尾砂模袋充填試驗(yàn)研究

劉曉峰

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

尾礦庫(kù)是用于貯存選礦后尾礦的重要設(shè)施，截至2017 年底，我國(guó)共有7 793 座尾礦庫(kù)[1]，其中約有70%的尾礦庫(kù)采用上游式筑壩[2]。隨著選礦工藝的愈加成熟以及礦產(chǎn)資源綜合利用水平的提高， 從選礦廠出來(lái)的尾礦也越來(lái)越細(xì)， 給傳統(tǒng)的上游式尾砂筑壩帶來(lái)了不少難題。如筑壩困難導(dǎo)致堆積高度受限，壩體排滲不暢引起壩體浸潤(rùn)線偏高，干灘坡度較緩導(dǎo)致安全超高和調(diào)洪水深不足，以及尾砂固結(jié)較慢導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性降低等[3]。

土工模袋作為新型建筑材料，是一種雙層聚合化纖合成材料制成的的袋狀產(chǎn)品[4]，已成功應(yīng)用于水利、水電、公路、鐵路、海港以及軍工等領(lǐng)域，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）模袋一次充灌成型，施工工藝簡(jiǎn)便，速度較快；2）袋內(nèi)充填材料通常能就地取材，價(jià)格便宜，能大大節(jié)省工程投資；3）具有一定的透水性，多余水分通過(guò)袋體織物孔隙滲出， 加快充灌材料的固結(jié)速度， 提高其抗壓強(qiáng)度。 近些年土工模袋在尾礦行業(yè)，特別是在細(xì)粒尾砂筑壩中也得到了廣泛運(yùn)用[5]。

本文擬通過(guò)尾砂模袋充填試驗(yàn)， 測(cè)定土工模袋的“存粗去細(xì)”效果。 同時(shí)了解不同粒徑尾砂充填模袋后，模袋內(nèi)尾砂的粒徑、含水率、物理力學(xué)性能及固結(jié)效果，為細(xì)粒尾砂筑壩提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 概況

本次試驗(yàn)研究主要依托于江西省某礦山尾礦庫(kù)擴(kuò)容改造工程，針對(duì)其中的模袋攔擋壩壩體是采用全尾尾砂還是分級(jí)尾砂充填進(jìn)行比選。 試驗(yàn)過(guò)程中共充填6 條模袋，其中全尾尾礦及分級(jí)尾礦充填模袋各有3 條。在每組放礦管內(nèi)、旋流分級(jí)器沉砂口和每條模袋的兩端及中部位置取樣， 對(duì)充填模袋前后尾砂粒徑及尾礦含水率進(jìn)行分析； 同時(shí)在充填模袋成型后，在每條模袋的兩端及中部位置取樣，進(jìn)行物理力學(xué)性能分析。

圖1 模袋充填試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.2 研究?jī)?nèi)容

試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容主要分為3 個(gè)部分：1）全尾尾砂及分級(jí)尾砂在充填模袋前后尾砂粒徑變化情況；2）全尾尾砂及分級(jí)尾砂充填模袋前后含水率變化情況；3）全尾尾砂及分級(jí)尾砂充填模袋后的物理力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 尾砂粒徑

分別對(duì)全尾尾砂和分級(jí)尾砂充填模袋前、全尾尾砂充填模袋前后、分級(jí)尾砂充填模袋前后以及分級(jí)尾砂和全尾尾砂充填模袋后的尾砂進(jìn)行粒徑對(duì)比，具體見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 全尾及分級(jí)尾砂充填模袋前粒徑分布

圖3 全尾尾砂充填模袋前后粒徑分布

圖4 分級(jí)尾砂充填模袋前后粒徑分布

圖5 分級(jí)尾砂粒徑及全尾充填成型后粒徑分布

由圖2～圖5 可知：1）全尾尾砂經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后，-19 μm 的尾砂量由原來(lái)的39.2%降至21.8%，降低幅度為 44.4%。 +50 μm 的尾砂量由原來(lái)的27.9%增至38.6%，增加幅度為38.4%；2）全尾尾砂充填模袋后，-37 μm 的尾砂量由原來(lái)的66.5%降至34.3%，降低幅度為48.4%。+74 μm 的尾砂量由原來(lái)的21.8%增至47.9%，增加幅度為119.7%；3）分級(jí)尾砂充填模袋后，-37 μm 的尾砂量由原來(lái)的51.5%降至20.1%，降低幅度為61.0%。 +74 μm 的尾砂量由原來(lái)的27.1%增至57.9%，增加幅度為113.7%；4）全尾尾砂經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后，-37 μm 的尾砂量占51.5%，74 μm 的尾砂量占 27.1%。 全尾尾砂充填模袋后-37 μm 的尾砂量占 34.3%，74 μm 的尾砂量占47.9%。充填模袋后尾砂粒徑較經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后的要粗，模袋具有較好的尾砂分級(jí)效果。

2.2 尾砂含水率

對(duì)全尾尾砂及分級(jí)尾砂在灌入模袋前、 模袋成型滲出清液及模袋成型不再滲水時(shí)段的含水率情況進(jìn)行對(duì)比，各階段含水率情況見(jiàn)圖6。

圖6 全尾及分級(jí)尾砂模袋充填前后含水率變化

由圖6 可知：1）全尾尾砂沖灌時(shí)含水率為424.7%，模袋成型滲出清液時(shí)含水率為74.8%， 模袋成型不再滲水時(shí)含水率為34.9%；2）分級(jí)尾砂沖灌時(shí)含水率為156.0%，模袋成型滲出清液時(shí)含水率為35.6%，模袋成型不再滲水時(shí)含水率為24.7%；3）由于分級(jí)尾砂系全尾尾砂采用旋流器分級(jí)選得， 灌入模袋時(shí)帶入至模袋內(nèi)的水量相應(yīng)大幅減少，其含水率由424.7%降至156.0%，降低幅度為63.3%，礦漿濃度大幅增加；4）在模袋成型滲出清液時(shí)，分級(jí)尾砂較全尾尾砂的含水率由74.8%降低至35.6%， 降低幅度為52.4%；5）在模袋成型不再滲水時(shí)，分級(jí)尾砂較全尾尾砂的含水率由34.9%降低至24.7%， 降低幅度為37.3%。

同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)確定， 分級(jí)尾砂在模袋中成型時(shí)間較短，僅約1 d，而全尾尾砂在模袋中成型時(shí)間較長(zhǎng)，約7 d，且分級(jí)尾砂較全尾尾砂在模袋成型后（含滲出清液及不再滲水）的含水率要低，固結(jié)速度要快。

2.3 尾砂物理力學(xué)性能

在充填模袋成型且不滲出滲濾液后， 對(duì)模袋內(nèi)全尾尾砂及分級(jí)尾砂分別進(jìn)行取樣， 并與未充填的全尾尾砂性能進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 充填模袋前后尾砂物理力學(xué)性能指標(biāo)

由表1 可知：1）尾砂通過(guò)充填模袋后，其滲透系數(shù)、抗壓縮性能及抗剪強(qiáng)度均有所提高；2）充填模袋的全尾尾砂滲透系數(shù)較分級(jí)尾砂的要小，模袋成型時(shí)間較長(zhǎng)；3）全尾尾砂和充填模袋全尾尾砂壓縮系數(shù)較大，屬高壓縮性；充填模袋分級(jí)尾砂壓縮系數(shù)較小，屬中壓縮性；4）充填模袋全尾尾砂固結(jié)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)僅約分級(jí)尾砂的一半；5）全尾尾砂充填模袋成型時(shí)的天然抗剪強(qiáng)度較固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)大， 不滲出滲濾液時(shí)離完全固結(jié)還需要一段時(shí)間；6）分級(jí)尾砂充填模袋成型時(shí)的天然抗剪強(qiáng)度與固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)相接近，不滲出滲濾液時(shí)已接近完全固結(jié)。

3 結(jié)論

1）全尾尾砂經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后，-37 μm 的尾砂量占51.5%，74 μm 的尾砂量占27.1%。 全尾尾砂充填模袋后-37 μm 的尾砂量占 34.3%，74 μm 的尾砂量占47.9%。 充填模袋后尾砂粒徑較經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后的要粗，模袋具有較好的尾砂分級(jí)效果。

2）全尾尾砂充填模袋成型時(shí)的天然抗剪強(qiáng)度較固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)相差相對(duì)較大，固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；而分級(jí)尾砂充填模袋成型時(shí)的天然抗剪與固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)相接近，固結(jié)時(shí)間較短。

3）充填模袋的全尾尾砂固結(jié)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)僅約分級(jí)尾砂的一半，故模袋內(nèi)充填的尾砂粒徑越粗，尾礦水從模袋內(nèi)析出越快，模袋成型時(shí)間越短，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越好。

4）模袋具有較好的尾砂分級(jí)效果，能夠“存粗去細(xì)”，對(duì)于難于直接筑壩的細(xì)粒尾砂，可考慮先采用模袋法或尾砂分級(jí)后，再采用模袋法進(jìn)行堆壩。