基于尾矿浆体相变特性的多孔介质注浆扩散机理

将矿山废弃物转化为有用材料

现代采矿产生大量细颗粒废料称为尾矿，这些尾矿可以泄漏金属并威胁堤坝安全。工程师们正学习将这种泥状废料作为建筑材料重新利用，通过将其泵入软弱地层或废矿空间进行注浆。本研究提出了一个看似简单但对安全具有重大影响的问题：当这种以废料为基础的浆体流经地下并逐步硬化时，它到底如何移动，需要多大的压力来推动它？

为何流动与硬化很重要

在计算中，注浆常被简化为注入混合物在地下输运期间始终保持低粘性液体。但实际上，尾矿浆体更像会逐渐变硬的软牙膏。如果忽略这种缓慢硬化，工程师可能严重高估浆体的扩散距离并低估推动其通过土体或矿渣所需的压力。真实的地层是由曲折的孔隙构成——而不是直管——因此简化的理论可能误导设计，导致加固效果不佳甚至损伤附近结构。

实时观察浆体增稠

研究人员首先按受控配方将细尾矿与水泥、石灰、粉煤灰和水混合，然后用高精度旋转流变仪测量浆体在两个小时内的剪切与流动特性。他们改变了两个实际工程可控的参数：温度（10°C、25°C、50°C）和水灰比（从相对干、1.0 到较稀、3.0）。浆体的响应符合一种“屈服应力”材料的行为，称为宾汉姆流体：在低于某一阈值的推动下几乎不流动，超过该阈值则发生流动。关键是，阈值应力和表观粘度随时间上升，且两者都可用简单的二次时间函数描述。较干的配合比与较高的温度使浆体更快、更强地变硬，其中含水量的影响更大。

从实验曲线到地下流动

接着，研究团队建立了一个数学模型，描述这种随时间增稠的浆体如何在多孔介质中扩散。他们将弯曲的孔隙网络视作狭窄管束，考虑到部分管区内存在几乎不剪切的刚性“塞体”，并允许屈服应力和粘度随浆体自配制起的时效变化。通过将局部压强梯度、平均流速与随时演变的材料性质联系起来，他们导出了一个方程，预测随着浆体前缘向地层推进，注浆压力应如何随时间增长。

在高砂柱中检验理论

为了验证理论，作者构建了一个2.4米高的钢制试验容器，填装了不同的基于尾矿的砂和粉质土。他们以受控的流量、温度和配合比注入尾矿浆体，并在十二个深度位置监测压力。在全部九种试验条件下，各传感器处的压力随时间上升，且靠近注入口处的压力更高。压强-时间曲线呈现明显的两阶段行为：早期几乎线性的缓慢上升段，随后随着浆体增稠和流道变得更难渗透而出现快速加速上升段。将模型预测与实测数据比较时，新的时变宾汉姆模型比假定固定屈服应力的旧模型拟合得更好，将总体误差缩小到了约10%以内。

对更安全、更智慧注浆的意义

对非专业读者而言，结论是：尾矿浆体不仅仅是脏水——它是一种在运动中会增稠的“活”材料，水含量或温度的微小变化就能显著改变其地下流动方式。通过在实验测量和改进的流动模型中捕捉这种相变，研究为工程师提供了更现实的工具，以预测此类浆体的扩散距离及注浆压力随时间的演化。这有助于设计更安全的尾矿坝、更可靠的地基加固和更好的矿山废料再利用，降低环境风险并使地下施工的可预见性提高。

引用: Xing, S., Jia, J., Zheng, C. et al. Porous media grouting diffusion mechanism based on tailings slurry phase change characteristics. Sci Rep 16, 5571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36009-z

关键词: 尾矿浆体, 注浆, 多孔介质, 流变学, 矿山废弃物再利用