尾砂模袋充填試驗研究

劉曉峰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

尾礦庫是用于貯存選礦后尾礦的重要設施，截至2017 年底，我國共有7 793 座尾礦庫[1]，其中約有70%的尾礦庫采用上游式筑壩[2]。隨著選礦工藝的愈加成熟以及礦產資源綜合利用水平的提高， 從選礦廠出來的尾礦也越來越細， 給傳統的上游式尾砂筑壩帶來了不少難題。如筑壩困難導致堆積高度受限，壩體排滲不暢引起壩體浸潤線偏高，干灘坡度較緩導致安全超高和調洪水深不足，以及尾砂固結較慢導致壩體穩定性降低等[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品[4]，已成功應用于水利、水電、公路、鐵路、海港以及軍工等領域，其具有以下優點：1）模袋一次充灌成型，施工工藝簡便，速度較快；2）袋內充填材料通常能就地取材，價格便宜，能大大節省工程投資；3）具有一定的透水性，多余水分通過袋體織物孔隙滲出， 加快充灌材料的固結速度， 提高其抗壓強度。 近些年土工模袋在尾礦行業，特別是在細粒尾砂筑壩中也得到了廣泛運用[5]。

本文擬通過尾砂模袋充填試驗， 測定土工模袋的“存粗去細”效果。 同時了解不同粒徑尾砂充填模袋后，模袋內尾砂的粒徑、含水率、物理力學性能及固結效果，為細粒尾砂筑壩提供技術參考。

1 試驗研究

1.1 概況

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

圖1 模袋充填試驗現場

1.2 研究內容

試驗研究內容主要分為3 個部分：1）全尾尾砂及分級尾砂在充填模袋前后尾砂粒徑變化情況；2）全尾尾砂及分級尾砂充填模袋前后含水率變化情況；3）全尾尾砂及分級尾砂充填模袋后的物理力學性能指標對比情況。

2 試驗結果及分析

2.1 尾砂粒徑

分別對全尾尾砂和分級尾砂充填模袋前、全尾尾砂充填模袋前后、分級尾砂充填模袋前后以及分級尾砂和全尾尾砂充填模袋后的尾砂進行粒徑對比，具體見圖2～圖5。

圖2 全尾及分級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 分級尾砂充填模袋前后粒徑分布

圖5 分級尾砂粒徑及全尾充填成型后粒徑分布

由圖2～圖5 可知：1）全尾尾砂經過旋流器分級后，-19 μm 的尾砂量由原來的39.2%降至21.8%，降低幅度為 44.4%。 +50 μm 的尾砂量由原來的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 的尾砂量由原來的66.5%降至34.3%，降低幅度為48.4%。+74 μm 的尾砂量由原來的21.8%增至47.9%，增加幅度為119.7%；3）分級尾砂充填模袋后，-37 μm 的尾砂量由原來的51.5%降至20.1%，降低幅度為61.0%。 +74 μm 的尾砂量由原來的27.1%增至57.9%，增加幅度為113.7%；4）全尾尾砂經過旋流器分級后，-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過旋流器分級后的要粗，模袋具有較好的尾砂分級效果。

2.2 尾砂含水率

對全尾尾砂及分級尾砂在灌入模袋前、 模袋成型滲出清液及模袋成型不再滲水時段的含水率情況進行對比，各階段含水率情況見圖6。

圖6 全尾及分級尾砂模袋充填前后含水率變化

由圖6 可知：1）全尾尾砂沖灌時含水率為424.7%，模袋成型滲出清液時含水率為74.8%， 模袋成型不再滲水時含水率為34.9%；2）分級尾砂沖灌時含水率為156.0%，模袋成型滲出清液時含水率為35.6%，模袋成型不再滲水時含水率為24.7%；3）由于分級尾砂系全尾尾砂采用旋流器分級選得， 灌入模袋時帶入至模袋內的水量相應大幅減少，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，分級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，分級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%。

同時根據試驗確定， 分級尾砂在模袋中成型時間較短，僅約1 d，而全尾尾砂在模袋中成型時間較長，約7 d，且分級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，固結速度要快。

2.3 尾砂物理力學性能

在充填模袋成型且不滲出滲濾液后， 對模袋內全尾尾砂及分級尾砂分別進行取樣， 并與未充填的全尾尾砂性能進行對比，見表1。

表1 充填模袋前后尾砂物理力學性能指標

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

3 結論

1）全尾尾砂經過旋流器分級后，-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過旋流器分級后的要粗，模袋具有較好的尾砂分級效果。

2）全尾尾砂充填模袋成型時的天然抗剪強度較固結快剪強度指標相差相對較大，固結時間較長；而分級尾砂充填模袋成型時的天然抗剪與固結快剪強度指標相接近，固結時間較短。

3）充填模袋的全尾尾砂固結抗剪強度指標僅約分級尾砂的一半，故模袋內充填的尾砂粒徑越粗，尾礦水從模袋內析出越快，模袋成型時間越短，抗剪強度指標越好。

4）模袋具有較好的尾砂分級效果，能夠“存粗去細”，對于難于直接筑壩的細粒尾砂，可考慮先采用模袋法或尾砂分級后，再采用模袋法進行堆壩。