西石門鐵礦水泥－全尾砂料漿沉降性能的研究

侯運炳，彭 勃，2，王炳文，劉會臣，王永康，石森森

（1.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京100083；2.山西焦煤集團有限責任公司，山西太原030000）

尾礦固結排放工藝要求在全尾砂料漿中添加一定比例的水泥，攪拌均勻后將其濃縮脫水，形成尾砂固結體，然后堆存在地表適當位置［1－2］。水泥－全尾砂混合料漿是一種多相人工復合的混凝土類材料，其強度和變形受到料漿凝固前的沉降性質影響。在一定的區域中，不同粒徑物料固體顆粒的沉降運動速度和方向雜亂無章的［3］。顆粒間相互干擾，沉降速度降低，促使料漿在過濾機槽體內均勻分布，有助于提高過濾機的生產效率。當進行過濾物料排放時，料漿將會產生一定的離析現象，而且含水越多，粒徑分布越不合理，料漿離析越嚴重。針對西石門鐵礦全尾砂含泥量高、漿體脫水難的特點，對不同濃度的全尾砂漿和水泥－全尾砂料漿進行實驗室沉降實驗，分析了沉降參量隨濃度、膠凝材料和膠凝材料水化時間的變化規律。

1 水泥－全尾砂料漿沉降實驗

1.1 實驗材料

1.1.1 全尾砂

取自西石門鐵礦的全尾砂。西石門鐵礦全尾砂化學成分分析結果如表1所示，該分析結果是由北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室提供。物理性能指標測定結果如表2所示。采用歐美克LS－C（11A）激光粒度分析儀分析西石門鐵礦全尾砂的粒級分布，結果如圖1所示。西石門鐵礦全尾砂的粒度組成特征值為d10＝54.1μm、d30＝117.2μm、d60＝224.0μm中值粒徑d50＝190μm。顆粒粒徑主要集中在80～300μm之間。全尾砂不均勻系數Cu＝4.14＜5、曲率半徑Cc＝1.13，屬于級配不良材料。

1.1.2 膠凝材料

包括普硅酸鹽水泥（P.O42.5，武安市新峰水泥有限責任公司）和礦渣硅酸鹽水泥（P.S32.5，武安市新峰水泥有限責任公司），以及新型全尾砂固化劑TC－Ⅰ和 TC－Ⅱ。

1.1.3 實驗用水

實驗砂漿配制用水采用未經處理的城市自來水。

表1 西石門鐵礦全尾砂主要化學成分分析

表2 西石門鐵礦全尾砂物理性能

圖1 西石門鐵礦全尾砂粒級分布曲線

1.2 實驗設計

全尾砂沉降性能對水泥－全尾砂混合料漿的物理、化學性質具有較大影響。它決定著過濾機槽體中料漿的沉降特性。混合料漿（全尾砂漿）一般在攪拌后最初階段常常處于亞飽和狀態，由于毛細壓力和固體顆粒自重作用自然沉降。并且在靜止放置后，隨著時間的延長，混合料漿體積減小并產生脫水，經歷沉降、壓密自然沉降過程。目前，西石門鐵礦固結排放工段18m濃密機的底流濃度42%～52%。根據中國礦業大學（北京）所提供的研究成果，確定水泥－全尾砂混合料漿中灰砂比約為3%。西石門鐵礦固結排放工段圓盤真空過濾機的入料為18m濃密機的底流和外加3%的水泥的混合料漿。因此，設計全尾砂漿和混合料漿的濃度分別為42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比為3%。

1.3 實驗儀器與實驗步驟

實驗室全尾砂漿沉降性能實驗所采用的的實驗儀器主要有量筒（1000mL）、普通天平（1000g）、漏斗、尾砂、燒杯、自制泡沫塞子、秒表、照相機等。實驗步驟如下。

1）計算料漿濃度42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比為3%的水泥和尾砂的重量，以及水的重量。

2）分別稱取不同濃度所需要的水泥、尾砂的重量，量取所需水量。

3）將稱取的水泥、尾砂和水分別加入量筒，塞上塞子，充分晃動5min，使得水泥、尾砂和水混合均勻，并記下最初的液面高度。

4）每隔30s記錄一次固液分界面的高度并且拍照，共記錄10min。

5）每60s記錄一次固液分界面的高度并且拍照，共記錄5min。

6）按照不同的水泥尾砂比例稱取相應的物品，然后重復實驗步驟（3）～（6）。

實驗時將倒入實驗儀器中的待測混合料漿快速攪勻后讓其自然沉降，由于物料的密度大于水的密度，物料將會在自身重力和水的浮力的綜合作用下逐漸下沉，上部會漸漸析出清水，清水層的高度變化可以直觀地反映混合料漿的沉降特性［4］。

2 實驗結果分析

利用全尾砂干砂與適量的自來水配置濃度為40%～55%的全尾砂漿，pH試紙測定砂漿的pH值約為7～8，呈弱堿性；按照灰沙比為3%配制的相同濃度的水泥－全尾砂混合料漿，pH試紙測定混合料漿的pH值約為10。

2.1 不同砂漿濃度對物料沉降速度的影響

西石門鐵礦尾砂料漿沉降高度與時間的關系見圖2，水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料漿沉降高度與時間的關系見圖3。實驗結果得出如下結論。

1）隨著全尾砂料漿濃度增大，沉降速度減小。這是因為，隨著料漿質量濃度增大，顆粒沉降所受到的干擾程度增大，因此顆粒的靜態沉降速度減小。因此有利于提高圓盤真空過濾機的過濾效率。

2）灰砂比3%的水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料漿的沉降速度明顯快于純尾砂的沉降速度。沉降在實驗開始的最初4min內效果顯著，沉降距離顯著加快。在4～10min時沉降距離增長趨勢明顯變緩、沉降速度較小，呈壓密現象。并在10min左右沉降基本停止。而純尾砂在20min時還在不斷沉降，這可能與水泥的水化有關。水泥、全尾砂與水混合攪拌后，水泥熟料礦物開始水化，同時與全尾砂料漿中沉降速度較慢的細粒物料產生絮凝，形成絮團，導致混合料漿的沉降速度加快。

2.2 同種膠凝材料不同水化程度對物料沉降速度的影響

在一定時間內，隨著水化時間的延長，水泥－全尾砂混合料漿中水泥水化程度增強，被水化產物包裹的細顆粒物料增多，形成體積相對較大的絮團。根據斯托克斯公式、阿連公式和雷廷格公式［5］可知：在一定范圍內顆粒的沉降速度隨著顆粒直徑的增大而增大。導致混合料漿體系內整體沉降速度增加。

以礦渣硅酸鹽水泥為例，按混合料漿濃度為44%和48%、灰沙比為3%，分別配制三組水泥（P.S 32.5）－全尾砂混合漿體（記為 A、B、C三組）。其中，A組配制完成后立即測量料漿沉降速度，B組配制結束后用玻璃棒攪拌10min后開始測量其沉降速度。C組在攪拌20min后再開始測量料漿的沉降速度。不同水化程度的水泥（P.S 32.5）－全尾砂料漿沉降關系曲線如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知：在一定時間范圍內，提前加入膠凝材料（P.S 32.5）可以減緩物料的沉降速度。從圖4可以看出：在料漿濃度為48%時，提前加入水泥的最佳時間在10min左右。這與西石門鐵礦固結排放段的工藝流程相吻合。同時能夠提高圓盤真空過濾機的過濾效率。

圖2 不同濃度純尾砂料漿沉降高度－時間曲線

圖3 不同濃度混合料漿沉降高度－時間曲線

圖4 不同預水化時間混合料漿的沉降曲線

圖5 不同水化程度混合料漿的沉降曲線

2.3 不同膠凝材料對物料沉降速度的影響

膠凝材料種類不同，其水化活性有所不同。因此不同的膠凝材料對水泥—全尾砂混合料漿中物料沉降速度具有不同的影響。如果膠凝材料水化活性低、初凝時間長，那么添加膠凝材料后，導致細顆粒物料增加，級配發生變化，物料沉降受干擾程度增大，整體沉降速度減小；反之，則膠凝材料、尾砂與水拌和后，立即發生水化反應，同時與漿體中沉降速度較慢的細粒物料產生絮凝，形成絮團，沉降速度加快。

現在分別以普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），礦渣硅酸鹽水泥（P.S 32.5）以及中國礦業大學（北京）研制的新型全尾砂固化劑T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ配制灰砂比為3%、濃度為48%的混合料漿。研究不同膠凝材料對水泥—全尾砂料漿的物料沉降速度的影響。按照比率配制好料漿后，攪拌10min，然后進行沉降實驗。實驗結果如圖6所示。

由圖6可知：全尾砂固化劑T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ與礦渣硅酸鹽水泥 （P.S 32.5）對水泥—全尾砂料漿的物料沉降規律相似而與普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）的差異較大，這是由于全尾砂固化劑與礦渣硅酸鹽水泥的礦物組成相似的結果。

圖6 不同膠凝材料混合料漿的沉降曲線

3 結論

1）全尾砂沉降速度相對較快，灰砂比3%的水泥—全尾砂混合料漿通常在20min以內就可以接近最大沉降濃度和最大沉降容重。因此，如果在過濾機槽體內進行攪拌，促使混合料漿中的物料分布更加均勻，更加有利于過濾機效率的提高。

2）水泥水化程度對混合料漿沉降有影響，在一定時間范圍內，提前加入膠凝材料可以減緩混合料漿的物料沉降速度。在料漿濃度為48%時，提前加入水泥的最佳時間在10min左右。

3）全尾砂固化劑－全尾砂料漿的物料沉降規律與礦渣硅酸鹽水泥－全尾砂料漿的物料沉降規律相似而與普通硅酸鹽水泥的差異較大。

［1］侯運炳，魏書祥.尾礦固結排放技術研究［J］.金屬礦山，2011（6）：59－62.

［2］袁先樂，徐克創.我國金屬礦山固體廢棄物處理與處置技術進展［J］.金屬礦山，2004（6）：46.

［3］鄧代強，高永濤，姚中亮，等.水泥－分級尾砂充填料漿的沉降性能研究［J］.地下空間與工程學報，2009，5（4）：804－807.

［4］周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京：冶金工業出版社，2007.

［5］佟慶理.兩相流動理論基礎［M］.北京：冶金工業出版社，1982.