鋁土尾礦泥漿逐級堆排沉積特性試驗研究

歐孝奪,秦金喜,羅炳雄,江 杰*,陸小金

(1.廣西大學土木建筑工程學院,南寧 530004；2.廣西大學工程防災與結構安全教育部重點實驗室,南寧 530004；3.廣西金屬尾礦安全防控工程技術研究中心,南寧 530004)

鋁土尾礦泥漿是用清水對研磨的鋁土礦原礦沖洗出無法用于生產而排入排泥庫的含水礦石殘渣。鋁土尾礦泥漿是一種特殊的人造陸域吹填土,與一般的吹填土同樣具有高含水量、高壓縮性、低滲透性及難以沉降固結的特點,在研究其沉積特性過程中通常借鑒人造陸域吹填土的試驗方法和裝置。

為探究高含水量、高壓縮性、低滲透性土的基本性質,中外學者進行了研究。Been等[1]通過對粉質黏土進行沉降柱試驗,采用了X射線測量土層密度剖面的方法,研究了自重沉積規律和自重固結特征。Merckelbach[2]和Bowden[3]通過室內模型試驗分析了沉積淤泥自重固結過程的強度、密度以及有效應力等方面的性質。胡挺等[4]設計不同直徑與高度的沉降柱對上海吹填土進行了沉降柱試驗,分析了沉降柱直徑、豎直高度對吹填土沉降速率的影響。楊愛武等[5]制作了大型沉降柱模型對天津濱海新區吹填泥漿進行模擬試驗探究其沉積特性。由于尾礦泥漿和吹填土等土體成分存在明顯差別,兩者的基本性質有很大差別。學者在對不同地區不同種類的尾礦泥漿沉積特性研究時通常借鑒研究人造陸域吹填土的方法和裝置。巫尚蔚等[6]對比分析了黏性尾礦漿和砂性尾礦漿在一維靜水條件下的沉積規律,并在試驗結果的基礎上分析了尾礦漿沉積過程中絮凝作用的影響機理。羅鈞耀等[7]研究了大紅山鐵的顆粒粒徑分布和尾礦泥漿的自然沉降特性。杜飛飛等[8]分析了某微細粒金尾礦在不同沉降方式與不同礦漿濃度情況下的沉降速率。孫建軍等[9]分析了某細粒銅尾礦絮凝沉降特性,并以上層清液的濁度與礦漿沉降速率為考核標準,對比分析了不同種類絮凝劑及pH對絮凝沉降性能的影響。

從上述文獻看出,以往學者對人造陸域吹填土進行沉積特性研究或針對不同尾礦泥漿研究不同條件下的沉積速率。而對鋁土尾礦泥漿沉積特性的研究主要集中在分析不同絮凝劑作用下的沉積過程[10-12],未考慮到泥漿濃度和水量對泥水分離比的影響,但泥水分離比能有效指導礦山生產的最大排放量以及庫面澄清水的抽排時間。此外,前人研究未考慮礦山實際生產中逐級堆排過程對鋁土尾礦泥漿沉積特性的影響,而在尾礦泥漿排水固結過程中考慮堆排特性會使排水固結效果提升。

為此，通過量筒沉積試驗和逐級堆排沉積柱試驗,分析不同濃度的鋁土尾礦泥沉積變化歷程、泥水分離規律及尾礦泥沉積穩定后其物理參數沿深度變化規律,從而得到逐級堆排下尾礦泥漿沉積特性。試驗結果可為鋁土尾礦庫泥漿加速排水固結處理提供理論參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用的尾礦庫泥漿取自桂西中鋁廣西分公司1號鋁土排泥庫,選取洼地中心過濕性鋁尾黏土作為典型土樣,泥漿物理學參數及化學成分如表1所示,其顆分曲線如圖1所示。試驗用泥經尾礦庫取回曬干粉碎處理的鋁土尾礦泥,試驗前對尾礦泥進行隨機抽樣5組,利用烘干法檢測其含水量,當所有的樣品含水量均低于3.0%時,可以認為滿足模型試驗基本要求,否則需先將尾礦泥再次晾曬或烘干至試驗所要求的含水量。

表1 泥漿物理力學參數及化學成分Table 1 The physico-mechanical parameters and chemical composition of mud

圖1 鋁土尾礦泥顆分曲線Fig.1 Particle size distribution curve of bauxite tailing

1.2 試驗研究路線

結合現場調研及鋁土尾礦泥漿排放實際情況,通過配制相同水量不同濃度與相同泥量不同濃度兩種情況下的鋁土尾礦泥漿進行量筒沉積試驗,得到鋁土尾礦泥泥水分離比規律。并根據泥水分離比配制一定濃度的鋁土尾礦泥漿進行沉積柱試驗分析。沉積柱試驗考慮鋁土尾礦現場逐級堆排的典型特點,將泥漿模擬逐級堆排至沉積柱中,待沉積穩定后,取出不同深度處泥樣進行土工試驗,主要從密度、含水量、孔隙比、滲透性和壓縮性等方面對鋁土尾礦沉積泥的物理性質進行室內試驗分析。試驗研究路線圖如圖2所示。

圖2 試驗研究路線圖Fig.2 Roadmap of experimental research

2 鋁土尾礦泥漿量筒沉積試驗

2.1 試驗設計

由于尾礦泥漿長距離管道輸送技術與經濟方面的條件限制,目前中國濕法堆存尾礦庫工程實際的尾礦泥漿排放濃度大多在30%左右。據此,本次量筒沉積試驗將圍繞30%的排放濃度,考慮相同水量不同濃度與相同泥量不同濃度兩種情況,設計配制濃度分別為20%～40%,濃度差為2.0%,共2×11組的尾礦泥漿,具體方案設計參數如表2所示。試驗開始時將泥和水倒置于1 000 mL量筒內,待浸潤后用玻璃棒充分攪拌為均勻的泥漿,試驗過程中觀察泥漿沉積現象,記錄不同沉積時間下量筒內水面與泥面的刻度讀數,待沉積穩定后記錄最終泥水分界面的刻度讀數。

表2 量筒沉積試驗方案設計Table 2 The solution design of barrel deposition test

2.2 試驗結果分析

2.2.1 鋁土尾礦泥漿沉積變化歷程分析

鋁土尾礦顆粒加入量筒后經攪拌均勻后呈泥水渾濁狀態,在重力作用下,較粗顆粒率先下沉。由于黏土顆粒之間的絮凝作用,細顆粒相互抱團或者依附于粗顆粒,形成聚合體下沉,泥水出現分離并形成明顯的分界面。不同濃度的鋁土尾礦泥漿泥水分界面隨沉降時間變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 相同泥量不同濃度情況下泥水分界面沉降歷程Fig.3 Settlement process of mud-water interface under the same mud mass and different concentration

圖4 相同水量不同濃度情況下泥水分界面沉降歷程Fig.4 Settlement process of mud-water interface under the same water mass and different concentration

在相同泥量不同濃度的情況下,泥漿濃度越低,則起始高度越高,泥水分界面下降速率越大,泥水分界面在0～40 min時間內快速下降,沉降占總沉降的95%以上；但隨著沉降時間的增加,泥水分界面下降速率逐漸變小；泥漿濃度越低,泥水分界面越遲趨于穩定,穩定后的泥水分界面越高,但基本保持在300 mL刻度附近。

在相同水量不同濃度的情況下,泥漿濃度越高,則起始高度越高,泥水分界面下降速率越大,泥水分界面在0～30 min時間內快速下降,沉降占總沉降的95%以上；但隨著沉降時間的增加,泥水分界面下降速率逐漸變小；不同濃度泥漿的泥水分界面趨于穩定所需沉降時間大致相同,穩定后泥水分界面隨著泥漿濃度的增大而變高,差別很大。

通過對以上兩種情況的試驗現象與結果分析,可以將鋁土尾礦泥漿沉積歷程分為絮凝沉降、快速沉降、慢速沉降以及穩定固結四個階段。由于試驗時間與儀器條件的限制,本次試驗只能觀察到前3個階段,沉積固結區域往往需要借助多種先進的儀器設備長期監控沉積固結過程[13]。前期絮凝沉降過程短暫,后期穩定固結階段在有上覆清水的沉積土的固結周期一般漫長無明顯變化,故鋁土尾礦沉積歷程變化主要發生在快速沉降與慢速沉降兩個階段。結合Fitch[14]、張楠等[15]對泥漿沉積試驗分析和試驗現象分析量筒上部為尾礦顆粒下沉擠出自由水的澄清區；中部尾礦顆粒布朗運動劇烈,相互碰撞凝聚下沉,為泥水干涉沉降區；下部尾礦顆粒在重力作用下不斷從接觸到緊密接觸過渡,為自重固結區,其分區圖如圖5所示。

圖5 鋁土尾礦泥漿沉積分區示意圖Fig.5 Diagram of bauxite tailings mud deposition zoning

2.2.2 鋁土尾礦泥漿沉積泥水分離情況分析

在鋁土尾礦泥漿經過慢速沉降進入穩定固結階段后,從泥水分界面高度、泥水分離比、分離后沉積泥含水量等方面分析不同濃度下的鋁土尾礦泥漿沉積泥水分離情況。

1)泥水分界面高度分析

在相同水量不同濃度的情況下,隨著泥漿濃度的增大,泥水分界面越來越高；在相同泥量不同濃度的情況下,隨著泥漿濃度的增大,泥水分界面基本保持同一高度范圍。可知,鋁土尾礦泥漿沉積穩定后泥水分界面高度與泥漿含泥量密切相關,而與泥漿濃度不直接相關。

2)泥水分離比分析

為定量分析鋁土尾礦泥漿泥水分離情況與泥漿濃度的具體變化規律,將分離出來的沉積泥的體積與水的體積之比定義為泥水分離比,圖6、圖7所示為兩種情況下的鋁土尾礦泥漿泥水分離比變化曲線。可知當泥漿濃度為30%時,靜置后泥水分離比約為1∶1.018。

圖7 相同水量不同濃度的泥水分離比變化曲線Fig.7 The curve of slurry-water separation ratio of the same water volume and different concentration

由圖6可知,在相同泥量不同濃度的情況下,3 h內泥水分離比由1.5 h時0.55～2.10下降為0.49～1.85。由圖7可知，在相同水量不同濃度的情況下,3 h內泥水分離比由1.5 h時0.56～2.72下降為0.52～1.86。兩種情況下,鋁土尾礦泥漿都表現出隨著泥漿濃度增大,泥水分離比逐漸增大的變化規律,但在38%～40%濃度范圍內由于高濃度泥漿尚未達到沉積穩定時間,出現較大突變,泥水分離比依舊很大。沉積接近穩定后,采用指數函數擬合泥水分離比與泥漿濃度的關系,相關程度較高,說明鋁土尾礦泥漿泥水分離比隨著泥漿濃度增大呈指數增長關系。

3)沉積泥含水量分析

在量筒試驗過程中,量筒內的水量與泥量都是已知的,量筒上部澄清水的體積可以通過量筒刻度讀出,由此可以估算下部沉積泥的平均含水量,不同濃度下沉積3 h后沉積泥含水量情況如圖8所示。由圖8可知,鋁土尾礦泥漿泥水分離后形成的沉積泥的平均含水量基本在80%～110%范圍內,總體趨勢為泥漿濃度越大,則沉積泥的平均含水量越低,且隨著沉積時間的增加,下部沉積泥中水分不斷被擠出,平均含水量隨之降低。

圖8 3 h后兩種情況下的沉積泥平均含水量Fig.8 The average water content of sedimentary slurry in both cases after 3 h

3 鋁土尾礦泥漿逐級堆排沉積柱模型試驗

3.1 試驗設計及裝置

根據量筒沉積試驗確定的泥水分離比數據,考慮所需的沉積泥的高度,以及試驗場地條件的限制,本次鋁土尾礦泥漿逐級堆排沉積柱模型試驗選取30%濃度為泥漿配制濃度,分三級堆排,預估每級泥水分離比約為1∶1,具體的泥漿配比設計及堆排方案如表3所示。

表3 泥漿配比設計及堆排方案Table 3 The slurry proportion design and stacking scheme

為取出不同深度處的沉積泥,同時減小對泥樣的擾動,將沉積柱模型設計為逐段拼裝而成并可逐段拆卸的裝置。模型裝置采用直徑160 mm的PVC管組裝,每節管長250 mm,共計12節,總長3 000 mm,連接處用玻璃膠填充縫隙,做好防滲漏處理,并用扣件緊密連接,底部用PVC管堵頭封底,組裝好的沉積柱模型裝置放置于深為3 m的基坑內壁,并固定模型裝置，如圖9所示。

圖9 沉積柱模型裝置制作Fig.9 The fabrication of deposition column model device

3.2 試驗步驟

逐級堆排沉積柱模型試驗步驟如下。

(1)將曬干符合要求的鋁土尾礦泥與水按照試驗配比混合,利用電動攪拌機充分攪拌均勻,并通過塑料漏斗將泥漿堆排至沉積柱模型裝置內。

(2)每級堆排完成后靜置24 h以上,待液面完全澄清,認為泥漿沉積穩定,然后開始下一級堆排,在下一級堆排前先按照堆排設計將沉積柱模型裝置內上部清水用水泵抽走部分,模擬礦山豎井通道排水,然后再繼續配制泥漿進行堆排,直至三級堆排完成。

(3)沉積柱靜置沉積1個月,利用水泵將沉積柱模型裝置內達到泥水分離的上層自由水全部抽出,靜置1周。這一過程模擬鋁土尾礦庫的停排期以及停排后部分無積水庫面的自然蒸發過程。

(4)將沉積柱裝置逐節拆下,小心取出每節泥樣,每節泥樣按上、中、下3層分別用環刀取土進行土工試驗,獲取鋁土尾礦沉積泥的密度、含水率、孔隙比、滲透性和壓縮性等方面的物理性質。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向含水量分析

通過取出的每節泥樣,采用烘干法測出不同深度處沉積泥的含水量,作出含水量隨深度變化的曲線，如圖10所示。除表層10 cm深度左右的尾礦泥受蒸發作用影響較大而使得含水量較低外,沉積柱模型裝置底部沉積的尾礦泥含水量基本在49.5%～85.0%范圍內。從圖10可知,曲線從下往上呈三級階梯狀,與泥漿堆排級數一致,每級階梯尾礦泥含水量從下往上逐漸增大,使得每級階梯尾礦泥含水量均出現最大值,此含水量最大值隨著堆排級數的先后而呈依次遞減的變化規律。由于含水量突變位置與兩級堆排先后形成的沉積泥分界面基本吻合,因此可認為逐級堆排鋁土尾礦泥漿沉積形成的尾礦泥含水量具有逐級分段、各級相對獨立變化的特性,且每級尾礦泥含水量表現出隨著深度的增加而逐漸減小的趨勢。

圖10 含水量隨深度變化的曲線Fig.10 The curve of water content varying with depth

鋁土尾礦顆粒極細,且其干泥堆積密度稍大于水,在重力與浮力共同作用下,沉積泥中的水分介于土顆粒之間,使其達到一種平衡狀態。若無較大外力打破這種平衡,水分難以排出,可以理解為鋁土尾礦泥的“鎖水”能力很強。試驗過程中發現擾動每節泥樣后會析出較多自由水的現象也從側面驗證了這一說法。因此,可分析上述逐級堆排鋁土尾礦泥含水量沿深度方向的變化特性形成原因為:每級堆排形成的沉積泥達到平衡后進入了“鎖水”狀態,由于有上層自由水的緩沖作用,下一級泥漿的堆排對上一級堆排形成的沉積泥擾動影響較小,形成逐級分段、各級相對獨立變化的特性。隨后在重力作用下,底部沉積泥受到的上部壓力隨著深度增加而增大,水分不斷往上擠出,最后大量匯集于每級沉積泥的表層,從而形成每級沉積泥含水量從下往上逐漸增大的趨勢,且越早堆排形成的沉積泥位置就越深,其鎖住的水分就越多,故逐級堆排每級沉積泥的最大含水量從上往下有所增大。

3.3.2 逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向的密度分析

已知每節泥樣體積并對泥樣稱重,可以計算出每節鋁土尾礦泥平均密度；同樣,通過稱量每節泥樣取出的環刀土樣,可以計算出每節泥樣上、中、下3個位置深度的密度。密度隨深度的變化曲線如圖11所示。

圖11 密度隨深度變化曲線Fig.11 The curve of density varying with depth

由圖11可知,每節泥樣的平均密度曲線與環刀取樣測出的不同深度下的密度曲線變化形態基本一致,與含水量隨深度變化規律相似,逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向的密度變化同樣呈現逐級分段、各級相對獨立變化的特性。但每級沉積泥的密度隨著深度的增加而逐漸增加,與含水量變化趨勢相反,分析原因為:水的密度小于鋁土尾礦干泥的密度,所以相同體積下含水量高的沉積泥的密度自然要比含水量低的沉積泥的密度低。鋁土尾礦泥沿深度方向的密度分布在1.7～2.1 g/cm3數值范圍內,表層由于水分蒸發,鋁土尾礦泥變密實,密度變大。

3.3.3 逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向的孔隙比分析

基于土力學孔隙比計算基本公式計算得到不同深度處的鋁土尾礦沉積泥的孔隙比,作出孔隙比隨深度變化的曲線，如圖12所示。鋁土尾礦沉積泥的孔隙比與其含水量和密度密切相關,與含水量、密度隨深度變化的規律相似,逐級堆排鋁土尾礦泥漿沉積形成的尾礦泥同樣表現出逐級分段、各級相對獨立變化的特性。計算結果表明,孔隙比的大小在0.979～1.994范圍內,孔隙比隨深度的變化曲線形態與含水量隨深度的變化曲線形態基本一致,鋁土尾礦沉積泥的含水量越大,密度越小,則孔隙比越大。

圖12 孔隙比隨深度變化的曲線Fig.12 The curve of void ratio varying with depth

3.3.4 逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向的滲透性分析

土的滲透性的大小通過滲透系數來反映。滲透性是影響鋁土尾礦沉積泥固結快慢的重要因素,與沉積泥的化學成分,顆粒大小、密實度等參數息息相關。試驗采用TST-55型滲透儀測定鋁土尾礦沉積柱泥樣的滲透系數,試驗結果作滲透系數隨深度變化的曲線，如圖13所示。

圖13 滲透系數隨深度變化的曲線Fig.13 The curve of permeability coefficient varying with depth

試驗結果表明,鋁土尾礦沉積泥的滲透系數在10-5～10-4cm/s范圍內,滲透系數隨深度的變化規律也呈現出逐級堆排的特點。由于鋁土尾礦沉積泥的滲透性在含水量、密度及孔隙比等參數的相互影響下變得更為復雜,規律特征被明顯弱化。每級堆排形成的沉積泥的滲透系數與深度的關系不再是單一增減的趨勢,出現了較為明顯的波動。總體上規律為鋁土尾礦沉積泥的含水量、孔隙比越大,密度越小,則相應深度處的滲透系數越大。

3.3.5 逐級堆排鋁土尾礦泥沿深度方向的壓縮性分析

定點取出不同深度處的鋁土尾礦沉積泥,采用三聯低壓固結儀進行標準固結試驗,試驗得到的e-p曲線如圖14所示。為評價鋁土尾礦沉積泥的壓縮性,按土力學基本公式[17]計算出100～200 kPa壓力范圍內的壓縮系數與體積壓縮系數,并作出其隨深度變化的曲線如圖15、圖16所示。

圖14 標準固結試驗e-p曲線Fig.14 The e-p curve of standard consolidation test

由圖15、圖16可知,鋁土尾礦沉積泥壓縮系數隨深度變化的曲線與體積壓縮系數隨深度變化的曲線在形態上基本相似,呈現出較明顯的逐級堆排影響下的特點。壓縮系數在0.629～1.615范圍內,均大于0.5,體積壓縮系數在0.295～0.690范圍內,均大于0.25,故鋁土尾礦沉積泥屬于高壓縮性土,在排水固結過程中會產生較大沉降,處理時應注意防范因沉降量過大或不均勻沉降引發的不良后果。

圖15 壓縮系數隨深度變化的曲線Fig.15 The curve of compressibility coefficient varying with depth

圖16 體積壓縮系數隨深度變化的曲線Fig.16 The curve of coefficient of volume compressibility varying with depth

3.3.6 各物理參數間關聯程度分析

灰色關聯分析法是根據各因素之間發展趨勢的相似或相異程度,定量地比較或描述系統之間的或系統中各因素之間的相關性,并得出各子系統之間的數值關系,從而分析因素間關聯程度大小的一種方法。該方法是按發展趨勢做分析,對樣本數量的多少無較高的要求,不需要數據之間存在明顯的分布規律,且計算量較小,分析所得結果與定性分析結果較吻合。因此,灰色關聯分析法是系統分析中簡單可靠的一種分析方法,適用計算本文鋁土尾礦泥漿的物理力學參數之間的關聯程度。

體積壓縮系數和壓縮系數兩者存在公式轉化關系,故只分析壓縮系數。具體分析結果如表4所示。

表4 物理參數間關聯度分析結果Table 4 Results of correlation analysis between physical parameters

由表4可知，各物理量參數之間存在相互影響的復雜關系,含水量對其他物理量的關聯程度較高,說明含水量對其他物理參數影響顯著。

4 結論

對鋁土尾礦泥漿進行量筒沉積試驗與逐級堆排沉積柱模型試驗,分析了不同濃度的尾礦泥沉積過程及泥水分離的變化規律,獲取了尾礦泥沉積穩定后不同深度處的物理參數，并分析了逐級堆排情況下尾礦泥漿沉積特性及變化規律；通過灰色關聯度分析各物理量之間的關聯程度,試驗研究主要結論如下。

(1)鋁土尾礦泥漿沉積穩定后泥水分界面高度與泥漿含泥量密切相關,而與泥漿濃度不直接相關。隨著泥漿濃度增大,泥水分離比逐漸增大,沉積接近穩定后,泥水分離比隨著泥漿濃度增大呈指數增長關系。

(2)鋁土尾礦泥漿泥水分離后形成的沉積泥的平均含水量基本在80%～110%范圍內,總體趨勢為泥漿濃度越大,則沉積泥的平均含水量越低,且隨著沉積時間的增加,下部沉積泥中水分不斷被擠出,平均含水量隨之降低。

(3)模擬鋁土尾礦庫的停排期以及停排后部分無積水庫面的自然蒸發過程后,沉積柱模型裝置底部沉積的尾礦泥含水量基本在49.5%～85.0%范圍內,流動性很差,已經從泥漿狀態過渡為土的狀態。鋁土尾礦泥沿深度方向的密度在1.7～2.1 g/cm3范圍內,孔隙比的大小在0.979～1.994范圍內,滲透系數的大小在10-5～10-4cm/s范圍內,壓縮系數數值在0.629～1.615范圍內,體積壓縮系數數值在0.295～0.690范圍內。

(4)逐級堆排鋁土尾礦泥漿沉積形成的尾礦泥含水量、密度、孔隙比、滲透系數、壓縮系數及體積壓縮系數等物理參數沿深度方向上均具有不同程度的逐級分段、各級相對獨立變化的特性,各物理參數之間存在相互影響的復雜關系,其中含水量對其他物理參數的影響顯著,含水量同密度、孔隙比、滲透系數、壓縮系數的關聯程度依次為0.945、0.952、0.856、0.889。

(5)實際生產中為加速鋁土尾礦泥漿排水固結進程,針對沉積過程可以考慮通過表層摻砂或逐級加砂堆排處理對其物理性質進行改良。對于沉積穩定后的鋁土尾礦泥,從物理的角度可以考慮增設豎向排水管利用自重加速排水固結,從化學的角度可以考慮添加生石灰與之反應而改變其物質成分與結構狀態。