基于正交試驗的水泥-全尾砂料漿沉降特性試驗

侯運炳 蘭世忠 徐文彬 李 鵬 陳林林(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

基于正交試驗的水泥-全尾砂料漿沉降特性試驗

侯運炳 蘭世忠 徐文彬 李 鵬 陳林林(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

尾礦固結(jié)排放工藝已成為我國尾礦處理的新的技術(shù)途徑。以安徽某鐵礦水泥-全尾砂料漿為試驗材料，采用正交試驗方案和極差分析方法，對比研究了不同質(zhì)量濃度、灰砂比和膠凝材料對料漿沉降特性的影響。結(jié)果表明：在質(zhì)量濃度、灰砂比和膠凝材料3個影響因素中，影響順序為質(zhì)量濃度>膠凝材料>灰砂比,即質(zhì)量濃度對料漿沉降特性的影響比較顯著；濃度為78%、灰砂比為8%、膠凝材料為TC-Ⅱ時，水泥-全尾砂料漿的沉降量最小、沉降速度最慢；最終推薦料漿配比為濃度75%～78%，灰砂比8%，膠凝材料為TC-Ⅱ。

尾礦固結(jié) 水泥-全尾砂料漿 正交試驗 沉降特性

近年來，尾礦固結(jié)排放工藝已成為我國尾礦處理的新的技術(shù)途徑，該工藝技術(shù)改變了傳統(tǒng)的尾礦庫排放方式，安全環(huán)保；同時也能解決地表塌陷坑回填和土地復(fù)墾等問題；還可以提高礦山廢料的綜合利用率，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果[1-6]。水泥-全尾砂料漿以實驗室配制的新型全尾砂固化劑為膠凝材料，以全尾砂為骨料，加入水中按要求的比例混合攪拌制成質(zhì)量濃度分別為72%、75%、78%的料漿。水泥-全尾砂料漿是一種多相人工復(fù)合的混凝土類材料[7-8]，沉降特性及其影響因素的研究是該固結(jié)排放工藝中的重要內(nèi)容，直接影響到過濾機的生產(chǎn)效率[9]。水泥-全尾砂料漿在固結(jié)排放時要考慮其沉降特性，在滿足工藝需求的條件下，應(yīng)使其沉降量盡量小、沉降速度盡量慢。本試驗采用正交設(shè)計法設(shè)計試驗方案，對不同質(zhì)量濃度的全尾砂和水泥-全尾砂料漿進行實驗室沉降試驗，研究了料漿沉降特性隨不同質(zhì)量濃度、灰砂比、膠凝材料的沉降變化規(guī)律，為分析料漿的性能提供基本依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗?zāi)z凝材料包括礦渣硅酸鹽水泥(P.S 32.5)、實驗室配制的新型全尾砂固化劑TC-Ⅰ、TC-Ⅱ。選用安徽某鐵礦的全尾砂作為骨料，該全尾砂屬于粗粒尾礦[10]，其密度為2.80 g/cm3，容重為1.75 t/m3，孔隙率為37.50%；不均勻系數(shù)Cu=3.64<5，尾砂級配不良；曲率系數(shù)Cc=1.61，1

1.2 試驗方法

稱取不同濃度所需要的水泥、全尾砂的質(zhì)量，量取所需水量，配制成質(zhì)量濃度分別為72%、75%、78%的水泥-全尾砂料漿，使水泥、尾砂和水?dāng)嚢杈鶆?，然后注入到有機玻璃沉降柱(高50cm，內(nèi)徑10cm)中進行自然沉降，并記下最初的液面高度。每1min記錄1次泥面的下沉高度，共記錄30min。正交試驗共9組。

2 沉降特性正交試驗

以安徽某鐵礦全尾砂為原材料，進行了膠凝材料類型、不同配比正交試驗。以不同的料漿濃度、灰砂比、膠凝材料為考察因素(依次為因素A、B、C)，每個因素各取3個水平，采正交表L9(34)安排試驗[11]。試驗因素水平見表1，試驗結(jié)果列于表2。

表1 L9(34)正交試驗因素水平安排Table 1 L9(34)Orthogonal test factors level

表2 沉降特性正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test program and results

3 試驗結(jié)果分析

3.1 極差分析

極差分析可以直觀明了地看出各個因素對沉降特性的影響程度大小。試驗中，各因素對沉降特性試驗值的影響程度不同，可以用極差R來判斷，即根據(jù)因素不同的水平之間相應(yīng)的試驗值差異(極差)的大小評判。如果極差R大，那么此因素對試驗值的影響就比較顯著；反之，如果極差R小，那么此因素對試驗的影響程度則較小，可認為該因素就是次要影響因素[11]。經(jīng)計算試驗數(shù)據(jù)，得到正交試驗結(jié)果極差分析表如表3所示。

表3 沉降特性正交試驗極差分析結(jié)果
Table 3 Orthogonal test results range analysis mm

因素水平因素平均值水平1水平2水平3極 差R較優(yōu)水平A27.13322.66714.16712.9661B20.83321.03322.1001.2673C23.06720.76720.1332.9341

由表3可知，影響料漿沉降特性的3個因素A、B、C的極差分別為12.966、1.267、2.934，比較極差R可得，3因素對料漿沉降特性影響的主次順序為A>C>B，其中因素B、C的極差值均很小，影響程度不明顯，工藝中不作為主要因素考慮。

3.2 因素水平對沉降特性的影響分析

根據(jù)正交試驗的極差分析可以得出影響料漿沉降特性的主次要因素，但不能直觀地看出各因素的影響趨勢，根據(jù)正交試驗綜合可比的特性，下面由正交試驗所得數(shù)據(jù)進行作圖，分別比較不同濃度、灰砂比、膠凝材料對料漿沉降特性的影響情況。

3.2.1 料漿濃度對沉降特性的影響分析

不同質(zhì)量濃度的水泥-全尾砂料漿沉降高度與時間的關(guān)系如圖1所示，對照組的全尾砂料漿沉降高度與時間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 不同濃度混合料漿沉降高度-時間關(guān)系

圖2 不同濃度全尾砂料漿沉降高度-時間關(guān)系

由圖1、圖2可以看出：

(1)水泥-全尾砂料漿的沉降高度-時間關(guān)系曲線都是先快速增加后緩慢增加的趨勢，到最后基本保持穩(wěn)定。濃度從72%到78%的料漿在前8 min內(nèi)沉降高度由大到小、沉降速度由快到慢，分別在11、22、24 min左右沉降基本停止。濃度72%、75%、78%的料漿到30 min時的沉降高度分別為27.1、22.7、14.2 mm，相鄰兩者之間的差值依次為4.4、8.5 mm，各因素之間差值較大。其中濃度78%的料漿沉降速度最慢，沉降高度最小，分析可知，隨著料漿濃度的加大，料漿的最終沉降高度變小、沉降速度減緩。這是因為水泥、全尾砂與水?dāng)嚢韬?，混合料漿內(nèi)部開始進行水化反應(yīng)，生成的絮凝狀的水化產(chǎn)物導(dǎo)致混合料漿沉降速度加快[12]。

(2)全尾砂料漿的沉降高度-時間關(guān)系曲線有顯著特點。濃度72%的料漿沉降速度較快，而且沉降高度較大，為26.0 mm，并在10 min左右沉降基本停止。濃度75%、78%的料漿沉降高度-時間關(guān)系曲線大致重合，在前25 min內(nèi)沉降速度比較穩(wěn)定，在25 min后沉降還在緩慢進行，到30 min時濃度78%的料漿沉降基本停止，濃度75%的料漿還在繼續(xù)下沉。濃度72%、75%、78%的全尾砂料漿到30 min時的沉降高度分別為27.0、17.0、15.1 mm，相鄰兩者之間的差值依次為10.0、1.9 mm。隨著全尾砂料漿濃度越大，料漿的沉降速度減緩。結(jié)果表明全尾砂料漿的濃度增大，顆粒發(fā)生沉降時所受到的阻力增大，導(dǎo)致顆粒在靜態(tài)時的沉降速度越來越慢。

(3)與對照組全尾砂料漿相比，濃度78%的水泥-全尾砂料漿的沉降高度最小，但濃度為78%時偏高，不利于固結(jié)排放，因此，確定水泥-全尾砂的排放濃度在75%～78%。在條件允許的情況下，提高料漿濃度對降低料漿的最終沉降量和沉降速度有利。

3.3.2 灰砂比對沉降特性的影響分析

不同灰砂比的水泥-尾砂對料漿沉降高度與沉降時間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，在22 min以后，灰砂比8%、10%的料漿沉降高度保持穩(wěn)定，灰砂比12%的料漿沉降高度仍有略微增加?；疑氨?%、10%和12%的水泥-全尾砂料漿對沉降高度的影響程度大致相同，3條曲線基本重合。這就說明，灰砂比不是影響料漿沉降的主要因素，其影響程度不明顯，在實際工程中一般可以不考慮該因素。但總體來說，灰砂比為8%時的料漿沉降高度相對較小，為20.8 mm。

圖3 不同灰砂比混合料漿沉降高度-時間關(guān)系

3.3.3 膠凝材料對沉降特性的影響分析

不同膠凝材料的水泥-尾砂對料漿沉降高度與沉降時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同膠凝材料混合料漿沉降高度-時間關(guān)系

由圖4可知，添加的TC-Ⅰ和TC-Ⅱ的料漿沉降高度隨時間變化的關(guān)系曲線基本重合。添加P.S、TC-Ⅰ、TC-Ⅱ的水泥-全尾砂料漿沉降高度分別為23.1、20.8、20.1，三者沉降量相差不多，沉降速度基本一致，沉降趨勢相同。說明各種膠凝材料對水泥-全尾砂料漿的沉降特性影響程度相似，都不顯著，不是主要影響因素。相比較而言，添加實驗室配制的TC-Ⅱ時料漿的沉降高度相對較小。因而在實際工程應(yīng)用中可選擇TC-Ⅱ這一較便宜的膠凝材料。

根據(jù)水泥-全尾砂料漿的沉降特性試驗研究，推薦料漿配比為濃度75%～78%，灰砂比8%，膠凝材料為TC-Ⅱ。這樣既能滿足工藝要求，也能降低排放成本，還可以提高排放工藝效率。

4 結(jié) 論

(1)不同的料漿濃度、灰砂配比以及膠凝材料對料漿的沉降特性影響程度不同，各因素對料漿沉降特性影響的主次順序為料漿質(zhì)量濃度>膠凝材料>灰砂比，即水泥-全尾砂的質(zhì)量濃度對料漿的沉降影響最為顯著。

(2)隨著料漿濃度的加大，料漿的最終沉降高度變小、沉降速度減緩。濃度78%的水泥-全尾砂料漿的沉降高度最小，但濃度為78%時偏高，不利于固結(jié)排放，因此，確定水泥-全尾砂的排放濃度在75%～78%。在條件允許的情況下，提高料漿濃度對降低料漿的最終沉降量和沉降速度有利。

(3)灰砂配比、膠凝材料對料漿的沉降特性影響較小，通過正交試驗分析知，料漿濃度為78%、灰砂比為8%、膠凝材料為TC-Ⅱ時，水泥-全尾砂料漿的沉降量最小，沉降速度最慢。因此，推薦質(zhì)量濃度75%～78%，灰砂比8%，膠凝材料為TC-Ⅱ。上述參數(shù)既能滿足工藝要求，也能降低尾礦排放成本，技術(shù)經(jīng)濟效果良好。

(4)目前，該鐵礦年產(chǎn)300萬t，每年用于尾砂排放、地表征地以及環(huán)境費用超近千萬，若實現(xiàn)全尾砂固結(jié)排放，不僅可減少尾礦排放及維護費用，同時還可以少征或不征耕地，而且可以有效地保護環(huán)境，符合綠色礦山建設(shè)要求。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Experimental Study on Settling Characteristics of Full Tailings Slurry Mixed with Cement Based on Orthogonal Test

Hou Yunbing Lan Shizhong Xu Wenbin Li Peng Chen Linlin(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

The cementation and discharging process of tailings has become a new way of tailings processing in China.Taking full tailings slurry mixed with cement from an iron ore in Anhui as the experimental materials，by adopting the orthogonal design method and the extremum difference analysis method，the influence of weight concentration，cement-tailings ratio and cementitious materials on settlement characteristics are studied and contrasted.The experimental results show that among three factors of weight concentration，cement-tailings ratio and cementitious materials，the weight concentration has a maximum effect，followed by cementitious materials and cement-failings ratio in order.That is，the effect of weight concentration on the slurry settlement characteristics is most significant.In the experiment，under the condition of the concentration 78%，the cement-failings ratio 8%，and the cementitious materials type of TC-II，both the settlement and the sedimentation velocity of the full tailings slurry mixed with cement are minimal.So the final formula with the slurry concentration of 75%～78%，cement-failings ratio of 8% and cementitious materials of TC-II is recommended.

Tailings cementation，F(xiàn)ull tailings slurry mixed with cement，Orthogonal test，Settlement characteristics

2014-10-24

“十二五”科技支撐計劃(編號：2013BAB02B04)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(編號：2011YZ02)。

侯運炳(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。 通訊作者 徐文彬(1985—)，男，博士，講師。

TU44

A

1001-1250(2015)-01-025-04