基于不同模袋材質的細粒分級尾礦模袋堆壩工業試驗研究

韓亞兵，崔 旋，郄永波

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102628)

隨著我國對礦產資源需求量的不斷增加以及選礦工藝水平的日益提高，細粒尾礦堆存問題已成為尾礦處理技術遇到的重要難題之一，且廣泛存在于我國金礦、銅礦、鉛鋅礦、氧化鋁礦等諸多領域。如近年來一些黃金礦山為提高金的回收率，致使排入尾礦庫內的尾礦-74 μm含量占90%以上，-37 μm達70 %左右。一般來說，細粒尾礦堆積壩體透水性差、固結速度慢、浸潤線高、干灘面坡度緩、力學性質差，不利于壩的穩定性[1]。為此，Vinod K. Garga等[2]以秘魯的Caudalosa尾礦壩為例，其尾礦-74 μm達到90%，將部分軟黏土用壓實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定的情況；趙暉[3]提出采用土工布加筋處理堆壩技術來增加細粒尾礦壩體抗滑力；郭友謙[4]提出了將水力旋流器筑壩工藝應用在細粒尾礦筑壩中，并與分散放礦相結合；王文松等[5]研究表明通過高筑初期壩、合理設置排滲設施并增設塊石貼坡,可使高地震區細粒尾礦上游法尾礦壩靜、動力穩定性達到規范要求；余新洲[6]采用水平土工席墊+垂直塑料盲溝排滲技術有效降低了細粒尾礦壩體浸潤線,并通過數值模擬驗證了其有效性;周漢民等[7]提出采用模袋法技術堆筑子壩的新型筑壩方式并成功運用；2015年德國的Marie-Therese van Keβel[9]將模袋法技術應用于Tavivaare尾礦庫尾礦堆壩中，實踐表明模袋法尾礦壩具有較好的脫水固結及穩定性能；劉斯宏等[10]應用Fellenius法對模袋加固的某膨脹土邊坡進行了穩定性驗算；李巧燕等[11]通過斜坡滑移、直剪、無側限壓縮試驗，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律。然而，針對-74 μm含量達90%左右的超細尾礦且黏粒含量較多、筑壩時間有限的地區，直接采用細粒尾礦單一處置方式筑壩仍面臨諸多問題。因此，本文提出采用筑壩裝備分級與模袋堆壩相結合的方式來開展細粒尾礦新型模袋法堆壩技術研究。通過不同模袋材質下分級尾礦模袋堆壩工業試驗，將有助于了解在模袋法堆壩過程中尾礦作用規律、力學特性以及模袋材質對堆壩的影響等，為深入研究細粒尾礦模袋法堆壩技術及其推廣奠定基礎。

1 試驗設計

為研究細粒分級尾礦模袋法堆壩技術作用機理以及模袋材質對堆壩效果影響情況，分別采用室內全顆粒尾礦力學試驗、不同模袋材質分級尾礦模袋堆壩工業試驗、固結后袋內尾礦力學性質試驗等方法對細粒尾礦、分級尾礦以及不同材質模袋體進行試驗研究。以甘肅某細粒尾礦庫現場工業試驗為研究對象，試驗主要設備采用北京礦冶科技集團有限公司研制的自動分級模袋筑壩裝備。具體設計包括下列3部分試驗內容。

1)全粒徑細粒尾礦力學試驗：根據尾礦沿庫內干灘面粒徑分布情況，對現場細粒尾礦進行取樣、蠟封并運送至實驗室開展相關細粒尾礦密度、顆粒級配、孔隙比及直剪試驗等，相應的試驗稱為1#試驗。

2)不同模袋材質分級尾礦模袋堆壩工業試驗：通過自動分級筑壩裝備對細粒尾礦進行分級，分級后尾礦充灌至不同材質的模袋內完成模袋堆壩。其中，模袋采用扁絲與圓絲兩種(模袋主要參數指標見表1)，模袋堆壩尺寸為底寬15 m，頂寬5 m，高2.5 m，長20 m，內外坡比1∶2。堆壩過程中分析模袋材質對壩體脫水效率和充灌效率的影響以及模袋壩體固結度隨時間變化規律及演變特性，相應的試驗稱為2#試驗。

3)固結后袋內尾礦力學特性試驗：針對扁絲、圓絲模袋體固結45 d后壩體進行取樣，蠟封運至實驗室開展袋內尾礦粒度、滲透及直剪試驗等，全面研究模袋內分級尾礦的力學性質，相應試驗稱為3#試驗。

表1 土工模袋主要參數指標

上述3部分試驗內容分別從細粒尾礦、分級尾礦模袋體、不同模袋材質以及固結后袋內尾砂力學性質等方面開展細粒分級尾礦模袋法研究。其中1#試驗可得到所用細粒尾礦各項物理性質，為后續試驗提供基礎；2#試驗是為研究分級尾礦模袋堆壩固結規律以及模袋材質對壩體堆壩效率的影響效應；3#試驗是對袋內固結分級尾礦力學特性進行研究，揭示固結后模袋體強度及滲透性能等，可為分級尾礦模袋法堆壩穩定性分析提供基礎。

2 細粒分級尾礦模袋堆壩試驗結果與分析

2.1 細粒尾礦力學試驗

按照前面設計的試驗方案，1#試驗分別開展了顆粒分級試驗、密度試驗、滲透試驗以及直剪試驗，其中顆粒分級試驗結果見圖1所示。

從圖1可見，細粒尾礦中粒徑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%，顆粒基本分布在粒徑1～74 μm，其含量占總量的87.84%。試驗結果來看，該全顆粒尾礦屬于細粒尾礦。對其進一步開展相關物理試驗結果見表2。

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

尾礦顆粒組成決定著壩體的滲透性能、壓縮和剪切強度性能以及材料的抗液化性能，是影響壩體穩定性的重要指標。從表2可見，細粒尾礦含水率較高，相當于不易排水固結的淤泥。在自然放礦情況下，材料力學性質指標較低，難以滿足堆壩穩定性的要求。

2.2 分級尾礦模袋堆壩工業試驗

2#分級尾礦模袋堆壩工業試驗步驟包括尾礦分級、鋪袋、稀釋、充灌、排水固結以及交錯堆壩等，試驗場地見圖2。依據試驗設計，由自動分級筑壩裝備對全顆粒尾礦進行分級，分級后尾礦粒度見圖3。由圖4可知，分級尾礦-74 μm含量為53.87%，較全尾礦明顯提高粗顆粒含量。根據壩體尺寸形式，由分級后尾礦進行扁絲、圓絲模袋現場堆壩工業試驗，堆壩完成后，在模袋體固結1、3、5、7、9 d時分別取袋內尾礦開展密度、含水率測定試驗，對比分析扁絲與圓絲模袋體固結效率。堆壩完成后壩體效果見圖4。

表2 細粒尾礦物理試驗指標

圖2 工業試驗場地Fig.2 Industrial test site

圖3 分級尾礦粒徑分析結果Fig.3 Grain-size analysis result of graded tailings

圖4 現場堆壩試驗效果圖(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：保證模袋內尾砂充灌至相同高度(80 cm)時，扁絲模袋邊充灌邊排水基本可實現充灌1次至模袋體指定高度，圓絲模袋需重復充灌2～3次，到一定高度后需先排水再進行第二次充灌；充灌相同量的分級尾砂，經前期排水后，圓絲模袋體較扁絲模袋體成型后高度小；主要是由于圓絲模袋袋體材質較軟，充灌過程中袋體易發生側向變形，致使所需充灌次數更多，而且袋體成型高度較小。

2)脫水性能：分析模袋充灌過程中脫水狀況，可以定性評價模袋材料的脫水性能。隨著充灌高度的不斷增加，袋內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、溢出細顆粒量更少、脫水更清澈。兩種模袋脫水情況見圖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)固結排水效率：扁絲、圓絲模袋體固結1、3、5、7、9 d后密度、含水隨時間變化規律見圖7、圖8。

由圖7、8可知，扁絲與圓絲模袋內尾砂含水率都隨固結時間增長而不斷降低，圓絲模袋固結后尾砂含水率略低于扁絲模袋，表明圓絲模袋的固結速率較扁絲模袋快。扁絲模袋內尾砂干密度隨固結時間增長而不斷增加，固結時間相同條件下扁絲模袋內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，細顆粒較多的溢出，致使扁絲模袋內粗顆粒含量相對增多，干密度稍有提高。

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

圖8 密度曲線對比圖Fig.8 Comparison diagram of density curve

2.3 固結后袋內尾礦力學特性試驗

按照設計的試驗方案，3#試驗分別針對扁絲模袋、圓絲模袋內固結45 d后尾礦開展了顆粒分級試驗、滲透試驗以及直剪試驗，其中顆粒分級試驗結果見圖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)

對比兩種模袋內尾礦，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%，表明扁絲模袋內粗顆粒含量較圓絲模袋多。從兩種模袋材質角度來看，扁絲模袋的表面孔徑相對較大，在充灌過程中部分細顆粒沿孔徑溢出，因此充灌完成后扁絲模袋內粗顆粒含量相對較多。對其進一步開展相關物理試驗結果見表3。

2.4 試驗結果分析

針對以上試驗結果進行分析如下：

1)造成模袋壩體充灌效率、脫水性能、固結排水效率以及固結后袋內尾砂力學指標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。相對于扁絲模袋，圓絲模袋孔徑較小但孔徑百分比大，表現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。

表3 分級尾礦物理試驗指標

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

3)從尾礦力學特性試驗來看，分級尾砂固結45 d后，較全尾礦干密度、滲透性及力學強度均有顯著提高，而含水率降低，表明分級尾礦更易排水固結，同時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度。

4)由現場工業試驗可知，采用分級尾礦與模袋法相結合的方式堆壩，分級尾礦固結7～9 d，袋內尾礦含水率可降至25%左右，而現場全尾排礦固結半年以上，壩前表層粗顆粒尾礦含水量才能達到25%左右。可見，采用該方式堆壩可極大地提高筑壩效率。

5)通過現場工業試驗，形成了生產—分級—稀釋—充灌—堆壩之間有序結合的實施流程，實現了整個技術安全、高效的工業化實施。

3 結論

通過以上3部分試驗，反映細粒分級尾礦模袋法堆壩作用機理及模袋材質對堆壩固結效果等的影響，就本試驗結果而言，得到如下結論：

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

2) 模袋材質的不同直接引起充灌效率、脫水性能、固結效率及袋體強度等指標的差異，因此，在開展現場模袋堆壩前應根據尾礦粒徑性質、施工現場條件確定好適宜的模袋材質。

3) 形成了完整的筑壩裝備與模袋法相結合的分級尾礦模袋堆壩工藝技術，可實現技術安全、高效的工業化實施。

4) 從試驗角度說明了細粒分級尾礦模袋法堆壩作用機理，但還不能得出其它復雜工況下的具體機理參數，有待于設計新的試驗方法進行測定。