铝土尾矿泥浆逐级堆排沉积特性试验研究

欧孝夺,秦金喜,罗炳雄,江 杰*,陆小金

(1.广西大学土木建筑工程学院,南宁 530004；2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室,南宁 530004；3.广西金属尾矿安全防控工程技术研究中心,南宁 530004)

铝土尾矿泥浆是用清水对研磨的铝土矿原矿冲洗出无法用于生产而排入排泥库的含水矿石残渣。铝土尾矿泥浆是一种特殊的人造陆域吹填土,与一般的吹填土同样具有高含水量、高压缩性、低渗透性及难以沉降固结的特点,在研究其沉积特性过程中通常借鉴人造陆域吹填土的试验方法和装置。

为探究高含水量、高压缩性、低渗透性土的基本性质,中外学者进行了研究。Been等[1]通过对粉质黏土进行沉降柱试验,采用了X射线测量土层密度剖面的方法,研究了自重沉积规律和自重固结特征。Merckelbach[2]和Bowden[3]通过室内模型试验分析了沉积淤泥自重固结过程的强度、密度以及有效应力等方面的性质。胡挺等[4]设计不同直径与高度的沉降柱对上海吹填土进行了沉降柱试验,分析了沉降柱直径、竖直高度对吹填土沉降速率的影响。杨爱武等[5]制作了大型沉降柱模型对天津滨海新区吹填泥浆进行模拟试验探究其沉积特性。由于尾矿泥浆和吹填土等土体成分存在明显差别,两者的基本性质有很大差别。学者在对不同地区不同种类的尾矿泥浆沉积特性研究时通常借鉴研究人造陆域吹填土的方法和装置。巫尚蔚等[6]对比分析了黏性尾矿浆和砂性尾矿浆在一维静水条件下的沉积规律,并在试验结果的基础上分析了尾矿浆沉积过程中絮凝作用的影响机理。罗钧耀等[7]研究了大红山铁的颗粒粒径分布和尾矿泥浆的自然沉降特性。杜飞飞等[8]分析了某微细粒金尾矿在不同沉降方式与不同矿浆浓度情况下的沉降速率。孙建军等[9]分析了某细粒铜尾矿絮凝沉降特性,并以上层清液的浊度与矿浆沉降速率为考核标准,对比分析了不同种类絮凝剂及pH对絮凝沉降性能的影响。

从上述文献看出,以往学者对人造陆域吹填土进行沉积特性研究或针对不同尾矿泥浆研究不同条件下的沉积速率。而对铝土尾矿泥浆沉积特性的研究主要集中在分析不同絮凝剂作用下的沉积过程[10-12],未考虑到泥浆浓度和水量对泥水分离比的影响,但泥水分离比能有效指导矿山生产的最大排放量以及库面澄清水的抽排时间。此外,前人研究未考虑矿山实际生产中逐级堆排过程对铝土尾矿泥浆沉积特性的影响,而在尾矿泥浆排水固结过程中考虑堆排特性会使排水固结效果提升。

为此，通过量筒沉积试验和逐级堆排沉积柱试验,分析不同浓度的铝土尾矿泥沉积变化历程、泥水分离规律及尾矿泥沉积稳定后其物理参数沿深度变化规律,从而得到逐级堆排下尾矿泥浆沉积特性。试验结果可为铝土尾矿库泥浆加速排水固结处理提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用的尾矿库泥浆取自桂西中铝广西分公司1号铝土排泥库,选取洼地中心过湿性铝尾黏土作为典型土样,泥浆物理学参数及化学成分如表1所示,其颗分曲线如图1所示。试验用泥经尾矿库取回晒干粉碎处理的铝土尾矿泥,试验前对尾矿泥进行随机抽样5组,利用烘干法检测其含水量,当所有的样品含水量均低于3.0%时,可以认为满足模型试验基本要求,否则需先将尾矿泥再次晾晒或烘干至试验所要求的含水量。

表1 泥浆物理力学参数及化学成分Table 1 The physico-mechanical parameters and chemical composition of mud

图1 铝土尾矿泥颗分曲线Fig.1 Particle size distribution curve of bauxite tailing

1.2 试验研究路线

结合现场调研及铝土尾矿泥浆排放实际情况,通过配制相同水量不同浓度与相同泥量不同浓度两种情况下的铝土尾矿泥浆进行量筒沉积试验,得到铝土尾矿泥泥水分离比规律。并根据泥水分离比配制一定浓度的铝土尾矿泥浆进行沉积柱试验分析。沉积柱试验考虑铝土尾矿现场逐级堆排的典型特点,将泥浆模拟逐级堆排至沉积柱中,待沉积稳定后,取出不同深度处泥样进行土工试验,主要从密度、含水量、孔隙比、渗透性和压缩性等方面对铝土尾矿沉积泥的物理性质进行室内试验分析。试验研究路线图如图2所示。

图2 试验研究路线图Fig.2 Roadmap of experimental research

2 铝土尾矿泥浆量筒沉积试验

2.1 试验设计

由于尾矿泥浆长距离管道输送技术与经济方面的条件限制,目前中国湿法堆存尾矿库工程实际的尾矿泥浆排放浓度大多在30%左右。据此,本次量筒沉积试验将围绕30%的排放浓度,考虑相同水量不同浓度与相同泥量不同浓度两种情况,设计配制浓度分别为20%～40%,浓度差为2.0%,共2×11组的尾矿泥浆,具体方案设计参数如表2所示。试验开始时将泥和水倒置于1 000 mL量筒内,待浸润后用玻璃棒充分搅拌为均匀的泥浆,试验过程中观察泥浆沉积现象,记录不同沉积时间下量筒内水面与泥面的刻度读数,待沉积稳定后记录最终泥水分界面的刻度读数。

表2 量筒沉积试验方案设计Table 2 The solution design of barrel deposition test

2.2 试验结果分析

2.2.1 铝土尾矿泥浆沉积变化历程分析

铝土尾矿颗粒加入量筒后经搅拌均匀后呈泥水浑浊状态,在重力作用下,较粗颗粒率先下沉。由于黏土颗粒之间的絮凝作用,细颗粒相互抱团或者依附于粗颗粒,形成聚合体下沉,泥水出现分离并形成明显的分界面。不同浓度的铝土尾矿泥浆泥水分界面随沉降时间变化曲线如图3、图4所示。

图3 相同泥量不同浓度情况下泥水分界面沉降历程Fig.3 Settlement process of mud-water interface under the same mud mass and different concentration

图4 相同水量不同浓度情况下泥水分界面沉降历程Fig.4 Settlement process of mud-water interface under the same water mass and different concentration

在相同泥量不同浓度的情况下,泥浆浓度越低,则起始高度越高,泥水分界面下降速率越大,泥水分界面在0～40 min时间内快速下降,沉降占总沉降的95%以上；但随着沉降时间的增加,泥水分界面下降速率逐渐变小；泥浆浓度越低,泥水分界面越迟趋于稳定,稳定后的泥水分界面越高,但基本保持在300 mL刻度附近。

在相同水量不同浓度的情况下,泥浆浓度越高,则起始高度越高,泥水分界面下降速率越大,泥水分界面在0～30 min时间内快速下降,沉降占总沉降的95%以上；但随着沉降时间的增加,泥水分界面下降速率逐渐变小；不同浓度泥浆的泥水分界面趋于稳定所需沉降时间大致相同,稳定后泥水分界面随着泥浆浓度的增大而变高,差别很大。

通过对以上两种情况的试验现象与结果分析,可以将铝土尾矿泥浆沉积历程分为絮凝沉降、快速沉降、慢速沉降以及稳定固结四个阶段。由于试验时间与仪器条件的限制,本次试验只能观察到前3个阶段,沉积固结区域往往需要借助多种先进的仪器设备长期监控沉积固结过程[13]。前期絮凝沉降过程短暂,后期稳定固结阶段在有上覆清水的沉积土的固结周期一般漫长无明显变化,故铝土尾矿沉积历程变化主要发生在快速沉降与慢速沉降两个阶段。结合Fitch[14]、张楠等[15]对泥浆沉积试验分析和试验现象分析量筒上部为尾矿颗粒下沉挤出自由水的澄清区；中部尾矿颗粒布朗运动剧烈,相互碰撞凝聚下沉,为泥水干涉沉降区；下部尾矿颗粒在重力作用下不断从接触到紧密接触过渡,为自重固结区,其分区图如图5所示。

图5 铝土尾矿泥浆沉积分区示意图Fig.5 Diagram of bauxite tailings mud deposition zoning

2.2.2 铝土尾矿泥浆沉积泥水分离情况分析

在铝土尾矿泥浆经过慢速沉降进入稳定固结阶段后,从泥水分界面高度、泥水分离比、分离后沉积泥含水量等方面分析不同浓度下的铝土尾矿泥浆沉积泥水分离情况。

1)泥水分界面高度分析

在相同水量不同浓度的情况下,随着泥浆浓度的增大,泥水分界面越来越高；在相同泥量不同浓度的情况下,随着泥浆浓度的增大,泥水分界面基本保持同一高度范围。可知,铝土尾矿泥浆沉积稳定后泥水分界面高度与泥浆含泥量密切相关,而与泥浆浓度不直接相关。

2)泥水分离比分析

为定量分析铝土尾矿泥浆泥水分离情况与泥浆浓度的具体变化规律,将分离出来的沉积泥的体积与水的体积之比定义为泥水分离比,图6、图7所示为两种情况下的铝土尾矿泥浆泥水分离比变化曲线。可知当泥浆浓度为30%时,静置后泥水分离比约为1∶1.018。

图7 相同水量不同浓度的泥水分离比变化曲线Fig.7 The curve of slurry-water separation ratio of the same water volume and different concentration

由图6可知,在相同泥量不同浓度的情况下,3 h内泥水分离比由1.5 h时0.55～2.10下降为0.49～1.85。由图7可知，在相同水量不同浓度的情况下,3 h内泥水分离比由1.5 h时0.56～2.72下降为0.52～1.86。两种情况下,铝土尾矿泥浆都表现出随着泥浆浓度增大,泥水分离比逐渐增大的变化规律,但在38%～40%浓度范围内由于高浓度泥浆尚未达到沉积稳定时间,出现较大突变,泥水分离比依旧很大。沉积接近稳定后,采用指数函数拟合泥水分离比与泥浆浓度的关系,相关程度较高,说明铝土尾矿泥浆泥水分离比随着泥浆浓度增大呈指数增长关系。

3)沉积泥含水量分析

在量筒试验过程中,量筒内的水量与泥量都是已知的,量筒上部澄清水的体积可以通过量筒刻度读出,由此可以估算下部沉积泥的平均含水量,不同浓度下沉积3 h后沉积泥含水量情况如图8所示。由图8可知,铝土尾矿泥浆泥水分离后形成的沉积泥的平均含水量基本在80%～110%范围内,总体趋势为泥浆浓度越大,则沉积泥的平均含水量越低,且随着沉积时间的增加,下部沉积泥中水分不断被挤出,平均含水量随之降低。

图8 3 h后两种情况下的沉积泥平均含水量Fig.8 The average water content of sedimentary slurry in both cases after 3 h

3 铝土尾矿泥浆逐级堆排沉积柱模型试验

3.1 试验设计及装置

根据量筒沉积试验确定的泥水分离比数据,考虑所需的沉积泥的高度,以及试验场地条件的限制,本次铝土尾矿泥浆逐级堆排沉积柱模型试验选取30%浓度为泥浆配制浓度,分三级堆排,预估每级泥水分离比约为1∶1,具体的泥浆配比设计及堆排方案如表3所示。

表3 泥浆配比设计及堆排方案Table 3 The slurry proportion design and stacking scheme

为取出不同深度处的沉积泥,同时减小对泥样的扰动,将沉积柱模型设计为逐段拼装而成并可逐段拆卸的装置。模型装置采用直径160 mm的PVC管组装,每节管长250 mm,共计12节,总长3 000 mm,连接处用玻璃胶填充缝隙,做好防渗漏处理,并用扣件紧密连接,底部用PVC管堵头封底,组装好的沉积柱模型装置放置于深为3 m的基坑内壁,并固定模型装置，如图9所示。

图9 沉积柱模型装置制作Fig.9 The fabrication of deposition column model device

3.2 试验步骤

逐级堆排沉积柱模型试验步骤如下。

(1)将晒干符合要求的铝土尾矿泥与水按照试验配比混合,利用电动搅拌机充分搅拌均匀,并通过塑料漏斗将泥浆堆排至沉积柱模型装置内。

(2)每级堆排完成后静置24 h以上,待液面完全澄清,认为泥浆沉积稳定,然后开始下一级堆排,在下一级堆排前先按照堆排设计将沉积柱模型装置内上部清水用水泵抽走部分,模拟矿山竖井通道排水,然后再继续配制泥浆进行堆排,直至三级堆排完成。

(3)沉积柱静置沉积1个月,利用水泵将沉积柱模型装置内达到泥水分离的上层自由水全部抽出,静置1周。这一过程模拟铝土尾矿库的停排期以及停排后部分无积水库面的自然蒸发过程。

(4)将沉积柱装置逐节拆下,小心取出每节泥样,每节泥样按上、中、下3层分别用环刀取土进行土工试验,获取铝土尾矿沉积泥的密度、含水率、孔隙比、渗透性和压缩性等方面的物理性质。

3.3 试验结果分析

3.3.1 逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向含水量分析

通过取出的每节泥样,采用烘干法测出不同深度处沉积泥的含水量,作出含水量随深度变化的曲线，如图10所示。除表层10 cm深度左右的尾矿泥受蒸发作用影响较大而使得含水量较低外,沉积柱模型装置底部沉积的尾矿泥含水量基本在49.5%～85.0%范围内。从图10可知,曲线从下往上呈三级阶梯状,与泥浆堆排级数一致,每级阶梯尾矿泥含水量从下往上逐渐增大,使得每级阶梯尾矿泥含水量均出现最大值,此含水量最大值随着堆排级数的先后而呈依次递减的变化规律。由于含水量突变位置与两级堆排先后形成的沉积泥分界面基本吻合,因此可认为逐级堆排铝土尾矿泥浆沉积形成的尾矿泥含水量具有逐级分段、各级相对独立变化的特性,且每级尾矿泥含水量表现出随着深度的增加而逐渐减小的趋势。

图10 含水量随深度变化的曲线Fig.10 The curve of water content varying with depth

铝土尾矿颗粒极细,且其干泥堆积密度稍大于水,在重力与浮力共同作用下,沉积泥中的水分介于土颗粒之间,使其达到一种平衡状态。若无较大外力打破这种平衡,水分难以排出,可以理解为铝土尾矿泥的“锁水”能力很强。试验过程中发现扰动每节泥样后会析出较多自由水的现象也从侧面验证了这一说法。因此,可分析上述逐级堆排铝土尾矿泥含水量沿深度方向的变化特性形成原因为:每级堆排形成的沉积泥达到平衡后进入了“锁水”状态,由于有上层自由水的缓冲作用,下一级泥浆的堆排对上一级堆排形成的沉积泥扰动影响较小,形成逐级分段、各级相对独立变化的特性。随后在重力作用下,底部沉积泥受到的上部压力随着深度增加而增大,水分不断往上挤出,最后大量汇集于每级沉积泥的表层,从而形成每级沉积泥含水量从下往上逐渐增大的趋势,且越早堆排形成的沉积泥位置就越深,其锁住的水分就越多,故逐级堆排每级沉积泥的最大含水量从上往下有所增大。

3.3.2 逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向的密度分析

已知每节泥样体积并对泥样称重,可以计算出每节铝土尾矿泥平均密度；同样,通过称量每节泥样取出的环刀土样,可以计算出每节泥样上、中、下3个位置深度的密度。密度随深度的变化曲线如图11所示。

图11 密度随深度变化曲线Fig.11 The curve of density varying with depth

由图11可知,每节泥样的平均密度曲线与环刀取样测出的不同深度下的密度曲线变化形态基本一致,与含水量随深度变化规律相似,逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向的密度变化同样呈现逐级分段、各级相对独立变化的特性。但每级沉积泥的密度随着深度的增加而逐渐增加,与含水量变化趋势相反,分析原因为:水的密度小于铝土尾矿干泥的密度,所以相同体积下含水量高的沉积泥的密度自然要比含水量低的沉积泥的密度低。铝土尾矿泥沿深度方向的密度分布在1.7～2.1 g/cm3数值范围内,表层由于水分蒸发,铝土尾矿泥变密实,密度变大。

3.3.3 逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向的孔隙比分析

基于土力学孔隙比计算基本公式计算得到不同深度处的铝土尾矿沉积泥的孔隙比,作出孔隙比随深度变化的曲线，如图12所示。铝土尾矿沉积泥的孔隙比与其含水量和密度密切相关,与含水量、密度随深度变化的规律相似,逐级堆排铝土尾矿泥浆沉积形成的尾矿泥同样表现出逐级分段、各级相对独立变化的特性。计算结果表明,孔隙比的大小在0.979～1.994范围内,孔隙比随深度的变化曲线形态与含水量随深度的变化曲线形态基本一致,铝土尾矿沉积泥的含水量越大,密度越小,则孔隙比越大。

图12 孔隙比随深度变化的曲线Fig.12 The curve of void ratio varying with depth

3.3.4 逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向的渗透性分析

土的渗透性的大小通过渗透系数来反映。渗透性是影响铝土尾矿沉积泥固结快慢的重要因素,与沉积泥的化学成分,颗粒大小、密实度等参数息息相关。试验采用TST-55型渗透仪测定铝土尾矿沉积柱泥样的渗透系数,试验结果作渗透系数随深度变化的曲线，如图13所示。

图13 渗透系数随深度变化的曲线Fig.13 The curve of permeability coefficient varying with depth

试验结果表明,铝土尾矿沉积泥的渗透系数在10-5～10-4cm/s范围内,渗透系数随深度的变化规律也呈现出逐级堆排的特点。由于铝土尾矿沉积泥的渗透性在含水量、密度及孔隙比等参数的相互影响下变得更为复杂,规律特征被明显弱化。每级堆排形成的沉积泥的渗透系数与深度的关系不再是单一增减的趋势,出现了较为明显的波动。总体上规律为铝土尾矿沉积泥的含水量、孔隙比越大,密度越小,则相应深度处的渗透系数越大。

3.3.5 逐级堆排铝土尾矿泥沿深度方向的压缩性分析

定点取出不同深度处的铝土尾矿沉积泥,采用三联低压固结仪进行标准固结试验,试验得到的e-p曲线如图14所示。为评价铝土尾矿沉积泥的压缩性,按土力学基本公式[17]计算出100～200 kPa压力范围内的压缩系数与体积压缩系数,并作出其随深度变化的曲线如图15、图16所示。

图14 标准固结试验e-p曲线Fig.14 The e-p curve of standard consolidation test

由图15、图16可知,铝土尾矿沉积泥压缩系数随深度变化的曲线与体积压缩系数随深度变化的曲线在形态上基本相似,呈现出较明显的逐级堆排影响下的特点。压缩系数在0.629～1.615范围内,均大于0.5,体积压缩系数在0.295～0.690范围内,均大于0.25,故铝土尾矿沉积泥属于高压缩性土,在排水固结过程中会产生较大沉降,处理时应注意防范因沉降量过大或不均匀沉降引发的不良后果。

图15 压缩系数随深度变化的曲线Fig.15 The curve of compressibility coefficient varying with depth

图16 体积压缩系数随深度变化的曲线Fig.16 The curve of coefficient of volume compressibility varying with depth

3.3.6 各物理参数间关联程度分析

灰色关联分析法是根据各因素之间发展趋势的相似或相异程度,定量地比较或描述系统之间的或系统中各因素之间的相关性,并得出各子系统之间的数值关系,从而分析因素间关联程度大小的一种方法。该方法是按发展趋势做分析,对样本数量的多少无较高的要求,不需要数据之间存在明显的分布规律,且计算量较小,分析所得结果与定性分析结果较吻合。因此,灰色关联分析法是系统分析中简单可靠的一种分析方法,适用计算本文铝土尾矿泥浆的物理力学参数之间的关联程度。

体积压缩系数和压缩系数两者存在公式转化关系,故只分析压缩系数。具体分析结果如表4所示。

表4 物理参数间关联度分析结果Table 4 Results of correlation analysis between physical parameters

由表4可知，各物理量参数之间存在相互影响的复杂关系,含水量对其他物理量的关联程度较高,说明含水量对其他物理参数影响显著。

4 结论

对铝土尾矿泥浆进行量筒沉积试验与逐级堆排沉积柱模型试验,分析了不同浓度的尾矿泥沉积过程及泥水分离的变化规律,获取了尾矿泥沉积稳定后不同深度处的物理参数，并分析了逐级堆排情况下尾矿泥浆沉积特性及变化规律；通过灰色关联度分析各物理量之间的关联程度,试验研究主要结论如下。

(1)铝土尾矿泥浆沉积稳定后泥水分界面高度与泥浆含泥量密切相关,而与泥浆浓度不直接相关。随着泥浆浓度增大,泥水分离比逐渐增大,沉积接近稳定后,泥水分离比随着泥浆浓度增大呈指数增长关系。

(2)铝土尾矿泥浆泥水分离后形成的沉积泥的平均含水量基本在80%～110%范围内,总体趋势为泥浆浓度越大,则沉积泥的平均含水量越低,且随着沉积时间的增加,下部沉积泥中水分不断被挤出,平均含水量随之降低。

(3)模拟铝土尾矿库的停排期以及停排后部分无积水库面的自然蒸发过程后,沉积柱模型装置底部沉积的尾矿泥含水量基本在49.5%～85.0%范围内,流动性很差,已经从泥浆状态过渡为土的状态。铝土尾矿泥沿深度方向的密度在1.7～2.1 g/cm3范围内,孔隙比的大小在0.979～1.994范围内,渗透系数的大小在10-5～10-4cm/s范围内,压缩系数数值在0.629～1.615范围内,体积压缩系数数值在0.295～0.690范围内。

(4)逐级堆排铝土尾矿泥浆沉积形成的尾矿泥含水量、密度、孔隙比、渗透系数、压缩系数及体积压缩系数等物理参数沿深度方向上均具有不同程度的逐级分段、各级相对独立变化的特性,各物理参数之间存在相互影响的复杂关系,其中含水量对其他物理参数的影响显著,含水量同密度、孔隙比、渗透系数、压缩系数的关联程度依次为0.945、0.952、0.856、0.889。

(5)实际生产中为加速铝土尾矿泥浆排水固结进程,针对沉积过程可以考虑通过表层掺砂或逐级加砂堆排处理对其物理性质进行改良。对于沉积稳定后的铝土尾矿泥,从物理的角度可以考虑增设竖向排水管利用自重加速排水固结,从化学的角度可以考虑添加生石灰与之反应而改变其物质成分与结构状态。