尾砂充填料漿電滲脫水固結實驗

王炳文，趙文華，熊庭永，張雪媚

(1.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083；2.山東黃金(玲瓏)有限公司，山東 招遠 265400)

0 引 言

課程體系既是高校人才培養的載體，也是教學改革的重點，學生獲取知識、培養能力、提升素質均源于合理的專業課程體系建設，故高校應結合行業發展趨勢，創新專業課程體系[1]。充填開采理論與技術是當前采礦工程學科中熱門的研究方向之一。相比于傳統的采礦方法，充填開采可利用采選固廢填充采空區，有效控制圍巖移動，充分回收礦產資源，實現礦山綠色安全開采與可持續發展[2]。

當前高校采礦工程實驗室通常采用脫水構筑物自然脫水[3]或利用真空泵負壓強制脫水[4-5]實驗研究充填料漿脫水過程，而在巖土工程[6-8]與環境工程[9-11]領域還采用電滲脫水方法。由于尾砂充填料漿性質與土具有一定的相似性，電滲方法亦可適用于尾砂充填料漿脫水[11-13]，但目前尚無研究尾砂充填料漿電滲脫水固結的實驗裝置。因此，本文借鑒土壤電滲脫水的思想，設計了選礦尾砂充填料漿電滲脫水實驗裝置，并以自然脫水為對照，研究了電流對充填料漿固結過程的影響，得到了電滲脫水固結的相關規律。

此外，多數高校在采礦工程專業本科實驗教學環節中只注重參觀演示[15-16]，對學生實驗動手操作能力的培養相對缺乏。采礦工程專業人才培養多數追求學科知識的系統性、完整性，未有效將教學體系和教學內容優化整合，突出其實用性和針對性[17]。通過將尾砂充填料漿電滲脫水實驗引入高校采礦專業實驗室，有利于培養采礦工程專業學生的實驗探究能力，使其掌握充填領域實用性的尾砂充填料漿脫水方法，更有針對性地了解尾砂固結特性。

1 基本原理

由選礦尾砂、水等物料構成的充填料漿屬于膠體分散系。根據膠體化學理論，充填料漿中水的流動滿足式(1)。

(1)

式中：Q為水的電滲速度，m3/s；ε為水的介電常數，F/m；ζ為固液界面電動勢，V；I為電流強度，A；η為水的黏度，Pa·s；λ為水的電導率，s/m。

若充填料漿中加入電流強度I時，可產生相應的電滲流動速度Q。因充填料漿中固體顆粒(尾砂)帶有負電荷而水帶有正電荷，故水的移動方向自陽極到陰極。在充填料漿脫水固結時，將濾水管作為陰極，料漿四周布置陽極，料漿中的水將逐步運移到陰極濾水管并排出。與自然脫水相比，外加電場會使充填料漿產生電滲流動速度Q，故電滲脫水將加快料漿排水速度。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

以自然脫水為參照，研究電滲對充填料漿脫水固結過程的影響，需要設計自然脫水實驗裝置和電滲脫水實驗裝置。 電滲脫水試驗裝置由試驗箱、陽極棒、陰極濾水管、導水塑料管和電源構成(圖1)。 陽極棒縱向布置在試驗箱四角處，與直流電源正極相連；陰極濾水管縱向布置在試驗箱中央，與直流電源負極相連。為監測充填料漿脫水固結性狀，將刻度紙貼于試驗箱兩側，測試充填料漿高度變化，并監測固結體內溫度、陰陽兩極電壓與電流強度、充填料漿脫水量等數據。實驗中所用的電學元件的連接如圖2所示。

與電滲脫水試驗裝置相比，自然脫水實驗裝置不設置陽極棒和電源。

圖1 電滲脫水實驗裝置模型Fig.1 Model of electro-osmotic dehydratio xperimental device

圖2 電滲脫水實驗裝置電學元件連接示意Fig.2 Connection of various electrical components i lectro-osmotic dehydration experimental device

2.2 操作流程

電滲脫水實驗裝置采用長方形箱體(長×寬×高=36 cm×25 cm×22 cm)(圖3)；陰極濾水管為銅管，壁厚1 mm、內徑1 cm，沿軸線每隔1 cm環四周鉆鑿4個Φ2 mm的濾水孔，管外裹濾布，其上端自箱體蓋板中央孔伸出，下端則與導水塑料管相接；陽極棒為Φ3 mm的鐵絲，其下端與實驗箱底部接觸，上端則通過蓋板四周小孔伸出；電源采用24 V直流電源，電流表與電壓表均使用萬用表。以下結合實例具體說明實驗操作流程。

圖3 脫水實驗裝置設計樣例Fig.3 Electro-osmotic dehydration experimental device

1) 實驗設計。分別對尾砂非膠結充填料漿(不添加膠凝材料)和尾砂膠結充填料漿進行自然脫水和電滲脫水實驗。實驗所采用料漿質量濃度68%，其中膠結充填料漿灰砂比1∶10。實驗所用尾砂與膠凝材料均取自某黃金礦山，水為城市自來水。

2) 料漿制備。按實驗設計制備充填料漿，充入試驗箱。每個實驗箱中充入料漿30 kg。

3) 數據采集。將充填料漿充入實驗箱后，料漿即刻發生離析沉降，漿面上部出現澄清水。注入充填料漿后每隔6 h讀取一次脫水量、料漿溫度和料漿漿面高度，脫水量由稱量流入瓶內的水獲取，料漿溫度由溫度計直接讀出，漿面高度則由箱體兩側刻度紙讀取。待實驗箱中料漿上部澄清水排凈后，對電滲脫水實驗裝置進行通電，間隔6 h讀取一次電流值和電壓值。脫水結束后，在每個實驗箱中切取70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的固結體試塊進行單軸抗壓強度測試。

3 數據分析與處理

3.1 脫水量

非膠結充填料漿電滲法與自然法脫水量見圖4。由圖4可知，對于非膠結充填料漿，在充填料漿上部澄清水未排凈之前，電滲法與自然法脫排出的水量相當。充填料漿脫水觀測13次(144 h)后，漿面上方的澄清水排凈，電滲法和自然法分別排出4 125.5 g和4 156.0 g的澄清水。通電后，電滲脫水速度突增，前30 h內電滲脫水速度明顯快于自然脫水速度。澄清水排凈后，電滲脫水實驗箱和自然脫水實驗箱又分別多排出768.5 g和398.5 g的滲透水。即，充填料漿通電后，電滲法較自然法多排出滲透水370.0 g，脫水率提高92.85%，表明通電有利于尾砂非膠結充填料漿脫水。

圖4 非膠結充填料漿電滲脫水量與自然脫水量Fig.4 Dewatering amount of non-cemented fillin lurry by electro-osmotic and natura ewatering method

膠結充填料漿電滲法與自然法脫水量見圖5。由圖5可知，膠結充填料漿脫水觀測5次(30 h)之后，漿面上方的澄清水排凈，電滲法和自然法分別脫排出1 726.5 g和1 838.0 g的澄清水。料漿通電后，電滲脫水速度與自然脫水速度相當，電滲法與自然法又分別多排出224.0 g和176.0 g的滲透水，電滲法僅比自然法的脫水率提高27.27%，這表明尾砂膠結充填料漿通電后脫水效果不甚明顯。

圖5 膠結充填料漿電滲脫水量與自然脫水量Fig.5 Dewatering amount of cemented filling slurry b lectro-osmotic and natural dewatering method

3.2 電流

電滲脫水實驗中，實測陰極、陽極兩端電壓為21.7 V。根據電滲脫水過程中實測漿體內部電流變化(圖6)可知，通過充填料漿的電流呈現先升高后降低的趨勢，這表明電滲脫水過程中充填體電阻率發生變化。

3.3 溫度

實驗室室溫13～16 ℃，尾礦充填料漿脫水過程中內部溫度變化如圖7所示。由圖7可知，自然脫水過程中充填料漿內部溫度與所處環境溫度基本一致，但電滲過程中料漿內部溫度較自然脫水高3～5 ℃，這表明通電導致充填料漿內部溫度升高。

3.4 漿面沉降

以料漿通電時刻漿面高度為零點計算，實驗過程中漿面高度變化如圖8所示。由圖8可知，非膠結充填料漿通電后，漿面沉降明顯，這是由于通電可加大非膠結充填料漿脫水速率和脫水量，尾砂固結進程加速。然而，通電對全尾砂膠結充填料漿漿面沉降影響則不及非膠結充填料漿明顯[18]。

圖6 非膠結充填料漿電滲脫水實驗電流變化Fig.6 Current change of electro-osmotic dewaterin xperiment of non-cemented filling slurry

圖7 非膠結充填料漿內部溫度變化Fig.7 Temperature change of non-cemented filling slurry

圖8 非膠結充填料漿脫水漿面高度變化Fig.8 Height change of non-cemente illing slurry surface

3.5 充填體強度

在尾砂充填料漿脫水固結后形成的充填體中切割70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試塊，置于恒溫恒濕箱內養護，養護溫度20 ℃±1 ℃、相對濕度95%。根據28 d齡期單軸抗壓強度測試結果(表1)可知，非膠結充填料漿自然脫水形成的充填體試塊松軟，未能在單軸壓力機上測得其強度(<0.1 MPa)；對比兩種脫水方式下形成的充填體強度，通電有助于提高非膠結尾砂充填體強度。

表1 不同脫水條件下充填體單軸抗壓強度Table 1 The UCS of different backfills

4 結 論

1) 通過自制實驗裝置對充填料漿脫水進程進行模擬實驗，得到了電滲對尾砂充填料漿脫水固結過程的影響規律。對于未添加膠凝材料的全尾砂非膠結充填料漿，電滲法具有排水速度快、排水量多，可加速漿面沉降并提高充填體強度；對于全尾砂膠結充填料漿，電滲對脫水固結效果改善不顯著。

2) 充填料漿脫水實驗包含充填料漿制備、數據監測與結果分析等內容，實驗原理簡單、難度適中，實驗結果明顯、直觀，適于采礦工程專業本科生的實驗教學環節。通過開展電滲脫水實驗，學生可以了解電滲基本原理和充填料漿基本特性，掌握充填料漿電滲脫水方法，培養學生的實踐操作能力，增加學生的感性認識。將充填電滲脫水實驗引入高校的采礦專業課程教學，有利于采礦工程專業學生與研究人員掌握充填料漿脫水方法，了解充填料漿性質，培養實驗探究能力。