尾砂充填料漿電滲脫水固結(jié)實(shí)驗(yàn)

王炳文，趙文華，熊庭永，張雪媚

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.山東黃金(玲瓏)有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400)

0 引 言

課程體系既是高校人才培養(yǎng)的載體，也是教學(xué)改革的重點(diǎn)，學(xué)生獲取知識(shí)、培養(yǎng)能力、提升素質(zhì)均源于合理的專業(yè)課程體系建設(shè)，故高校應(yīng)結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新專業(yè)課程體系[1]。充填開采理論與技術(shù)是當(dāng)前采礦工程學(xué)科中熱門的研究方向之一。相比于傳統(tǒng)的采礦方法，充填開采可利用采選固廢填充采空區(qū)，有效控制圍巖移動(dòng)，充分回收礦產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)礦山綠色安全開采與可持續(xù)發(fā)展[2]。

當(dāng)前高校采礦工程實(shí)驗(yàn)室通常采用脫水構(gòu)筑物自然脫水[3]或利用真空泵負(fù)壓強(qiáng)制脫水[4-5]實(shí)驗(yàn)研究充填料漿脫水過程，而在巖土工程[6-8]與環(huán)境工程[9-11]領(lǐng)域還采用電滲脫水方法。由于尾砂充填料漿性質(zhì)與土具有一定的相似性，電滲方法亦可適用于尾砂充填料漿脫水[11-13]，但目前尚無研究尾砂充填料漿電滲脫水固結(jié)的實(shí)驗(yàn)裝置。因此，本文借鑒土壤電滲脫水的思想，設(shè)計(jì)了選礦尾砂充填料漿電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置，并以自然脫水為對(duì)照，研究了電流對(duì)充填料漿固結(jié)過程的影響，得到了電滲脫水固結(jié)的相關(guān)規(guī)律。

此外，多數(shù)高校在采礦工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中只注重參觀演示[15-16]，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)相對(duì)缺乏。采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)多數(shù)追求學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性、完整性，未有效將教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合，突出其實(shí)用性和針對(duì)性[17]。通過將尾砂充填料漿電滲脫水實(shí)驗(yàn)引入高校采礦專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，有利于培養(yǎng)采礦工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，使其掌握充填領(lǐng)域?qū)嵱眯缘奈采俺涮盍蠞{脫水方法，更有針對(duì)性地了解尾砂固結(jié)特性。

1 基本原理

由選礦尾砂、水等物料構(gòu)成的充填料漿屬于膠體分散系。根據(jù)膠體化學(xué)理論，充填料漿中水的流動(dòng)滿足式(1)。

(1)

式中：Q為水的電滲速度，m3/s；ε為水的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ζ為固液界面電動(dòng)勢(shì)，V；I為電流強(qiáng)度，A；η為水的黏度，Pa·s；λ為水的電導(dǎo)率，s/m。

若充填料漿中加入電流強(qiáng)度I時(shí)，可產(chǎn)生相應(yīng)的電滲流動(dòng)速度Q。因充填料漿中固體顆粒(尾砂)帶有負(fù)電荷而水帶有正電荷，故水的移動(dòng)方向自陽極到陰極。在充填料漿脫水固結(jié)時(shí)，將濾水管作為陰極，料漿四周布置陽極，料漿中的水將逐步運(yùn)移到陰極濾水管并排出。與自然脫水相比，外加電場會(huì)使充填料漿產(chǎn)生電滲流動(dòng)速度Q，故電滲脫水將加快料漿排水速度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以自然脫水為參照，研究電滲對(duì)充填料漿脫水固結(jié)過程的影響，需要設(shè)計(jì)自然脫水實(shí)驗(yàn)裝置和電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置。 電滲脫水試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)箱、陽極棒、陰極濾水管、導(dǎo)水塑料管和電源構(gòu)成(圖1)。 陽極棒縱向布置在試驗(yàn)箱四角處，與直流電源正極相連；陰極濾水管縱向布置在試驗(yàn)箱中央，與直流電源負(fù)極相連。為監(jiān)測充填料漿脫水固結(jié)性狀，將刻度紙貼于試驗(yàn)箱兩側(cè)，測試充填料漿高度變化，并監(jiān)測固結(jié)體內(nèi)溫度、陰陽兩極電壓與電流強(qiáng)度、充填料漿脫水量等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中所用的電學(xué)元件的連接如圖2所示。

與電滲脫水試驗(yàn)裝置相比，自然脫水實(shí)驗(yàn)裝置不設(shè)置陽極棒和電源。

圖1 電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置模型Fig.1 Model of electro-osmotic dehydratio xperimental device

圖2 電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置電學(xué)元件連接示意Fig.2 Connection of various electrical components i lectro-osmotic dehydration experimental device

2.2 操作流程

電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置采用長方形箱體(長×寬×高=36 cm×25 cm×22 cm)(圖3)；陰極濾水管為銅管，壁厚1 mm、內(nèi)徑1 cm，沿軸線每隔1 cm環(huán)四周鉆鑿4個(gè)Φ2 mm的濾水孔，管外裹濾布，其上端自箱體蓋板中央孔伸出，下端則與導(dǎo)水塑料管相接；陽極棒為Φ3 mm的鐵絲，其下端與實(shí)驗(yàn)箱底部接觸，上端則通過蓋板四周小孔伸出；電源采用24 V直流電源，電流表與電壓表均使用萬用表。以下結(jié)合實(shí)例具體說明實(shí)驗(yàn)操作流程。

圖3 脫水實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)樣例Fig.3 Electro-osmotic dehydration experimental device

1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。分別對(duì)尾砂非膠結(jié)充填料漿(不添加膠凝材料)和尾砂膠結(jié)充填料漿進(jìn)行自然脫水和電滲脫水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所采用料漿質(zhì)量濃度68%，其中膠結(jié)充填料漿灰砂比1∶10。實(shí)驗(yàn)所用尾砂與膠凝材料均取自某黃金礦山，水為城市自來水。

2) 料漿制備。按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備充填料漿，充入試驗(yàn)箱。每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中充入料漿30 kg。

3) 數(shù)據(jù)采集。將充填料漿充入實(shí)驗(yàn)箱后，料漿即刻發(fā)生離析沉降，漿面上部出現(xiàn)澄清水。注入充填料漿后每隔6 h讀取一次脫水量、料漿溫度和料漿漿面高度，脫水量由稱量流入瓶內(nèi)的水獲取，料漿溫度由溫度計(jì)直接讀出，漿面高度則由箱體兩側(cè)刻度紙讀取。待實(shí)驗(yàn)箱中料漿上部澄清水排凈后，對(duì)電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行通電，間隔6 h讀取一次電流值和電壓值。脫水結(jié)束后，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中切取70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的固結(jié)體試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 脫水量

非膠結(jié)充填料漿電滲法與自然法脫水量見圖4。由圖4可知，對(duì)于非膠結(jié)充填料漿，在充填料漿上部澄清水未排凈之前，電滲法與自然法脫排出的水量相當(dāng)。充填料漿脫水觀測13次(144 h)后，漿面上方的澄清水排凈，電滲法和自然法分別排出4 125.5 g和4 156.0 g的澄清水。通電后，電滲脫水速度突增，前30 h內(nèi)電滲脫水速度明顯快于自然脫水速度。澄清水排凈后，電滲脫水實(shí)驗(yàn)箱和自然脫水實(shí)驗(yàn)箱又分別多排出768.5 g和398.5 g的滲透水。即，充填料漿通電后，電滲法較自然法多排出滲透水370.0 g，脫水率提高92.85%，表明通電有利于尾砂非膠結(jié)充填料漿脫水。

圖4 非膠結(jié)充填料漿電滲脫水量與自然脫水量Fig.4 Dewatering amount of non-cemented fillin lurry by electro-osmotic and natura ewatering method

膠結(jié)充填料漿電滲法與自然法脫水量見圖5。由圖5可知，膠結(jié)充填料漿脫水觀測5次(30 h)之后，漿面上方的澄清水排凈，電滲法和自然法分別脫排出1 726.5 g和1 838.0 g的澄清水。料漿通電后，電滲脫水速度與自然脫水速度相當(dāng)，電滲法與自然法又分別多排出224.0 g和176.0 g的滲透水，電滲法僅比自然法的脫水率提高27.27%，這表明尾砂膠結(jié)充填料漿通電后脫水效果不甚明顯。

圖5 膠結(jié)充填料漿電滲脫水量與自然脫水量Fig.5 Dewatering amount of cemented filling slurry b lectro-osmotic and natural dewatering method

3.2 電流

電滲脫水實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測陰極、陽極兩端電壓為21.7 V。根據(jù)電滲脫水過程中實(shí)測漿體內(nèi)部電流變化(圖6)可知，通過充填料漿的電流呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這表明電滲脫水過程中充填體電阻率發(fā)生變化。

3.3 溫度

實(shí)驗(yàn)室室溫13～16 ℃，尾礦充填料漿脫水過程中內(nèi)部溫度變化如圖7所示。由圖7可知，自然脫水過程中充填料漿內(nèi)部溫度與所處環(huán)境溫度基本一致，但電滲過程中料漿內(nèi)部溫度較自然脫水高3～5 ℃，這表明通電導(dǎo)致充填料漿內(nèi)部溫度升高。

3.4 漿面沉降

以料漿通電時(shí)刻漿面高度為零點(diǎn)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)過程中漿面高度變化如圖8所示。由圖8可知，非膠結(jié)充填料漿通電后，漿面沉降明顯，這是由于通電可加大非膠結(jié)充填料漿脫水速率和脫水量，尾砂固結(jié)進(jìn)程加速。然而，通電對(duì)全尾砂膠結(jié)充填料漿漿面沉降影響則不及非膠結(jié)充填料漿明顯[18]。

圖6 非膠結(jié)充填料漿電滲脫水實(shí)驗(yàn)電流變化Fig.6 Current change of electro-osmotic dewaterin xperiment of non-cemented filling slurry

圖7 非膠結(jié)充填料漿內(nèi)部溫度變化Fig.7 Temperature change of non-cemented filling slurry

圖8 非膠結(jié)充填料漿脫水漿面高度變化Fig.8 Height change of non-cemente illing slurry surface

3.5 充填體強(qiáng)度

在尾砂充填料漿脫水固結(jié)后形成的充填體中切割70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試塊，置于恒溫恒濕箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃±1 ℃、相對(duì)濕度95%。根據(jù)28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果(表1)可知，非膠結(jié)充填料漿自然脫水形成的充填體試塊松軟，未能在單軸壓力機(jī)上測得其強(qiáng)度(<0.1 MPa)；對(duì)比兩種脫水方式下形成的充填體強(qiáng)度，通電有助于提高非膠結(jié)尾砂充填體強(qiáng)度。

表1 不同脫水條件下充填體單軸抗壓強(qiáng)度Table 1 The UCS of different backfills

4 結(jié) 論

1) 通過自制實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)充填料漿脫水進(jìn)程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到了電滲對(duì)尾砂充填料漿脫水固結(jié)過程的影響規(guī)律。對(duì)于未添加膠凝材料的全尾砂非膠結(jié)充填料漿，電滲法具有排水速度快、排水量多，可加速漿面沉降并提高充填體強(qiáng)度；對(duì)于全尾砂膠結(jié)充填料漿，電滲對(duì)脫水固結(jié)效果改善不顯著。

2) 充填料漿脫水實(shí)驗(yàn)包含充填料漿制備、數(shù)據(jù)監(jiān)測與結(jié)果分析等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)原理簡單、難度適中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯、直觀，適于采礦工程專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過開展電滲脫水實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解電滲基本原理和充填料漿基本特性，掌握充填料漿電滲脫水方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。將充填電滲脫水實(shí)驗(yàn)引入高校的采礦專業(yè)課程教學(xué)，有利于采礦工程專業(yè)學(xué)生與研究人員掌握充填料漿脫水方法，了解充填料漿性質(zhì)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力。