基于不同模袋材质的细粒分级尾矿模袋堆坝工业试验研究

韩亚兵，崔 旋，郄永波

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628)

随着我国对矿产资源需求量的不断增加以及选矿工艺水平的日益提高，细粒尾矿堆存问题已成为尾矿处理技术遇到的重要难题之一，且广泛存在于我国金矿、铜矿、铅锌矿、氧化铝矿等诸多领域。如近年来一些黄金矿山为提高金的回收率，致使排入尾矿库内的尾矿-74 μm含量占90%以上，-37 μm达70 %左右。一般来说，细粒尾矿堆积坝体透水性差、固结速度慢、浸润线高、干滩面坡度缓、力学性质差，不利于坝的稳定性[1]。为此，Vinod K. Garga等[2]以秘鲁的Caudalosa尾矿坝为例，其尾矿-74 μm达到90%，将部分软黏土用压实的矿山废弃物填充及增加排水措施的方法有效治理了大坝不稳定的情况；赵晖[3]提出采用土工布加筋处理堆坝技术来增加细粒尾矿坝体抗滑力；郭友谦[4]提出了将水力旋流器筑坝工艺应用在细粒尾矿筑坝中，并与分散放矿相结合；王文松等[5]研究表明通过高筑初期坝、合理设置排渗设施并增设块石贴坡,可使高地震区细粒尾矿上游法尾矿坝静、动力稳定性达到规范要求；余新洲[6]采用水平土工席垫+垂直塑料盲沟排渗技术有效降低了细粒尾矿坝体浸润线,并通过数值模拟验证了其有效性;周汉民等[7]提出采用模袋法技术堆筑子坝的新型筑坝方式并成功运用；2015年德国的Marie-Therese van Keβel[9]将模袋法技术应用于Tavivaare尾矿库尾矿堆坝中，实践表明模袋法尾矿坝具有较好的脱水固结及稳定性能；刘斯宏等[10]应用Fellenius法对模袋加固的某膨胀土边坡进行了稳定性验算；李巧燕等[11]通过斜坡滑移、直剪、无侧限压缩试验，研究了“模袋法”筑坝工艺中模袋尾矿的摩擦性能与受压破坏规律。然而，针对-74 μm含量达90%左右的超细尾矿且黏粒含量较多、筑坝时间有限的地区，直接采用细粒尾矿单一处置方式筑坝仍面临诸多问题。因此，本文提出采用筑坝装备分级与模袋堆坝相结合的方式来开展细粒尾矿新型模袋法堆坝技术研究。通过不同模袋材质下分级尾矿模袋堆坝工业试验，将有助于了解在模袋法堆坝过程中尾矿作用规律、力学特性以及模袋材质对堆坝的影响等，为深入研究细粒尾矿模袋法堆坝技术及其推广奠定基础。

1 试验设计

为研究细粒分级尾矿模袋法堆坝技术作用机理以及模袋材质对堆坝效果影响情况，分别采用室内全颗粒尾矿力学试验、不同模袋材质分级尾矿模袋堆坝工业试验、固结后袋内尾矿力学性质试验等方法对细粒尾矿、分级尾矿以及不同材质模袋体进行试验研究。以甘肃某细粒尾矿库现场工业试验为研究对象，试验主要设备采用北京矿冶科技集团有限公司研制的自动分级模袋筑坝装备。具体设计包括下列3部分试验内容。

1)全粒径细粒尾矿力学试验：根据尾矿沿库内干滩面粒径分布情况，对现场细粒尾矿进行取样、蜡封并运送至实验室开展相关细粒尾矿密度、颗粒级配、孔隙比及直剪试验等，相应的试验称为1#试验。

2)不同模袋材质分级尾矿模袋堆坝工业试验：通过自动分级筑坝装备对细粒尾矿进行分级，分级后尾矿充灌至不同材质的模袋内完成模袋堆坝。其中，模袋采用扁丝与圆丝两种(模袋主要参数指标见表1)，模袋堆坝尺寸为底宽15 m，顶宽5 m，高2.5 m，长20 m，内外坡比1∶2。堆坝过程中分析模袋材质对坝体脱水效率和充灌效率的影响以及模袋坝体固结度随时间变化规律及演变特性，相应的试验称为2#试验。

3)固结后袋内尾矿力学特性试验：针对扁丝、圆丝模袋体固结45 d后坝体进行取样，蜡封运至实验室开展袋内尾矿粒度、渗透及直剪试验等，全面研究模袋内分级尾矿的力学性质，相应试验称为3#试验。

表1 土工模袋主要参数指标

上述3部分试验内容分别从细粒尾矿、分级尾矿模袋体、不同模袋材质以及固结后袋内尾砂力学性质等方面开展细粒分级尾矿模袋法研究。其中1#试验可得到所用细粒尾矿各项物理性质，为后续试验提供基础；2#试验是为研究分级尾矿模袋堆坝固结规律以及模袋材质对坝体堆坝效率的影响效应；3#试验是对袋内固结分级尾矿力学特性进行研究，揭示固结后模袋体强度及渗透性能等，可为分级尾矿模袋法堆坝稳定性分析提供基础。

2 细粒分级尾矿模袋堆坝试验结果与分析

2.1 细粒尾矿力学试验

按照前面设计的试验方案，1#试验分别开展了颗粒分级试验、密度试验、渗透试验以及直剪试验，其中颗粒分级试验结果见图1所示。

从图1可见，细粒尾矿中粒径d<19 μm 的粒径含量为49.83%，d>37μm 的粒径含量为29.83%，d>74 μm的粒径含量为11.26%，颗粒基本分布在粒径1～74 μm，其含量占总量的87.84%。试验结果来看，该全颗粒尾矿属于细粒尾矿。对其进一步开展相关物理试验结果见表2。

图1 全颗粒尾矿粒径分析结果Fig.1 Grain-size analysis result of tailings

尾矿颗粒组成决定着坝体的渗透性能、压缩和剪切强度性能以及材料的抗液化性能，是影响坝体稳定性的重要指标。从表2可见，细粒尾矿含水率较高，相当于不易排水固结的淤泥。在自然放矿情况下，材料力学性质指标较低，难以满足堆坝稳定性的要求。

2.2 分级尾矿模袋堆坝工业试验

2#分级尾矿模袋堆坝工业试验步骤包括尾矿分级、铺袋、稀释、充灌、排水固结以及交错堆坝等，试验场地见图2。依据试验设计，由自动分级筑坝装备对全颗粒尾矿进行分级，分级后尾矿粒度见图3。由图4可知，分级尾矿-74 μm含量为53.87%，较全尾矿明显提高粗颗粒含量。根据坝体尺寸形式，由分级后尾矿进行扁丝、圆丝模袋现场堆坝工业试验，堆坝完成后，在模袋体固结1、3、5、7、9 d时分别取袋内尾矿开展密度、含水率测定试验，对比分析扁丝与圆丝模袋体固结效率。堆坝完成后坝体效果见图4。

表2 细粒尾矿物理试验指标

图2 工业试验场地Fig.2 Industrial test site

图3 分级尾矿粒径分析结果Fig.3 Grain-size analysis result of graded tailings

图4 现场堆坝试验效果图(左为圆丝、右为扁丝)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：保证模袋内尾砂充灌至相同高度(80 cm)时，扁丝模袋边充灌边排水基本可实现充灌1次至模袋体指定高度，圆丝模袋需重复充灌2～3次，到一定高度后需先排水再进行第二次充灌；充灌相同量的分级尾砂，经前期排水后，圆丝模袋体较扁丝模袋体成型后高度小；主要是由于圆丝模袋袋体材质较软，充灌过程中袋体易发生侧向变形，致使所需充灌次数更多，而且袋体成型高度较小。

2)脱水性能：分析模袋充灌过程中脱水状况，可以定性评价模袋材料的脱水性能。随着充灌高度的不断增加，袋内尾矿中水分在水力梯度作用下从模袋孔径中不断溢出，逐渐由少增多再减少，且逐渐变浑浊。其中，圆丝模袋较扁丝模袋脱水更快、溢出细颗粒量更少、脱水更清澈。两种模袋脱水情况见图5、图6。

图5 扁丝模袋脱水性能Fig.5 Dewatering property of flat silk geofabriform

图6 圆丝模袋脱水性能Fig.6 Dewatering property of round silk geofabriform

3)固结排水效率：扁丝、圆丝模袋体固结1、3、5、7、9 d后密度、含水随时间变化规律见图7、图8。

由图7、8可知，扁丝与圆丝模袋内尾砂含水率都随固结时间增长而不断降低，圆丝模袋固结后尾砂含水率略低于扁丝模袋，表明圆丝模袋的固结速率较扁丝模袋快。扁丝模袋内尾砂干密度随固结时间增长而不断增加，固结时间相同条件下扁丝模袋内尾砂干密度略大于圆丝模袋，主要是由于扁丝模袋孔隙率较大，细颗粒较多的溢出，致使扁丝模袋内粗颗粒含量相对增多，干密度稍有提高。

图7 含水率曲线对比图Fig.7 Comparison diagram of moisture content curve

图8 密度曲线对比图Fig.8 Comparison diagram of density curve

2.3 固结后袋内尾矿力学特性试验

按照设计的试验方案，3#试验分别针对扁丝模袋、圆丝模袋内固结45 d后尾矿开展了颗粒分级试验、渗透试验以及直剪试验，其中颗粒分级试验结果见图9所示。

图9 粒径曲线图(扁丝模袋)Fig.9 Grain-size curve of graded tailings(the flat silk geofabriform)

图10 粒径曲线图(圆丝模袋)Fig.10 Grain-size curve of graded tailings(the round silk geofabriform)

对比两种模袋内尾矿，扁丝和圆丝粒径含量分别为：d<19 μm含量为17.48%和19.12%，d>37 μm含量为73.39%和71.95%，d>74μm的粒径含量为48.92%和48.26%，表明扁丝模袋内粗颗粒含量较圆丝模袋多。从两种模袋材质角度来看，扁丝模袋的表面孔径相对较大，在充灌过程中部分细颗粒沿孔径溢出，因此充灌完成后扁丝模袋内粗颗粒含量相对较多。对其进一步开展相关物理试验结果见表3。

2.4 试验结果分析

针对以上试验结果进行分析如下：

1)造成模袋坝体充灌效率、脱水性能、固结排水效率以及固结后袋内尾砂力学指标不同的原因主要在于两种模袋等效孔径O90不同，致使滤水性能存在较大差异。相对于扁丝模袋，圆丝模袋孔径较小但孔径百分比大，表现为圆丝模袋保砂滤水性能比扁丝模袋更佳，更有利于模袋体的脱水与固结。

表3 分级尾矿物理试验指标

2)对比充灌分级尾矿与固结后袋内尾矿粒度，-74 μm含量均在52%左右，其他粒径含量也变化不大，说明由于模袋的保砂滤水作用，分级后尾矿灌入模袋后流失较少，提高了尾矿的堆坝利用率。同时也验证了，全粒径尾矿-74 μm含量在90% 左右甚至更大时，可采用筑坝装备与模袋法相结合的方式进行堆坝，解决了细粒尾砂不适于直接堆坝的难题。

3)从尾矿力学特性试验来看，分级尾砂固结45 d后，较全尾矿干密度、渗透性及力学强度均有显著提高，而含水率降低，表明分级尾矿更易排水固结，同时由于模袋保砂滤水性能的加持，更提升了筑坝效率和模袋坝体强度。

4)由现场工业试验可知，采用分级尾矿与模袋法相结合的方式堆坝，分级尾矿固结7～9 d，袋内尾矿含水率可降至25%左右，而现场全尾排矿固结半年以上，坝前表层粗颗粒尾矿含水量才能达到25%左右。可见，采用该方式堆坝可极大地提高筑坝效率。

5)通过现场工业试验，形成了生产—分级—稀释—充灌—堆坝之间有序结合的实施流程，实现了整个技术安全、高效的工业化实施。

3 结论

通过以上3部分试验，反映细粒分级尾矿模袋法堆坝作用机理及模袋材质对堆坝固结效果等的影响，就本试验结果而言，得到如下结论：

1) 采用筑坝装备与模袋法相结合的堆坝方式，可一定程度上解决-74 μm含量在90%左右甚至含量更大的细粒尾矿堆坝难题，在提高固结和筑坝效率的同时，拓宽了尾矿堆坝所要求的粒径范围。

2) 模袋材质的不同直接引起充灌效率、脱水性能、固结效率及袋体强度等指标的差异，因此，在开展现场模袋堆坝前应根据尾矿粒径性质、施工现场条件确定好适宜的模袋材质。

3) 形成了完整的筑坝装备与模袋法相结合的分级尾矿模袋堆坝工艺技术，可实现技术安全、高效的工业化实施。

4) 从试验角度说明了细粒分级尾矿模袋法堆坝作用机理，但还不能得出其它复杂工况下的具体机理参数，有待于设计新的试验方法进行测定。