韓亞兵，崔 旋，郄永波

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628)

隨著我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加以及選礦工藝水平的日益提高，細(xì)粒尾礦堆存問(wèn)題已成為尾礦處理技術(shù)遇到的重要難題之一，且廣泛存在于我國(guó)金礦、銅礦、鉛鋅礦、氧化鋁礦等諸多領(lǐng)域。如近年來(lái)一些黃金礦山為提高金的回收率，致使排入尾礦庫(kù)內(nèi)的尾礦-74 μm含量占90%以上，-37 μm達(dá)70 %左右。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)粒尾礦堆積壩體透水性差、固結(jié)速度慢、浸潤(rùn)線高、干灘面坡度緩、力學(xué)性質(zhì)差，不利于壩的穩(wěn)定性[1]。為此，Vinod K. Garga等[2]以秘魯?shù)腃audalosa尾礦壩為例，其尾礦-74 μm達(dá)到90%，將部分軟黏土用壓實(shí)的礦山廢棄物填充及增加排水措施的方法有效治理了大壩不穩(wěn)定的情況；趙暉[3]提出采用土工布加筋處理堆壩技術(shù)來(lái)增加細(xì)粒尾礦壩體抗滑力；郭友謙[4]提出了將水力旋流器筑壩工藝應(yīng)用在細(xì)粒尾礦筑壩中，并與分散放礦相結(jié)合；王文松等[5]研究表明通過(guò)高筑初期壩、合理設(shè)置排滲設(shè)施并增設(shè)塊石貼坡,可使高地震區(qū)細(xì)粒尾礦上游法尾礦壩靜、動(dòng)力穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范要求；余新洲[6]采用水平土工席墊+垂直塑料盲溝排滲技術(shù)有效降低了細(xì)粒尾礦壩體浸潤(rùn)線,并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了其有效性;周漢民等[7]提出采用模袋法技術(shù)堆筑子壩的新型筑壩方式并成功運(yùn)用；2015年德國(guó)的Marie-Therese van Keβel[9]將模袋法技術(shù)應(yīng)用于Tavivaare尾礦庫(kù)尾礦堆壩中，實(shí)踐表明模袋法尾礦壩具有較好的脫水固結(jié)及穩(wěn)定性能；劉斯宏等[10]應(yīng)用Fellenius法對(duì)模袋加固的某膨脹土邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算；李巧燕等[11]通過(guò)斜坡滑移、直剪、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，研究了“模袋法”筑壩工藝中模袋尾礦的摩擦性能與受壓破壞規(guī)律。然而，針對(duì)-74 μm含量達(dá)90%左右的超細(xì)尾礦且黏粒含量較多、筑壩時(shí)間有限的地區(qū)，直接采用細(xì)粒尾礦單一處置方式筑壩仍面臨諸多問(wèn)題。因此，本文提出采用筑壩裝備分級(jí)與模袋堆壩相結(jié)合的方式來(lái)開(kāi)展細(xì)粒尾礦新型模袋法堆壩技術(shù)研究。通過(guò)不同模袋材質(zhì)下分級(jí)尾礦模袋堆壩工業(yè)試驗(yàn)，將有助于了解在模袋法堆壩過(guò)程中尾礦作用規(guī)律、力學(xué)特性以及模袋材質(zhì)對(duì)堆壩的影響等，為深入研究細(xì)粒尾礦模袋法堆壩技術(shù)及其推廣奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究細(xì)粒分級(jí)尾礦模袋法堆壩技術(shù)作用機(jī)理以及模袋材質(zhì)對(duì)堆壩效果影響情況，分別采用室內(nèi)全顆粒尾礦力學(xué)試驗(yàn)、不同模袋材質(zhì)分級(jí)尾礦模袋堆壩工業(yè)試驗(yàn)、固結(jié)后袋內(nèi)尾礦力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)等方法對(duì)細(xì)粒尾礦、分級(jí)尾礦以及不同材質(zhì)模袋體進(jìn)行試驗(yàn)研究。以甘肅某細(xì)粒尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)為研究對(duì)象，試驗(yàn)主要設(shè)備采用北京礦冶科技集團(tuán)有限公司研制的自動(dòng)分級(jí)模袋筑壩裝備。具體設(shè)計(jì)包括下列3部分試驗(yàn)內(nèi)容。

1)全粒徑細(xì)粒尾礦力學(xué)試驗(yàn)：根據(jù)尾礦沿庫(kù)內(nèi)干灘面粒徑分布情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)細(xì)粒尾礦進(jìn)行取樣、蠟封并運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)細(xì)粒尾礦密度、顆粒級(jí)配、孔隙比及直剪試驗(yàn)等，相應(yīng)的試驗(yàn)稱(chēng)為1#試驗(yàn)。

2)不同模袋材質(zhì)分級(jí)尾礦模袋堆壩工業(yè)試驗(yàn)：通過(guò)自動(dòng)分級(jí)筑壩裝備對(duì)細(xì)粒尾礦進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后尾礦充灌至不同材質(zhì)的模袋內(nèi)完成模袋堆壩。其中，模袋采用扁絲與圓絲兩種(模袋主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1)，模袋堆壩尺寸為底寬15 m，頂寬5 m，高2.5 m，長(zhǎng)20 m，內(nèi)外坡比1∶2。堆壩過(guò)程中分析模袋材質(zhì)對(duì)壩體脫水效率和充灌效率的影響以及模袋壩體固結(jié)度隨時(shí)間變化規(guī)律及演變特性，相應(yīng)的試驗(yàn)稱(chēng)為2#試驗(yàn)。

3)固結(jié)后袋內(nèi)尾礦力學(xué)特性試驗(yàn)：針對(duì)扁絲、圓絲模袋體固結(jié)45 d后壩體進(jìn)行取樣，蠟封運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展袋內(nèi)尾礦粒度、滲透及直剪試驗(yàn)等，全面研究模袋內(nèi)分級(jí)尾礦的力學(xué)性質(zhì)，相應(yīng)試驗(yàn)稱(chēng)為3#試驗(yàn)。

表1 土工模袋主要參數(shù)指標(biāo)

上述3部分試驗(yàn)內(nèi)容分別從細(xì)粒尾礦、分級(jí)尾礦模袋體、不同模袋材質(zhì)以及固結(jié)后袋內(nèi)尾砂力學(xué)性質(zhì)等方面開(kāi)展細(xì)粒分級(jí)尾礦模袋法研究。其中1#試驗(yàn)可得到所用細(xì)粒尾礦各項(xiàng)物理性質(zhì)，為后續(xù)試驗(yàn)提供基礎(chǔ)；2#試驗(yàn)是為研究分級(jí)尾礦模袋堆壩固結(jié)規(guī)律以及模袋材質(zhì)對(duì)壩體堆壩效率的影響效應(yīng)；3#試驗(yàn)是對(duì)袋內(nèi)固結(jié)分級(jí)尾礦力學(xué)特性進(jìn)行研究，揭示固結(jié)后模袋體強(qiáng)度及滲透性能等，可為分級(jí)尾礦模袋法堆壩穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)。

2 細(xì)粒分級(jí)尾礦模袋堆壩試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)粒尾礦力學(xué)試驗(yàn)

按照前面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，1#試驗(yàn)分別開(kāi)展了顆粒分級(jí)試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)，其中顆粒分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

從圖1可見(jiàn)，細(xì)粒尾礦中粒徑d<19 μm 的粒徑含量為49.83%，d>37μm 的粒徑含量為29.83%，d>74 μm的粒徑含量為11.26%，顆?；痉植荚诹?～74 μm，其含量占總量的87.84%。試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該全顆粒尾礦屬于細(xì)粒尾礦。對(duì)其進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)物理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 全顆粒尾礦粒徑分析結(jié)果Fig.1 Grain-size analysis result of tailings

尾礦顆粒組成決定著壩體的滲透性能、壓縮和剪切強(qiáng)度性能以及材料的抗液化性能，是影響壩體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。從表2可見(jiàn)，細(xì)粒尾礦含水率較高，相當(dāng)于不易排水固結(jié)的淤泥。在自然放礦情況下，材料力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較低，難以滿(mǎn)足堆壩穩(wěn)定性的要求。

2.2 分級(jí)尾礦模袋堆壩工業(yè)試驗(yàn)

2#分級(jí)尾礦模袋堆壩工業(yè)試驗(yàn)步驟包括尾礦分級(jí)、鋪袋、稀釋、充灌、排水固結(jié)以及交錯(cuò)堆壩等，試驗(yàn)場(chǎng)地見(jiàn)圖2。依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，由自動(dòng)分級(jí)筑壩裝備對(duì)全顆粒尾礦進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后尾礦粒度見(jiàn)圖3。由圖4可知，分級(jí)尾礦-74 μm含量為53.87%，較全尾礦明顯提高粗顆粒含量。根據(jù)壩體尺寸形式，由分級(jí)后尾礦進(jìn)行扁絲、圓絲模袋現(xiàn)場(chǎng)堆壩工業(yè)試驗(yàn)，堆壩完成后，在模袋體固結(jié)1、3、5、7、9 d時(shí)分別取袋內(nèi)尾礦開(kāi)展密度、含水率測(cè)定試驗(yàn)，對(duì)比分析扁絲與圓絲模袋體固結(jié)效率。堆壩完成后壩體效果見(jiàn)圖4。

表2 細(xì)粒尾礦物理試驗(yàn)指標(biāo)

圖2 工業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.2 Industrial test site

圖3 分級(jí)尾礦粒徑分析結(jié)果Fig.3 Grain-size analysis result of graded tailings

圖4 現(xiàn)場(chǎng)堆壩試驗(yàn)效果圖(左為圓絲、右為扁絲)Fig.4 Effect picture of field damming test(the round silk geofabriform on the left and the flat silk geofabriform on the right)

1)充灌效率：保證模袋內(nèi)尾砂充灌至相同高度(80 cm)時(shí)，扁絲模袋邊充灌邊排水基本可實(shí)現(xiàn)充灌1次至模袋體指定高度，圓絲模袋需重復(fù)充灌2～3次，到一定高度后需先排水再進(jìn)行第二次充灌；充灌相同量的分級(jí)尾砂，經(jīng)前期排水后，圓絲模袋體較扁絲模袋體成型后高度??；主要是由于圓絲模袋袋體材質(zhì)較軟，充灌過(guò)程中袋體易發(fā)生側(cè)向變形，致使所需充灌次數(shù)更多，而且袋體成型高度較小。

2)脫水性能：分析模袋充灌過(guò)程中脫水狀況，可以定性評(píng)價(jià)模袋材料的脫水性能。隨著充灌高度的不斷增加，袋內(nèi)尾礦中水分在水力梯度作用下從模袋孔徑中不斷溢出，逐漸由少增多再減少，且逐漸變渾濁。其中，圓絲模袋較扁絲模袋脫水更快、溢出細(xì)顆粒量更少、脫水更清澈。兩種模袋脫水情況見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 扁絲模袋脫水性能Fig.5 Dewatering property of flat silk geofabriform

圖6 圓絲模袋脫水性能Fig.6 Dewatering property of round silk geofabriform

3)固結(jié)排水效率：扁絲、圓絲模袋體固結(jié)1、3、5、7、9 d后密度、含水隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖7、圖8。

由圖7、8可知，扁絲與圓絲模袋內(nèi)尾砂含水率都隨固結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)而不斷降低，圓絲模袋固結(jié)后尾砂含水率略低于扁絲模袋，表明圓絲模袋的固結(jié)速率較扁絲模袋快。扁絲模袋內(nèi)尾砂干密度隨固結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增加，固結(jié)時(shí)間相同條件下扁絲模袋內(nèi)尾砂干密度略大于圓絲模袋，主要是由于扁絲模袋孔隙率較大，細(xì)顆粒較多的溢出，致使扁絲模袋內(nèi)粗顆粒含量相對(duì)增多，干密度稍有提高。

圖7 含水率曲線對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of moisture content curve

圖8 密度曲線對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of density curve

2.3 固結(jié)后袋內(nèi)尾礦力學(xué)特性試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，3#試驗(yàn)分別針對(duì)扁絲模袋、圓絲模袋內(nèi)固結(jié)45 d后尾礦開(kāi)展了顆粒分級(jí)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)，其中顆粒分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9所示。

圖9 粒徑曲線圖(扁絲模袋)Fig.9 Grain-size curve of graded tailings(the flat silk geofabriform)

圖10 粒徑曲線圖(圓絲模袋)Fig.10 Grain-size curve of graded tailings(the round silk geofabriform)

對(duì)比兩種模袋內(nèi)尾礦，扁絲和圓絲粒徑含量分別為：d<19 μm含量為17.48%和19.12%，d>37 μm含量為73.39%和71.95%，d>74μm的粒徑含量為48.92%和48.26%，表明扁絲模袋內(nèi)粗顆粒含量較圓絲模袋多。從兩種模袋材質(zhì)角度來(lái)看，扁絲模袋的表面孔徑相對(duì)較大，在充灌過(guò)程中部分細(xì)顆粒沿孔徑溢出，因此充灌完成后扁絲模袋內(nèi)粗顆粒含量相對(duì)較多。對(duì)其進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)物理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析如下：

1)造成模袋壩體充灌效率、脫水性能、固結(jié)排水效率以及固結(jié)后袋內(nèi)尾砂力學(xué)指標(biāo)不同的原因主要在于兩種模袋等效孔徑O90不同，致使濾水性能存在較大差異。相對(duì)于扁絲模袋，圓絲模袋孔徑較小但孔徑百分比大，表現(xiàn)為圓絲模袋保砂濾水性能比扁絲模袋更佳，更有利于模袋體的脫水與固結(jié)。

表3 分級(jí)尾礦物理試驗(yàn)指標(biāo)

2)對(duì)比充灌分級(jí)尾礦與固結(jié)后袋內(nèi)尾礦粒度，-74 μm含量均在52%左右，其他粒徑含量也變化不大，說(shuō)明由于模袋的保砂濾水作用，分級(jí)后尾礦灌入模袋后流失較少，提高了尾礦的堆壩利用率。同時(shí)也驗(yàn)證了，全粒徑尾礦-74 μm含量在90% 左右甚至更大時(shí)，可采用筑壩裝備與模袋法相結(jié)合的方式進(jìn)行堆壩，解決了細(xì)粒尾砂不適于直接堆壩的難題。

3)從尾礦力學(xué)特性試驗(yàn)來(lái)看，分級(jí)尾砂固結(jié)45 d后，較全尾礦干密度、滲透性及力學(xué)強(qiáng)度均有顯著提高，而含水率降低，表明分級(jí)尾礦更易排水固結(jié)，同時(shí)由于模袋保砂濾水性能的加持，更提升了筑壩效率和模袋壩體強(qiáng)度。

4)由現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知，采用分級(jí)尾礦與模袋法相結(jié)合的方式堆壩，分級(jí)尾礦固結(jié)7～9 d，袋內(nèi)尾礦含水率可降至25%左右，而現(xiàn)場(chǎng)全尾排礦固結(jié)半年以上，壩前表層粗顆粒尾礦含水量才能達(dá)到25%左右。可見(jiàn)，采用該方式堆壩可極大地提高筑壩效率。

5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，形成了生產(chǎn)—分級(jí)—稀釋—充灌—堆壩之間有序結(jié)合的實(shí)施流程，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)技術(shù)安全、高效的工業(yè)化實(shí)施。

3 結(jié)論

通過(guò)以上3部分試驗(yàn)，反映細(xì)粒分級(jí)尾礦模袋法堆壩作用機(jī)理及模袋材質(zhì)對(duì)堆壩固結(jié)效果等的影響，就本試驗(yàn)結(jié)果而言，得到如下結(jié)論：

1) 采用筑壩裝備與模袋法相結(jié)合的堆壩方式，可一定程度上解決-74 μm含量在90%左右甚至含量更大的細(xì)粒尾礦堆壩難題，在提高固結(jié)和筑壩效率的同時(shí)，拓寬了尾礦堆壩所要求的粒徑范圍。

2) 模袋材質(zhì)的不同直接引起充灌效率、脫水性能、固結(jié)效率及袋體強(qiáng)度等指標(biāo)的差異，因此，在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)模袋堆壩前應(yīng)根據(jù)尾礦粒徑性質(zhì)、施工現(xiàn)場(chǎng)條件確定好適宜的模袋材質(zhì)。

3) 形成了完整的筑壩裝備與模袋法相結(jié)合的分級(jí)尾礦模袋堆壩工藝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)安全、高效的工業(yè)化實(shí)施。

4) 從試驗(yàn)角度說(shuō)明了細(xì)粒分級(jí)尾礦模袋法堆壩作用機(jī)理，但還不能得出其它復(fù)雜工況下的具體機(jī)理參數(shù)，有待于設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。