矿体的渗透特性试验研究

司俊廷，李 滨，安 宁

（沈阳焦煤股份有限公司红阳二矿，辽宁 沈阳 110000）

渗透是指水体在物质空隙中流动的过程，任何物质都具备渗透特性，尤其像矿体这种蜂窝结构的岩土体。矿体具有渗透的特性称之为矿体的渗透特性，水体在矿体空隙流动过程中会引发矿床边坡失稳、变形、岩溶渗透塌陷等渗透稳定的问题，导致在对矿产勘查或者开采过程中经常出现事故，据有关统计资料显示，因矿体渗透特性而引发的安全事故占矿产事故总体的34.6%，因其造成的经济损失高达2.65亿～3.15亿。为了尽可能地避免在开展矿产活动中出现事故，已经将矿体的渗透性能列为矿产地质勘查关键项目行列中，并且在对矿体开采之前都需要经过准确的测试，了解矿体的渗透性能[1]。但是矿体不同于其他物质，很难将一般物质的渗透规律以及渗透测试运用到矿体的原地浸矿工艺中，矿体内部的蜂窝结构比较脆弱，水体浸流过程中在水的冲击作用下，会使矿体内部的空隙发生改变，从而使矿体的渗透性能发生变化，这导致了矿体的渗透特性具有多变性和不确定性，对矿体的渗透特性研究具有一定的难度，并且截止到目前为止，也没有明确矿体的渗透特性，为此提出矿体的渗透特性试验研究。此次通过试验对矿体的渗透特性进行深入研究，分析矿体的渗透规律，为矿体浸矿提供理论依据。

1 试验对象与方法

1.1 试验对象

试验选取某矿山矿体为研究对象，分别选取两种粒径范围的矿体，其中将粒径范围在0.015 mm～0.035mm的矿体列为A组试验样本，将粒径范围在0.045mm～0.085mm的矿体列为B组试验样本，每组试验样本各1000g，平均分为10小份矿体样本。矿体性质均属于砂岩，内部结构均为蜂窝状[2]。两组矿体样本在基本资料方面比较差异均无统计学意义，具有一定的可比性。

1.2 试验装置

试验中主要采用柱浸装置，该装置是由一个直径为105mm的圆柱形PVG管、底板、滤纸以及供水管所组成，如下图所示。

图1 试验装置示意图

PVG管的底部用螺纹连接一个开口盖子，用于安装底板，底板选用金属材质，在地板上钻一个直径为1.55mm的小孔，并且在底板与PVG管连接处以及PVG管顶端各方一层滤纸，为了避免硫酸铵溶液腐蚀PVG管及底板。

1.3 试验方法

渗透性能测试分为室内和室外两种，就可靠度来说，室内测试更加方便，测试结果不会受到外界因素影响，可靠性更高[3]。但是现场测定矿体渗透特性对于矿产工程非常必要，因此此次采用室外测试。首先将A、B两组矿体分别填装到各自的测试装置中，采用分层填装的方式，每次填装完后需要进行压实，直到PVG管中填满矿体为止，填装完后要对表面进行查看，压实的矿体不得出现表面抓毛现象，避免矿体样本出现的土层分界现象。当填装完矿体样本之后，向水管中注入清水，清水经过水管进入到矿体中，开始稳定渗流，向矿体中注水的时间为24小时[4]。然后向矿体中注入硫酸铵溶液，硫酸铵溶液注入时间为12小时，硫酸铵溶液注入的目的是为了破坏矿体的内部结构，实现瞬时置换，这样可以更好地测试出矿体的渗透特性[5]。硫酸铵在注入之前需要对其进行配置，在实际浸矿过程中注入的硫酸铵溶液浓度为4.5%，因此测试过程中注入的硫酸铵溶液浓度也为4.5%，在100蒸馏水中加入4.5克硫酸铵结晶，将溶液进行均匀搅拌，静置15min后将其注入到矿体中。

在清水注入阶段，矿体的渗流量和水头高度可以反映出矿体在水的作用下渗透特性的变化，而注入硫酸铵溶液阶段，矿体的渗流量则直接反映出矿体内部结构发生变化是渗透性的变化，因此在试验过程中需要记录不同粒径范围的矿体渗流量、水头高度等参数[6]。在试验装置底部开始出水的前2h～3h内，矿体渗透性能是处于不稳定阶段，该时间段不进行数值记录；在之后的4～18小时时间段，矿体渗透性能逐渐趋于稳定，此时每2.5min进行一次数值记录，每15min测一次矿体渗透量。根据记录的数据计算出矿体在渗流过程中水力梯度，其计算公式如下：

公式（1）中，i 表示矿体的水利梯度；Δh 表示水头高度，即矿体顶部水面与矿体底部水头的差值；L 为矿体渗流路径长度。矿体底部水头计算公式如下：

公式（2）中，hd表示矿体底部水头；u 为水流速度；g 为水体的重力加速度；p 为水管的水压；r 为水体的重度；q 为基准面的高程。矿体渗流量的计算公式为：

公式（3）中，f 为矿体的渗流量；w 为流入到矿体的水的体积；t 表示渗流时间。最后根据测量和记录的渗流数据，计算出矿体的渗透系数，其计算公式如下：

2 试验结果

根据上述试验方法完成对矿体的渗透特性试验，运用公式（4）计算出两组矿体的渗透系数，其结果如下表所示。

表1 两组矿体渗透系数

为了更加深入地了解到矿体的渗透性能，还根据记录的数据绘制了矿体水力梯度曲线图，如下图所示。

图2 矿体水力梯度曲线图

图1 为粒径范围在0.015mm～0.035mm的矿体与粒径范围在0.045mm～0.085mm的矿体在测试中，矿体内水利梯度变化曲线，根据以上试验结果对矿体的渗透特性进行分析和讨论。

3 试验结果讨论

从表1中可以看出，A组矿体的渗透系数低于B组矿体的渗透系数，当粒径范围在0.015 mm～0.035mm之间时，渗透系数随着矿体粒径的增加而变大；而当粒径范围在0.045mm～0.085mm之间时，矿体渗透系数起初是随着矿体粒径的增加而变大，但当矿体粒径超过0.055mm时，矿体的渗透系数逐渐减小。由此得知，矿体的渗透性能与矿体粒径的大小有直接关系，矿体粒径越小，渗透性能越差，当矿体粒径达到一定数值时，矿体的渗透性能反而降低，即0.55mm粒径的矿体渗透性能最好。从图1中可以看出，A组矿体的水利梯度明显低于B组，即颗粒比较小的矿体水力梯度越小。这主要是因为小粒径的矿体孔隙率较低，在渗流过程中不利于水体的流经，存水的空间比较小，不容易注水，所以水利梯度比较小，渗透性能比较差；而大粒径的矿体具有较大的孔隙率，在渗流过程中有充足的空间利于水体流过，所以水利梯度比较大，渗透性能比较好。

4 结语

本文以试验的方式对矿体的渗透特性进行了研究，明确了矿体的渗透规律，有利于原地浸矿工艺的优化和创新，为提高采矿过程中矿体边坡的稳定性和安全性提供保证。