超細(xì)尾礦充灌管袋真空抽濾脫水試驗與效率分析

萬 俐，唐志勇，任天成

（1.江西省交通投資集團有限責(zé)任公司項目建設(shè)管理公司，江西南昌，330036；2.江西省交通工程集團有限公司海通公司，江西南昌，330038；3.江西省交通運輸科學(xué)研究院有限公司，江西南昌，330200）

超細(xì)尾礦對其粒徑組成規(guī)定為平均粒徑小于0.03mm，-0.019mm 顆粒含量大于50%，+0.074mm 顆粒含量小于10%，+0.037mm 顆粒含量小于30%[1]。隨著我國土地資源逐漸稀缺以及礦產(chǎn)資源回收率的不斷提高，超細(xì)尾礦、高堆尾礦壩快速增多成為必然趨勢，如何破解超細(xì)粒尾礦堆存問題，已成為當(dāng)前實現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展及資源高效利用的關(guān)鍵。土工管袋是一種非常適宜偏細(xì)顆?？焖倜撍探Y(jié)的技術(shù)，自2010年土工管袋從水利行業(yè)引入尾礦工程領(lǐng)域以來，實現(xiàn)了-200目顆粒含量在80%～90%的細(xì)粒尾礦管袋堆壩，解決了細(xì)粒尾礦不適宜直接堆壩的難題[2-4]。然而，在超細(xì)尾礦充灌管袋現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)，管袋極易發(fā)生淤堵，在充灌結(jié)束較長一段時間后管袋無法完全脫水固結(jié)，靠近管袋表層的尾礦形成薄層硬殼，硬殼內(nèi)的尾礦仍然呈高含水率的流塑態(tài)，最終整體形成“表干內(nèi)濕”的狀態(tài)，無法用于堆疊或筑壩，極大地阻礙了管袋技術(shù)在尾礦處置領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者通過深入研究土工織物的淤堵機理發(fā)現(xiàn)，細(xì)微土顆粒對土工織物孔隙造成淤堵的型式主要有兩種：機械淤堵與化學(xué)淤堵；機械淤堵主要是細(xì)顆粒在織物表層的成拱效應(yīng)，而化學(xué)淤堵的產(chǎn)生機理主要是由于漿液中的化學(xué)成分在織物表層的粘附作用。一旦形成淤堵，大量細(xì)顆粒在水力坡降的作用下緊密貼附在土工織物表層，形成低水力滲透性的濾餅結(jié)構(gòu)，從而進一步降低管袋的脫水性能[5-7]。基于上述理論，國內(nèi)工程界技術(shù)人員對細(xì)微顆粒充灌管袋的促排技術(shù)開展了一系列的探索。束一鳴等[8]將電滲技術(shù)用于提高土工管袋的脫水效率；張景輝等[9]將超聲處理結(jié)合絮凝劑用于土工管袋脫水減容；黃佳音等[10]將一定比例的絮凝藥劑與河湖疏浚底泥混合后灌入土工管袋進行脫水調(diào)理，污泥減容效果顯著；吳海民等[11]通過高含黏（粉）充填管袋脫水模型試驗對放水排泥、充排結(jié)合的快速脫水方法進行了驗證。上述工藝技術(shù)都能在一定程度上促進管袋脫水固結(jié)，但其研究領(lǐng)域多集中在圍墾、環(huán)保以及港航工程，充填管袋的漿液也大多來源于天然土料。尾礦與天然土體的物化特征存在較大差異，上述工藝技術(shù)在經(jīng)濟與技術(shù)層面的可行性尚有待驗證。

基于上述狀況，筆者及其研究團隊提出了一套土工管袋真空抽濾物理模型試驗裝置。借助該裝置，對超細(xì)尾礦充灌管袋真空抽濾的作用效果進行了系統(tǒng)論證。研究成果可為有色金屬礦山濕法堆存尾礦庫的筑壩施工提供理論與技術(shù)支撐。

1 土工管袋真空抽濾脫水影響因素

土工管袋真空抽濾脫水，主要集中在兩個階段：第一，管袋充灌階段；在選取等效孔徑滿足排水反濾原則的土工織物制作土工管袋后，采用高壓灌注方式將超細(xì)尾礦充灌大土工管袋中，在管袋將近被灌滿時，通過提高充灌壓力的方式對管袋內(nèi)的尾礦進行擠壓，從而提高管袋內(nèi)的滲透壓力，將尾礦顆粒間的大部分水分?jǐn)D出管袋，但隨著管袋內(nèi)尾礦逐漸趨于密實，滲透性會逐漸降低，充灌壓力對管袋內(nèi)尾礦脫水的影響會逐漸減?。坏诙?，屏漿真空抽吸階段；管袋一次充灌后的屏漿階段通過真空抽吸形成局部壓力差，從而提高真空抽吸區(qū)域水力坡降，促使該部位尾礦顆粒間的殘余水分排出；此外，人工擾動也能夠破壞管袋土工織物附近生成的濾餅結(jié)構(gòu)，從而提高管袋表面層的水力滲透性，有利于進一步改善真空抽濾的實施效果。

在土工管袋充灌階段，尾礦的脫水固結(jié)效率主要受管袋土工織物、尾礦顆粒級配、尾礦濃度以及充灌壓力等因素的影響[12]。在屏漿真空抽濾階段，影響尾礦的脫水固結(jié)效率主要因素為袋內(nèi)尾礦濃度、真空壓強、真空抽濾時間等。

2 土工管袋真空抽濾物理模型試驗設(shè)計

在土工管袋應(yīng)用工程實踐中，需要將管袋逐層堆疊成為特定的結(jié)構(gòu)以滿足擋土、擋水或其它功能需求。為提高施工效率且充分保障管袋結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，要求管袋具有較高的脫水固結(jié)效率，并且具備能夠支撐上層管袋的承載能力，現(xiàn)場試驗對施工具有重要的指導(dǎo)意義。但充灌大型管袋、試驗監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析等工作往往要投入大量的人力、物力與財力，相對而言，規(guī)模較小的物理模型試驗更為經(jīng)濟合理。通過開展土工管袋真空抽濾物理模型試驗，分析不同影響因素下超細(xì)尾礦充灌管袋的脫水效果，從而尋找最適宜現(xiàn)場施工的工藝參數(shù)組合。

2.1 試驗裝置與方案設(shè)計

試驗裝置主要由真空泵、真空釜、真空吸盤、充灌平臺等部件在組成?；驹硎遣捎谜婵毡脼檎婵崭峁┴?fù)壓，通過與真空釜連接的真空吸盤（直徑5.0cm）在管袋頂部表面進行抽濾脫水，管袋內(nèi)尾礦中的水分通過真空吸盤進入到真空釜中，真空釜則起到水氣置換的作用，防止水直接進入到真空泵中。充灌平臺底部設(shè)置錐形濾液匯集艙，管袋模型濾液經(jīng)匯集艙流入底部濾液匯集容器中。試驗中所采用的管袋模型平整鋪放狀態(tài)下呈正方形，邊長為50.0cm，采用150g/m2的塑料扁絲編織土工布縫制而成，設(shè)計充灌厚度為10.0cm。充灌厚度是指管袋充灌完成后，管袋底部與頂部最高點的距離，該距離通過固定在充灌平臺上的限高平桿確定。對于土工管袋工程應(yīng)用，國內(nèi)所采用的的充灌壓強一般在0.1～0.35MPa 之間，國外所采用的充灌壓力則高達2.0MPa 左右。國內(nèi)外管袋的尺寸寬度一般在5～10m 左右，長度范圍一般為5～100m。由于管袋較長，長度取與寬度相同的尺寸，假定原型管袋的長寬均為5.0m，充灌高度為1.0m，物理模型試驗中選取的是長寬均為50cm 的方形，充灌高度為10.0cm，則原型與模型的幾何比尺lp：lm=10：1，重力加速度比尺gp：gm=1：1，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，速度比尺vp：vm=3.162：1，因此流量比尺為316.2：1。模型管袋的充灌流量為85cm3/s，對應(yīng)的原型管袋充灌流量為100m3/h，這與實際工程中所采用的管袋充灌流量也是相符的。

按照實際工程的客觀情況和土工管袋脫水固結(jié)影響因素的主次區(qū)別，選定尾礦濃度和真空壓力作為試驗控制參數(shù)，尾礦濃度選取40%、50%和60%三種，真空壓強選取60.0±3.0kPa、70.0±3.0kPa 和80.0±3.0kPa三種，共計9 組試驗（工況1～9）。實際工程中，真空壓強的最大值為100kPa，原型與模型之間并不完全符合重力相似準(zhǔn)則，出于極限條件測試的考慮，仍選取上述三種壓強水平開展試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 預(yù)實驗

預(yù)實驗結(jié)果顯示，在管袋充灌過程中開展真空抽濾脫水效果最佳，因此，試驗中在相鄰兩次充灌的屏漿階段實施真空抽濾，抽濾時間統(tǒng)一設(shè)為0.5h。為進一步明確真空抽濾的作用效果，同時設(shè)計了三組對照工況（工況DZ-1、DZ-2 和DZ-3）。試驗中所采用的長×寬×厚=50.0cm×50.0cm×10.0cm 的管袋模型，其內(nèi)部最多可容納干尾礦的重量約為40.0kg。試驗工況如表1所示。

表1 土工管袋真空抽濾物理模型試驗工況

3.2 試驗材料特性分析

3.2.1 尾礦物理性質(zhì)

測試結(jié)果表明，該尾礦的真比重為3.68，對應(yīng)含水率18%的密度為2.372×103kg/m3，相應(yīng)的干密度為2.01×103kg/m3。尾礦的顆粒級配如圖1所示，顆粒粒徑級配指標(biāo)如表2所示。

圖1 尾礦顆粒粒徑級配累積曲線

表2 尾礦顆粒粒徑級配指標(biāo)

從圖1、表2 中可以看出，尾礦中的含砂量僅為4.37%，黏粒含量為18.77%，粉粒含量則高達76.86%。此外，尾礦不均勻系數(shù)Cu=14.10＞5，且曲率系數(shù)Cc=1.33介于1～3 之間，由此可見，該尾礦屬于級配良好的尾粉質(zhì)黏土。

3.2.2 土工編織布性能

調(diào)查結(jié)果顯示，在云南思茅山水銅業(yè)有限公司大平掌尾礦庫、昆明湯丹冶金有限責(zé)任公司湯丹尾礦庫和中電投山西鋁業(yè)有限公司上封村赤泥庫等多個管袋筑壩工程項目中，所采用的土工織物均為塑料扁絲編織土工布，單位面積重量一般為150g/m2。為保證試驗結(jié)果具備普遍代表性，采用該種類型土工織物與上述尾礦材料進行試驗。管袋土工編織布的性能指標(biāo)如表3所示。

3.3 模型效率分析

實際工程中，往往期望管袋應(yīng)盡可能快的脫除水分且多保留固體介質(zhì)，同時提高充灌施工效率。分析模型試驗結(jié)果，可嘗試引入充灌效率EG、脫水效率ED和過濾效率EF三個指標(biāo)[13]對不同工況下管袋技術(shù)的應(yīng)用成效進行綜合定量評價。充灌效率定義為充灌礦漿濃度、袋內(nèi)礦漿濃度以及濾液濃度之間的一種比例關(guān)系；脫水效率為管袋內(nèi)礦漿濃度與充灌礦漿濃度的一種比例關(guān)系；過濾效率為充灌礦漿濃度與濾液濃度的一種比例關(guān)系。其計算公式分別為：

式中：Cf為充灌礦漿濃度，為已知條件，%；Cg為管袋內(nèi)礦漿濃度，%；Cp為濾液濃度，%。從公式（1）～（3）可以看出，充灌效率EG可用以衡量充灌礦漿中單位重量固相顆粒有效用于灌袋的比例，亦可稱之為產(chǎn)率；脫水效率ED代表管袋在流失較少固相顆粒的情況下允許水分通過的能力；過濾效率EF則具備判斷管袋在最大排水情況下保留充灌尾礦中固相顆粒的能力?；谖锢砟Ｐ驮囼灲Y(jié)果，各濃度數(shù)值可通過以下公式求得：

式中：wg為管袋內(nèi)礦漿含水率，%；mu為臺下濾液固相重量，kg；mv為抽濾濾液固相重量，kg；Mu為臺下濾液重量，Mv為抽濾濾液重量，kg?；诠剑?）～（5），對土工管袋真空抽濾物理模型試驗的結(jié)果進行歸納整理，結(jié)果如表4所示，充灌、脫水與過濾效率變化曲線如圖2所示。

圖2 管袋的充灌、脫水與過濾效率變化曲線

表4 各工況下管袋的充灌、脫水與過濾效率

從試驗結(jié)果可以看出：

（1）隨著充灌濃度Cf由40%增加到60%，管袋充灌效率EG與過濾效率EF均呈現(xiàn)增長趨勢，增長速率由快變緩，而脫水效率ED則降低顯著，降低幅度接近70%；

（2）當(dāng)充灌濃度Cf為40%時，相對于對照工況組p=0kPa 的效率曲線，真空壓強p=60kPa、70kPa 和80kPa 的真空抽濾工況組脫水效率ED與之差距不大，均接近于100%，而充灌效率EG與過濾效率EF則明顯低于對照工況組，且隨真空壓強p 的增加，兩效率均呈遞減趨勢；

（3）當(dāng)充灌濃度Cf達到50%時，真空抽濾工況組的充灌效率EG與過濾效率EF依然低于對照工況組，但差距在不斷縮小，而其脫水效率ED則開始高于對照組，且隨真空壓強p 的增加，脫水效率ED不斷降低；

（4）當(dāng)濃度Cf增加至60%時，真空抽濾工況組的充灌效率EG、脫水效率ED與對照工況組逐漸接近，而過濾效率EF則稍高于對照工況組，且各效率幾乎不受真空壓強p 的影響。

由此可見，對于超細(xì)尾礦充灌管袋而言，充灌濃度對管袋的充灌、脫水與過濾效率的影響要顯著高于真空壓強，適當(dāng)降低充灌濃度，雖然會對充灌效率和過濾效率造成一定的影響，但卻能夠有效提高管袋的脫水效率。從常規(guī)角度分析，當(dāng)充灌濃度較低且真空壓強越大時，更易于管袋內(nèi)水分排出，真空抽濾作用應(yīng)當(dāng)對管袋的脫水效率影響更為顯著，而試驗結(jié)果卻與該論斷相悖。究其原因，該狀況可能與試驗所采取的方案和濾餅形成有關(guān)。為便于收集濾液，充灌平臺金屬板上設(shè)置了一定數(shù)量的孔洞，導(dǎo)致管袋底部形成透水邊界，原本應(yīng)當(dāng)由管袋側(cè)邊和頂部排出的水分可以通過底部透水邊界排出，增加了重力作用對管袋脫水效率的影響；而真空抽濾位置在管袋頂部表面，水分自下而上排出，真空抽濾作用與重力作用相互抵消，降低了管袋的脫水效率；隨著充灌濃度的增加，重力作用對管袋脫水效率的影響逐漸降低，真空抽濾開始發(fā)揮主要作用，管袋的脫水效率又開始逐漸提高；但真空抽濾也容易在管袋表層形成濾餅，壓強越大，濾餅結(jié)構(gòu)越致密，反而導(dǎo)致脫水效率降低；當(dāng)充灌濃度過高時，由于滲透系數(shù)的劣化，真空抽濾作用效果亦折減嚴(yán)重，直至無法影響脫水效率。因此，真空抽濾作用的充分發(fā)揮需要適宜的充灌濃度和盡可能低的真空壓強。

4 結(jié)論

通過對超細(xì)尾礦充灌管袋開展真空抽濾脫水試驗，分析試驗過程和結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）脫水效率與過濾效率是以管袋本身為研究對象提出的兩個用以評價管袋技術(shù)應(yīng)用成效的關(guān)鍵指標(biāo)，已成功并廣泛應(yīng)用于大量工程實踐；但以工程整體來看，一定重量的充灌漿液中究竟有多少固相顆粒能夠被有效充灌至管袋中，關(guān)乎施工成本，亦需重點關(guān)注，建議引入充灌效率以完善指標(biāo)體系；

（2）管袋的充灌、脫水與過濾效率受充灌濃度影響較大，適當(dāng)降低充灌濃度雖會在一定程度上影響充灌效率與過濾效率，但相對于脫水效率提高的幅度以及由此帶來的施工效率的增加，原則上是能夠接受的；但也需注意，過低的充灌濃度將可能成倍增加泵送系統(tǒng)能耗，充灌濃度的選擇需要做經(jīng)濟、技術(shù)層面的綜合規(guī)劃；

（3）囿于模型試驗客觀條件限制，管袋模型無論從尺寸還是邊界條件，都與實際工程存在一定的差異，但從現(xiàn)有試驗結(jié)果來看，真空抽濾作用雖然帶來了額外的固相顆粒流失，在有限幅度上降低了管袋的充灌和過濾效率，但從改善管袋的脫水效率，提高施工效率角度而言仍具有積極意義，可為各領(lǐng)域相近工程施工提供技術(shù)借鑒。