位根長的吸水量。

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

圖2 新型脫水管Fig.2 New type of dehydration pipe

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。

圖3 尾砂粒徑累計分布曲線圖Fig.3 Cumulative distribution curve of total tailing grain size

圖4 脫水試驗(yàn)裝置(放入新型脫水管)Fig.4 Filler dehydration test device

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

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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%。

表1 普通脫水管與新型脫水管的累計脫水量表Table 1 Cumulative dehydration volume for ordinary dehydration pipes and new dehydration pipes

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。

圖5 兩種脫水管尾砂流失量Fig.5 Tail sand loss of two types of dehydration pipe

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 2種脫水管累計脫水量與脫水時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between cumulative dehydration volume and dehydration time of two dehydration pipes

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。