尾礦滲透固結(jié)特性分類研究

曹作忠 羅昌明 張 默

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；3.重鋼西昌礦業(yè)有限公司 四川西昌 615041）

尾礦是礦物分選有用成份后在目前技術(shù)條件下無(wú)法利用的工業(yè)廢棄物，是有待挖潛的寶藏。尾礦一般以礦漿形式產(chǎn)生，以固態(tài)形式堆存，尾礦由礦漿變成固態(tài)的過(guò)程是一個(gè)滲透固結(jié)的過(guò)程，是尾礦在內(nèi)、外因素的作用下，尾礦內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，在水頭差的作用下，尾礦中水排出，超孔隙水壓力消散，土體孔隙比降低，體積減小，發(fā)生滲透固結(jié)的過(guò)程。尾礦固結(jié)的快慢與尾礦的物理性質(zhì)有關(guān)，尾礦的滲透固結(jié)可分為正常和超常固結(jié)，尾礦滲透固結(jié)的分類是指尾礦在正常固結(jié)條件下，根據(jù)尾礦的物理性質(zhì)，對(duì)尾礦的固結(jié)特性進(jìn)行分類，為尾礦堆存或治理采取相應(yīng)的工程措施提供設(shè)計(jì)或施工依據(jù)。

分類首先要解決分類判據(jù)、分類當(dāng)數(shù)和分類界限問(wèn)題；分類應(yīng)具有兼容性、通用性和準(zhǔn)確性。

1 分類判據(jù)

文獻(xiàn)［1-2］通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外尾礦物理性質(zhì)指標(biāo)的研究，選擇了孔隙比、濕密度、滲透系數(shù)等12個(gè)指標(biāo)作為尾礦物理性質(zhì)參數(shù)相關(guān)分析的基礎(chǔ)指標(biāo)，通過(guò)相關(guān)分析表明，基礎(chǔ)指標(biāo)可分為3個(gè)相關(guān)組；通過(guò)同類指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值分析，得出了決定尾礦滲透固結(jié)特性主要指標(biāo)是尾礦的孔隙比、濕密度和滲透系數(shù)3個(gè)參數(shù)。本研究以這3個(gè)參數(shù)作為尾礦滲透固結(jié)特性分類研究的判據(jù)，對(duì)尾礦的滲透特性進(jìn)行分類研究。

2 最佳分類數(shù)目的研究

一般來(lái)說(shuō)，分類過(guò)多，對(duì)判據(jù)選擇要求越嚴(yán)格，其可靠性也越低，可操作性也越差；但分類數(shù)目過(guò)少，雖然可靠性較高，但對(duì)判據(jù)要求過(guò)低，針對(duì)性不強(qiáng)，實(shí)用性較差，為了確定最佳分類數(shù)目，本研究通過(guò)分類函數(shù)來(lái)確定最佳分類數(shù)目。

2.1 分類函數(shù)DS

分類函數(shù)是一種誤差函數(shù)，本研究中采用的分類函數(shù)為：

式中，j為樣本號(hào)，j=1到n；C（k）為k類重心；DiC（k）為樣本j到k類重心C（k）的歐氏距離；DS為樣本1～n個(gè)樣本到其所屬類重心C（k）的歐氏距離之和。

在分類過(guò)程中，分類級(jí)數(shù)不斷調(diào)整，當(dāng)分類函數(shù)DS數(shù)值不再減少時(shí)的分類級(jí)數(shù)即為最終分類數(shù)。

2.2 最佳分類數(shù)目

分類函數(shù)可視為選擇最佳分級(jí)數(shù)目的標(biāo)志，其確定方法是：當(dāng)初始分級(jí)假定后，樣品歸類的不斷調(diào)整是根據(jù)分類函數(shù)DS的不斷縮小原則進(jìn)行的，而分類函數(shù)又是分類數(shù)目（K）的函數(shù)，因此在計(jì)算出分類函數(shù)后，可以分類數(shù)目為橫坐標(biāo)，以分類函數(shù)DS為縱坐標(biāo)，作出任一樣本總體的DS-K曲線。

表1為研究樣本尾礦在不同的分類判據(jù)組合下，分類級(jí)數(shù)和平均分類函數(shù)的關(guān)系。

從表1可以看出，不論采用何種分類判據(jù)，其分類函數(shù)下降梯度均在K≤5時(shí)有顯著變化，在K＞5以后，下降不再明顯，這說(shuō)明對(duì)于樣本所代表的尾礦而言，分類大于5以后，不能獲得更為明顯的經(jīng)濟(jì)效果，因此樣本尾礦的分類數(shù)目以5類為宜，本研究定名為易固結(jié)、較易固結(jié)、可固結(jié)、難固結(jié)和很難固結(jié)。

3 尾礦滲透固結(jié)分類

3.1 分類方法

為了證實(shí)不同的分類方法的實(shí)用性、可靠性以及分類方法之間的關(guān)系，研究時(shí)采用了動(dòng)態(tài)分級(jí)法和聚類法（系統(tǒng)聚類和模糊聚類）對(duì)采集的尾礦樣本進(jìn)行滲透固結(jié)分類。

3.1.1 動(dòng)態(tài)分級(jí)法

動(dòng)態(tài)分級(jí)法是在尾礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用聚類分析原理進(jìn)行分級(jí)的方法，其分類步驟是：

（1）選定樣本尾礦庫(kù)，并隨機(jī)取樣；

（2）測(cè)試尾礦的分類指標(biāo)；

（3）將原始測(cè)試指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化；

（4）按2～10類設(shè)置分級(jí)數(shù)；

（5）按預(yù)計(jì)分類和標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)差異確定初始分級(jí)數(shù)和分類重心，并將分級(jí)重心作為原始分類標(biāo)準(zhǔn)；

（6）計(jì)算各樣本標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)到各重心的歐式距離，按最近距離原則，確定樣本類別；

（7）重復(fù)（5）～（6）步驟計(jì)算新重心；

3.1.2 系統(tǒng)聚類法

系統(tǒng)聚類法是一種將類由多變少的分類方法。由于類與類之間的距離定義不同，系統(tǒng)聚類法又可分為最短距離法、最長(zhǎng)距離法、中間距離法、重心法、類平均法、可變類平均法、可變法和利差平方和法等8種［3-6］，大量研究表明，類平均法在事物分類中能夠取得良好的效果，本研究采用類平均系統(tǒng)聚類法，對(duì)尾礦的滲透固結(jié)特性進(jìn)行分類，研究中采用Q型分類。

系統(tǒng)聚類分析法分類步驟：

（1）選定樣本尾礦庫(kù)，隨機(jī)取樣，測(cè)試分類指標(biāo)；

（2）對(duì)原始指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

（3）計(jì)算樣品間距離，形成矩陣D0；

（4）在D0中找出最小元素，將與之相關(guān)的元素合并成一類；

首先，傳統(tǒng)星級(jí)酒店由于客戶資源匱乏無(wú)法在辦理手續(xù)的第一時(shí)間獲得客戶的完整資料、準(zhǔn)確掌握客戶喜好，無(wú)法提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，從而喪失了抓住維護(hù)客戶忠實(shí)的重要黃金時(shí)間點(diǎn)。

（5）計(jì)算新類與其他類的距離，并將形成的新矩陣記為D1；

（6）對(duì)D1重復(fù)第（4）步，合并新的類別，如此重復(fù)，直至將所有的樣本合并成一類為止；

（7）根據(jù)聚類過(guò)程，畫(huà)出聚類圖，從聚類圖上查出各樣本的歸類情況。

3.1.3 模糊聚類法

模糊聚類分析是多元統(tǒng)計(jì)分類的一種，它是將一個(gè)沒(méi)有類別的樣本集按相似原則進(jìn)行分類，能夠描述樣本類屬的過(guò)渡性，可客觀地反映現(xiàn)實(shí)事物的內(nèi)在聯(lián)系。模糊聚類算法可分為等價(jià)矩陣動(dòng)態(tài)聚類法、C均值聚類法和攝動(dòng)的模糊聚類分析法等，本項(xiàng)目采用最為廣泛的模糊C均值聚類算法（FCM）對(duì)尾礦滲透固結(jié)特性分類進(jìn)行研究。

FCM分類法是用隸屬度確定樣本屬于某類程度的聚類算法，它是把樣本分為c個(gè)模糊組，并求出各組的類中心值，使非相似性指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小或零。規(guī)定隸屬度在（0，1）間取值，一個(gè)樣本集的隸屬度的和總等于1，即：

FCM分類法的目標(biāo)函數(shù)是：

式中，uij∈（0，1）；ci為i組的聚類中心；dij=||ci-xj||為第i個(gè)聚類中心與第j個(gè)樣本間的歐式距離；m∈[ )1,∞，為加權(quán)指數(shù)。

使J有極小值的必要條件是：

FCM分類法按下列步驟計(jì)算類中心ci和隸屬矩陣U［i］：

（1）用（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化隸屬矩陣U，使其滿足式（2）要求；

（2）用式（4）的第一式計(jì)算c個(gè)聚類中心ci，i=1，…，c。

（3）設(shè)定目標(biāo)閾值，并根據(jù)式（3）計(jì)算目標(biāo)函數(shù)。如果J小于設(shè)定的閥值，或2次相鄰的目標(biāo)函數(shù)值差值小于設(shè)定閥值，則停止計(jì)算。

（4）用式（4）的第二式計(jì)算新的隸屬矩陣U。

（5）重復(fù)（2）～（4）步驟，反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至相鄰2次迭代的隸屬模U之間的差值達(dá)到設(shè)定誤差或等于零時(shí)分類終止。

3.2 全尾滲透固結(jié)分類

由于實(shí)際條件的限制，不可能對(duì)全國(guó)選廠尾礦進(jìn)行取樣試驗(yàn)，為了取得較全面的樣本，在研究中，我們對(duì)有代表性的銅、鐵礦山尾礦庫(kù)尾礦樣本進(jìn)行了隨機(jī)組合，使樣本更加全面，并對(duì)樣本的分類判據(jù)精心測(cè)試，得到了如表2（部分）的全樣本組合。

根據(jù)3.1節(jié)的方法，我們對(duì)表2進(jìn)行了聚類分析，其5類分析結(jié)果見(jiàn)表3和圖1～圖3。

研究表2、3和圖2～4，如將尾礦的滲透固結(jié)特性分為5類，則銅、鐵尾礦的滲透固結(jié)分類指標(biāo)如表4。

4 尾礦滲透固結(jié)分類的應(yīng)用

尾礦的滲透固結(jié)分類的目的在于根據(jù)尾礦的3指標(biāo)判斷尾礦滲透固結(jié)的快慢，其分類結(jié)果可以用于尾礦壩排滲設(shè)計(jì)、庫(kù)內(nèi)尾礦筑壩設(shè)計(jì)和全尾的膜袋干堆設(shè)計(jì)。

4.1 庫(kù)內(nèi)尾礦滲透固結(jié)分類

由于水力分選作用，尾礦庫(kù)內(nèi)不同部位尾礦的滲透固結(jié)特性均有不同，一般來(lái)說(shuō)距離放礦口近的尾礦滲透固結(jié)特性較好，離放礦口遠(yuǎn)的尾礦滲透固結(jié)特性較差，按照全尾滲透固結(jié)的分類方法對(duì)燕倉(cāng)尾礦庫(kù)灘面取樣試驗(yàn)，按試驗(yàn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)其分類，分類結(jié)果見(jiàn)表5。

分析表5，燕倉(cāng)尾礦庫(kù)0～120 m范圍內(nèi)尾礦可用于尾礦土工織物復(fù)合體筑壩，但速度不能太快；如采用排滲管降低壩體浸潤(rùn)線，從灘頂起最大長(zhǎng)度不宜超過(guò)120 m，最好在80 m范圍以內(nèi)。

4.2 取樣礦山全尾的滲透固結(jié)分類

為了便于應(yīng)用，研究時(shí)分別對(duì)大西溝鐵礦、武山銅礦、鳳凰山銅礦和姑山鐵礦總尾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果按照表4的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4個(gè)礦山總尾進(jìn)行了滲透固結(jié)分類，其尾礦分類指標(biāo)和分類結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知大西溝鐵礦總尾為難固結(jié)尾礦，武山銅礦總尾為難固結(jié)～可固結(jié)尾礦，鳳凰山銅礦總尾為很難固結(jié)尾礦，姑山鐵礦總尾為較易固結(jié)類尾礦。因此從樣本來(lái)看，在取樣時(shí)姑山鐵礦全尾適合尾礦土工織物復(fù)合體干堆，武山銅礦全尾適合土工織物復(fù)合體筑壩，而分級(jí)后武山尾礦、大西溝總尾和鳳凰山銅礦總尾很難固結(jié)，較難用于尾礦土工織物復(fù)合干堆或筑壩。

5 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)態(tài)聚類、系統(tǒng)聚類和模糊聚類3種方法均可以用于礦山尾礦的滲透固結(jié)性分類，分類結(jié)果相近；將尾礦滲透固結(jié)特性分為較易固結(jié)、易固結(jié)、可固結(jié)、難固結(jié)和很難固結(jié)5類，較適合礦山尾礦情況，便于設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用。但目前礦山為了提高產(chǎn)品回收率和精礦品位，或提取粗砂綜合利用，尾礦將進(jìn)一步變細(xì)，尾礦中的粗粒含量比較少，分類中的易固結(jié)和較易固結(jié)類逐步減少，甚至出現(xiàn)缺檔現(xiàn)象，為尾礦固結(jié)特性分類的實(shí)用性提出了新的課題。另外，受不同尾礦顆粒密度的影響，分類指標(biāo)中的濕密度離散性較大，因此本分類方法較適用于單一尾礦滲透固結(jié)特性的分類。