超细尾矿充灌管袋真空抽滤脱水试验与效率分析

万 俐，唐志勇，任天成

（1.江西省交通投资集团有限责任公司项目建设管理公司，江西南昌，330036；2.江西省交通工程集团有限公司海通公司，江西南昌，330038；3.江西省交通运输科学研究院有限公司，江西南昌，330200）

超细尾矿对其粒径组成规定为平均粒径小于0.03mm，-0.019mm 颗粒含量大于50%，+0.074mm 颗粒含量小于10%，+0.037mm 颗粒含量小于30%[1]。随着我国土地资源逐渐稀缺以及矿产资源回收率的不断提高，超细尾矿、高堆尾矿坝快速增多成为必然趋势，如何破解超细粒尾矿堆存问题，已成为当前实现矿业可持续发展及资源高效利用的关键。土工管袋是一种非常适宜偏细颗粒快速脱水固结的技术，自2010年土工管袋从水利行业引入尾矿工程领域以来，实现了-200目颗粒含量在80%～90%的细粒尾矿管袋堆坝，解决了细粒尾矿不适宜直接堆坝的难题[2-4]。然而，在超细尾矿充灌管袋现场试验过程中发现，管袋极易发生淤堵，在充灌结束较长一段时间后管袋无法完全脱水固结，靠近管袋表层的尾矿形成薄层硬壳，硬壳内的尾矿仍然呈高含水率的流塑态，最终整体形成“表干内湿”的状态，无法用于堆叠或筑坝，极大地阻碍了管袋技术在尾矿处置领域的进一步发展。

国内外学者通过深入研究土工织物的淤堵机理发现，细微土颗粒对土工织物孔隙造成淤堵的型式主要有两种：机械淤堵与化学淤堵；机械淤堵主要是细颗粒在织物表层的成拱效应，而化学淤堵的产生机理主要是由于浆液中的化学成分在织物表层的粘附作用。一旦形成淤堵，大量细颗粒在水力坡降的作用下紧密贴附在土工织物表层，形成低水力渗透性的滤饼结构，从而进一步降低管袋的脱水性能[5-7]。基于上述理论，国内工程界技术人员对细微颗粒充灌管袋的促排技术开展了一系列的探索。束一鸣等[8]将电渗技术用于提高土工管袋的脱水效率；张景辉等[9]将超声处理结合絮凝剂用于土工管袋脱水减容；黄佳音等[10]将一定比例的絮凝药剂与河湖疏浚底泥混合后灌入土工管袋进行脱水调理，污泥减容效果显著；吴海民等[11]通过高含黏（粉）充填管袋脱水模型试验对放水排泥、充排结合的快速脱水方法进行了验证。上述工艺技术都能在一定程度上促进管袋脱水固结，但其研究领域多集中在围垦、环保以及港航工程，充填管袋的浆液也大多来源于天然土料。尾矿与天然土体的物化特征存在较大差异，上述工艺技术在经济与技术层面的可行性尚有待验证。

基于上述状况，笔者及其研究团队提出了一套土工管袋真空抽滤物理模型试验装置。借助该装置，对超细尾矿充灌管袋真空抽滤的作用效果进行了系统论证。研究成果可为有色金属矿山湿法堆存尾矿库的筑坝施工提供理论与技术支撑。

1 土工管袋真空抽滤脱水影响因素

土工管袋真空抽滤脱水，主要集中在两个阶段：第一，管袋充灌阶段；在选取等效孔径满足排水反滤原则的土工织物制作土工管袋后，采用高压灌注方式将超细尾矿充灌大土工管袋中，在管袋将近被灌满时，通过提高充灌压力的方式对管袋内的尾矿进行挤压，从而提高管袋内的渗透压力，将尾矿颗粒间的大部分水分挤出管袋，但随着管袋内尾矿逐渐趋于密实，渗透性会逐渐降低，充灌压力对管袋内尾矿脱水的影响会逐渐减小；第二，屏浆真空抽吸阶段；管袋一次充灌后的屏浆阶段通过真空抽吸形成局部压力差，从而提高真空抽吸区域水力坡降，促使该部位尾矿颗粒间的残余水分排出；此外，人工扰动也能够破坏管袋土工织物附近生成的滤饼结构，从而提高管袋表面层的水力渗透性，有利于进一步改善真空抽滤的实施效果。

在土工管袋充灌阶段，尾矿的脱水固结效率主要受管袋土工织物、尾矿颗粒级配、尾矿浓度以及充灌压力等因素的影响[12]。在屏浆真空抽滤阶段，影响尾矿的脱水固结效率主要因素为袋内尾矿浓度、真空压强、真空抽滤时间等。

2 土工管袋真空抽滤物理模型试验设计

在土工管袋应用工程实践中，需要将管袋逐层堆叠成为特定的结构以满足挡土、挡水或其它功能需求。为提高施工效率且充分保障管袋结构安全稳定，要求管袋具有较高的脱水固结效率，并且具备能够支撑上层管袋的承载能力，现场试验对施工具有重要的指导意义。但充灌大型管袋、试验监测与数据分析等工作往往要投入大量的人力、物力与财力，相对而言，规模较小的物理模型试验更为经济合理。通过开展土工管袋真空抽滤物理模型试验，分析不同影响因素下超细尾矿充灌管袋的脱水效果，从而寻找最适宜现场施工的工艺参数组合。

2.1 试验装置与方案设计

试验装置主要由真空泵、真空釜、真空吸盘、充灌平台等部件在组成。基本原理是采用真空泵为真空釜提供负压，通过与真空釜连接的真空吸盘（直径5.0cm）在管袋顶部表面进行抽滤脱水，管袋内尾矿中的水分通过真空吸盘进入到真空釜中，真空釜则起到水气置换的作用，防止水直接进入到真空泵中。充灌平台底部设置锥形滤液汇集舱，管袋模型滤液经汇集舱流入底部滤液汇集容器中。试验中所采用的管袋模型平整铺放状态下呈正方形，边长为50.0cm，采用150g/m2的塑料扁丝编织土工布缝制而成，设计充灌厚度为10.0cm。充灌厚度是指管袋充灌完成后，管袋底部与顶部最高点的距离，该距离通过固定在充灌平台上的限高平杆确定。对于土工管袋工程应用，国内所采用的的充灌压强一般在0.1～0.35MPa 之间，国外所采用的充灌压力则高达2.0MPa 左右。国内外管袋的尺寸宽度一般在5～10m 左右，长度范围一般为5～100m。由于管袋较长，长度取与宽度相同的尺寸，假定原型管袋的长宽均为5.0m，充灌高度为1.0m，物理模型试验中选取的是长宽均为50cm 的方形，充灌高度为10.0cm，则原型与模型的几何比尺lp：lm=10：1，重力加速度比尺gp：gm=1：1，根据重力相似准则，速度比尺vp：vm=3.162：1，因此流量比尺为316.2：1。模型管袋的充灌流量为85cm3/s，对应的原型管袋充灌流量为100m3/h，这与实际工程中所采用的管袋充灌流量也是相符的。

按照实际工程的客观情况和土工管袋脱水固结影响因素的主次区别，选定尾矿浓度和真空压力作为试验控制参数，尾矿浓度选取40%、50%和60%三种，真空压强选取60.0±3.0kPa、70.0±3.0kPa 和80.0±3.0kPa三种，共计9 组试验（工况1～9）。实际工程中，真空压强的最大值为100kPa，原型与模型之间并不完全符合重力相似准则，出于极限条件测试的考虑，仍选取上述三种压强水平开展试验。

3 结果分析

3.1 预实验

预实验结果显示，在管袋充灌过程中开展真空抽滤脱水效果最佳，因此，试验中在相邻两次充灌的屏浆阶段实施真空抽滤，抽滤时间统一设为0.5h。为进一步明确真空抽滤的作用效果，同时设计了三组对照工况（工况DZ-1、DZ-2 和DZ-3）。试验中所采用的长×宽×厚=50.0cm×50.0cm×10.0cm 的管袋模型，其内部最多可容纳干尾矿的重量约为40.0kg。试验工况如表1所示。

表1 土工管袋真空抽滤物理模型试验工况

3.2 试验材料特性分析

3.2.1 尾矿物理性质

测试结果表明，该尾矿的真比重为3.68，对应含水率18%的密度为2.372×103kg/m3，相应的干密度为2.01×103kg/m3。尾矿的颗粒级配如图1所示，颗粒粒径级配指标如表2所示。

图1 尾矿颗粒粒径级配累积曲线

表2 尾矿颗粒粒径级配指标

从图1、表2 中可以看出，尾矿中的含砂量仅为4.37%，黏粒含量为18.77%，粉粒含量则高达76.86%。此外，尾矿不均匀系数Cu=14.10＞5，且曲率系数Cc=1.33介于1～3 之间，由此可见，该尾矿属于级配良好的尾粉质黏土。

3.2.2 土工编织布性能

调查结果显示，在云南思茅山水铜业有限公司大平掌尾矿库、昆明汤丹冶金有限责任公司汤丹尾矿库和中电投山西铝业有限公司上封村赤泥库等多个管袋筑坝工程项目中，所采用的土工织物均为塑料扁丝编织土工布，单位面积重量一般为150g/m2。为保证试验结果具备普遍代表性，采用该种类型土工织物与上述尾矿材料进行试验。管袋土工编织布的性能指标如表3所示。

3.3 模型效率分析

实际工程中，往往期望管袋应尽可能快的脱除水分且多保留固体介质，同时提高充灌施工效率。分析模型试验结果，可尝试引入充灌效率EG、脱水效率ED和过滤效率EF三个指标[13]对不同工况下管袋技术的应用成效进行综合定量评价。充灌效率定义为充灌矿浆浓度、袋内矿浆浓度以及滤液浓度之间的一种比例关系；脱水效率为管袋内矿浆浓度与充灌矿浆浓度的一种比例关系；过滤效率为充灌矿浆浓度与滤液浓度的一种比例关系。其计算公式分别为：

式中：Cf为充灌矿浆浓度，为已知条件，%；Cg为管袋内矿浆浓度，%；Cp为滤液浓度，%。从公式（1）～（3）可以看出，充灌效率EG可用以衡量充灌矿浆中单位重量固相颗粒有效用于灌袋的比例，亦可称之为产率；脱水效率ED代表管袋在流失较少固相颗粒的情况下允许水分通过的能力；过滤效率EF则具备判断管袋在最大排水情况下保留充灌尾矿中固相颗粒的能力。基于物理模型试验结果，各浓度数值可通过以下公式求得：

式中：wg为管袋内矿浆含水率，%；mu为台下滤液固相重量，kg；mv为抽滤滤液固相重量，kg；Mu为台下滤液重量，Mv为抽滤滤液重量，kg。基于公式（1）～（5），对土工管袋真空抽滤物理模型试验的结果进行归纳整理，结果如表4所示，充灌、脱水与过滤效率变化曲线如图2所示。

图2 管袋的充灌、脱水与过滤效率变化曲线

表4 各工况下管袋的充灌、脱水与过滤效率

从试验结果可以看出：

（1）随着充灌浓度Cf由40%增加到60%，管袋充灌效率EG与过滤效率EF均呈现增长趋势，增长速率由快变缓，而脱水效率ED则降低显著，降低幅度接近70%；

（2）当充灌浓度Cf为40%时，相对于对照工况组p=0kPa 的效率曲线，真空压强p=60kPa、70kPa 和80kPa 的真空抽滤工况组脱水效率ED与之差距不大，均接近于100%，而充灌效率EG与过滤效率EF则明显低于对照工况组，且随真空压强p 的增加，两效率均呈递减趋势；

（3）当充灌浓度Cf达到50%时，真空抽滤工况组的充灌效率EG与过滤效率EF依然低于对照工况组，但差距在不断缩小，而其脱水效率ED则开始高于对照组，且随真空压强p 的增加，脱水效率ED不断降低；

（4）当浓度Cf增加至60%时，真空抽滤工况组的充灌效率EG、脱水效率ED与对照工况组逐渐接近，而过滤效率EF则稍高于对照工况组，且各效率几乎不受真空压强p 的影响。

由此可见，对于超细尾矿充灌管袋而言，充灌浓度对管袋的充灌、脱水与过滤效率的影响要显著高于真空压强，适当降低充灌浓度，虽然会对充灌效率和过滤效率造成一定的影响，但却能够有效提高管袋的脱水效率。从常规角度分析，当充灌浓度较低且真空压强越大时，更易于管袋内水分排出，真空抽滤作用应当对管袋的脱水效率影响更为显著，而试验结果却与该论断相悖。究其原因，该状况可能与试验所采取的方案和滤饼形成有关。为便于收集滤液，充灌平台金属板上设置了一定数量的孔洞，导致管袋底部形成透水边界，原本应当由管袋侧边和顶部排出的水分可以通过底部透水边界排出，增加了重力作用对管袋脱水效率的影响；而真空抽滤位置在管袋顶部表面，水分自下而上排出，真空抽滤作用与重力作用相互抵消，降低了管袋的脱水效率；随着充灌浓度的增加，重力作用对管袋脱水效率的影响逐渐降低，真空抽滤开始发挥主要作用，管袋的脱水效率又开始逐渐提高；但真空抽滤也容易在管袋表层形成滤饼，压强越大，滤饼结构越致密，反而导致脱水效率降低；当充灌浓度过高时，由于渗透系数的劣化，真空抽滤作用效果亦折减严重，直至无法影响脱水效率。因此，真空抽滤作用的充分发挥需要适宜的充灌浓度和尽可能低的真空压强。

4 结论

通过对超细尾矿充灌管袋开展真空抽滤脱水试验，分析试验过程和结果可以得出以下结论：

（1）脱水效率与过滤效率是以管袋本身为研究对象提出的两个用以评价管袋技术应用成效的关键指标，已成功并广泛应用于大量工程实践；但以工程整体来看，一定重量的充灌浆液中究竟有多少固相颗粒能够被有效充灌至管袋中，关乎施工成本，亦需重点关注，建议引入充灌效率以完善指标体系；

（2）管袋的充灌、脱水与过滤效率受充灌浓度影响较大，适当降低充灌浓度虽会在一定程度上影响充灌效率与过滤效率，但相对于脱水效率提高的幅度以及由此带来的施工效率的增加，原则上是能够接受的；但也需注意，过低的充灌浓度将可能成倍增加泵送系统能耗，充灌浓度的选择需要做经济、技术层面的综合规划；

（3）囿于模型试验客观条件限制，管袋模型无论从尺寸还是边界条件，都与实际工程存在一定的差异，但从现有试验结果来看，真空抽滤作用虽然带来了额外的固相颗粒流失，在有限幅度上降低了管袋的充灌和过滤效率，但从改善管袋的脱水效率，提高施工效率角度而言仍具有积极意义，可为各领域相近工程施工提供技术借鉴。