基于正交试验的水泥-全尾砂料浆沉降特性试验

侯运炳 兰世忠 徐文彬 李 鹏 陈林林(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

基于正交试验的水泥-全尾砂料浆沉降特性试验

侯运炳 兰世忠 徐文彬 李 鹏 陈林林(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

尾矿固结排放工艺已成为我国尾矿处理的新的技术途径。以安徽某铁矿水泥-全尾砂料浆为试验材料，采用正交试验方案和极差分析方法，对比研究了不同质量浓度、灰砂比和胶凝材料对料浆沉降特性的影响。结果表明：在质量浓度、灰砂比和胶凝材料3个影响因素中，影响顺序为质量浓度>胶凝材料>灰砂比,即质量浓度对料浆沉降特性的影响比较显著；浓度为78%、灰砂比为8%、胶凝材料为TC-Ⅱ时，水泥-全尾砂料浆的沉降量最小、沉降速度最慢；最终推荐料浆配比为浓度75%～78%，灰砂比8%，胶凝材料为TC-Ⅱ。

尾矿固结 水泥-全尾砂料浆 正交试验 沉降特性

近年来，尾矿固结排放工艺已成为我国尾矿处理的新的技术途径，该工艺技术改变了传统的尾矿库排放方式，安全环保；同时也能解决地表塌陷坑回填和土地复垦等问题；还可以提高矿山废料的综合利用率，取得了良好的技术经济效果[1-6]。水泥-全尾砂料浆以实验室配制的新型全尾砂固化剂为胶凝材料，以全尾砂为骨料，加入水中按要求的比例混合搅拌制成质量浓度分别为72%、75%、78%的料浆。水泥-全尾砂料浆是一种多相人工复合的混凝土类材料[7-8]，沉降特性及其影响因素的研究是该固结排放工艺中的重要内容，直接影响到过滤机的生产效率[9]。水泥-全尾砂料浆在固结排放时要考虑其沉降特性，在满足工艺需求的条件下，应使其沉降量尽量小、沉降速度尽量慢。本试验采用正交设计法设计试验方案，对不同质量浓度的全尾砂和水泥-全尾砂料浆进行实验室沉降试验，研究了料浆沉降特性随不同质量浓度、灰砂比、胶凝材料的沉降变化规律，为分析料浆的性能提供基本依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验胶凝材料包括矿渣硅酸盐水泥(P.S 32.5)、实验室配制的新型全尾砂固化剂TC-Ⅰ、TC-Ⅱ。选用安徽某铁矿的全尾砂作为骨料，该全尾砂属于粗粒尾矿[10]，其密度为2.80 g/cm3，容重为1.75 t/m3，孔隙率为37.50%；不均匀系数Cu=3.64<5，尾砂级配不良；曲率系数Cc=1.61，1

1.2 试验方法

称取不同浓度所需要的水泥、全尾砂的质量，量取所需水量，配制成质量浓度分别为72%、75%、78%的水泥-全尾砂料浆，使水泥、尾砂和水搅拌均匀，然后注入到有机玻璃沉降柱(高50cm，内径10cm)中进行自然沉降，并记下最初的液面高度。每1min记录1次泥面的下沉高度，共记录30min。正交试验共9组。

2 沉降特性正交试验

以安徽某铁矿全尾砂为原材料，进行了胶凝材料类型、不同配比正交试验。以不同的料浆浓度、灰砂比、胶凝材料为考察因素(依次为因素A、B、C)，每个因素各取3个水平，采正交表L9(34)安排试验[11]。试验因素水平见表1，试验结果列于表2。

表1 L9(34)正交试验因素水平安排Table 1 L9(34)Orthogonal test factors level

表2 沉降特性正交试验结果Table 2 Orthogonal test program and results

3 试验结果分析

3.1 极差分析

极差分析可以直观明了地看出各个因素对沉降特性的影响程度大小。试验中，各因素对沉降特性试验值的影响程度不同，可以用极差R来判断，即根据因素不同的水平之间相应的试验值差异(极差)的大小评判。如果极差R大，那么此因素对试验值的影响就比较显著；反之，如果极差R小，那么此因素对试验的影响程度则较小，可认为该因素就是次要影响因素[11]。经计算试验数据，得到正交试验结果极差分析表如表3所示。

表3 沉降特性正交试验极差分析结果
Table 3 Orthogonal test results range analysis mm

因素水平因素平均值水平1水平2水平3极 差R较优水平A27.13322.66714.16712.9661B20.83321.03322.1001.2673C23.06720.76720.1332.9341

由表3可知，影响料浆沉降特性的3个因素A、B、C的极差分别为12.966、1.267、2.934，比较极差R可得，3因素对料浆沉降特性影响的主次顺序为A>C>B，其中因素B、C的极差值均很小，影响程度不明显，工艺中不作为主要因素考虑。

3.2 因素水平对沉降特性的影响分析

根据正交试验的极差分析可以得出影响料浆沉降特性的主次要因素，但不能直观地看出各因素的影响趋势，根据正交试验综合可比的特性，下面由正交试验所得数据进行作图，分别比较不同浓度、灰砂比、胶凝材料对料浆沉降特性的影响情况。

3.2.1 料浆浓度对沉降特性的影响分析

不同质量浓度的水泥-全尾砂料浆沉降高度与时间的关系如图1所示，对照组的全尾砂料浆沉降高度与时间的关系如图2所示。

图1 不同浓度混合料浆沉降高度-时间关系

图2 不同浓度全尾砂料浆沉降高度-时间关系

由图1、图2可以看出：

(1)水泥-全尾砂料浆的沉降高度-时间关系曲线都是先快速增加后缓慢增加的趋势，到最后基本保持稳定。浓度从72%到78%的料浆在前8 min内沉降高度由大到小、沉降速度由快到慢，分别在11、22、24 min左右沉降基本停止。浓度72%、75%、78%的料浆到30 min时的沉降高度分别为27.1、22.7、14.2 mm，相邻两者之间的差值依次为4.4、8.5 mm，各因素之间差值较大。其中浓度78%的料浆沉降速度最慢，沉降高度最小，分析可知，随着料浆浓度的加大，料浆的最终沉降高度变小、沉降速度减缓。这是因为水泥、全尾砂与水搅拌后，混合料浆内部开始进行水化反应，生成的絮凝状的水化产物导致混合料浆沉降速度加快[12]。

(2)全尾砂料浆的沉降高度-时间关系曲线有显著特点。浓度72%的料浆沉降速度较快，而且沉降高度较大，为26.0 mm，并在10 min左右沉降基本停止。浓度75%、78%的料浆沉降高度-时间关系曲线大致重合，在前25 min内沉降速度比较稳定，在25 min后沉降还在缓慢进行，到30 min时浓度78%的料浆沉降基本停止，浓度75%的料浆还在继续下沉。浓度72%、75%、78%的全尾砂料浆到30 min时的沉降高度分别为27.0、17.0、15.1 mm，相邻两者之间的差值依次为10.0、1.9 mm。随着全尾砂料浆浓度越大，料浆的沉降速度减缓。结果表明全尾砂料浆的浓度增大，颗粒发生沉降时所受到的阻力增大，导致颗粒在静态时的沉降速度越来越慢。

(3)与对照组全尾砂料浆相比，浓度78%的水泥-全尾砂料浆的沉降高度最小，但浓度为78%时偏高，不利于固结排放，因此，确定水泥-全尾砂的排放浓度在75%～78%。在条件允许的情况下，提高料浆浓度对降低料浆的最终沉降量和沉降速度有利。

3.3.2 灰砂比对沉降特性的影响分析

不同灰砂比的水泥-尾砂对料浆沉降高度与沉降时间的关系如图3所示。

由图3可知，在22 min以后，灰砂比8%、10%的料浆沉降高度保持稳定，灰砂比12%的料浆沉降高度仍有略微增加。灰砂比8%、10%和12%的水泥-全尾砂料浆对沉降高度的影响程度大致相同，3条曲线基本重合。这就说明，灰砂比不是影响料浆沉降的主要因素，其影响程度不明显，在实际工程中一般可以不考虑该因素。但总体来说，灰砂比为8%时的料浆沉降高度相对较小，为20.8 mm。

图3 不同灰砂比混合料浆沉降高度-时间关系

3.3.3 胶凝材料对沉降特性的影响分析

不同胶凝材料的水泥-尾砂对料浆沉降高度与沉降时间的关系如图4所示。

图4 不同胶凝材料混合料浆沉降高度-时间关系

由图4可知，添加的TC-Ⅰ和TC-Ⅱ的料浆沉降高度随时间变化的关系曲线基本重合。添加P.S、TC-Ⅰ、TC-Ⅱ的水泥-全尾砂料浆沉降高度分别为23.1、20.8、20.1，三者沉降量相差不多，沉降速度基本一致，沉降趋势相同。说明各种胶凝材料对水泥-全尾砂料浆的沉降特性影响程度相似，都不显著，不是主要影响因素。相比较而言，添加实验室配制的TC-Ⅱ时料浆的沉降高度相对较小。因而在实际工程应用中可选择TC-Ⅱ这一较便宜的胶凝材料。

根据水泥-全尾砂料浆的沉降特性试验研究，推荐料浆配比为浓度75%～78%，灰砂比8%，胶凝材料为TC-Ⅱ。这样既能满足工艺要求，也能降低排放成本，还可以提高排放工艺效率。

4 结 论

(1)不同的料浆浓度、灰砂配比以及胶凝材料对料浆的沉降特性影响程度不同，各因素对料浆沉降特性影响的主次顺序为料浆质量浓度>胶凝材料>灰砂比，即水泥-全尾砂的质量浓度对料浆的沉降影响最为显著。

(2)随着料浆浓度的加大，料浆的最终沉降高度变小、沉降速度减缓。浓度78%的水泥-全尾砂料浆的沉降高度最小，但浓度为78%时偏高，不利于固结排放，因此，确定水泥-全尾砂的排放浓度在75%～78%。在条件允许的情况下，提高料浆浓度对降低料浆的最终沉降量和沉降速度有利。

(3)灰砂配比、胶凝材料对料浆的沉降特性影响较小，通过正交试验分析知，料浆浓度为78%、灰砂比为8%、胶凝材料为TC-Ⅱ时，水泥-全尾砂料浆的沉降量最小，沉降速度最慢。因此，推荐质量浓度75%～78%，灰砂比8%，胶凝材料为TC-Ⅱ。上述参数既能满足工艺要求，也能降低尾矿排放成本，技术经济效果良好。

(4)目前，该铁矿年产300万t，每年用于尾砂排放、地表征地以及环境费用超近千万，若实现全尾砂固结排放，不仅可减少尾矿排放及维护费用，同时还可以少征或不征耕地，而且可以有效地保护环境，符合绿色矿山建设要求。

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(责任编辑 徐志宏)

Experimental Study on Settling Characteristics of Full Tailings Slurry Mixed with Cement Based on Orthogonal Test

Hou Yunbing Lan Shizhong Xu Wenbin Li Peng Chen Linlin(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

The cementation and discharging process of tailings has become a new way of tailings processing in China.Taking full tailings slurry mixed with cement from an iron ore in Anhui as the experimental materials，by adopting the orthogonal design method and the extremum difference analysis method，the influence of weight concentration，cement-tailings ratio and cementitious materials on settlement characteristics are studied and contrasted.The experimental results show that among three factors of weight concentration，cement-tailings ratio and cementitious materials，the weight concentration has a maximum effect，followed by cementitious materials and cement-failings ratio in order.That is，the effect of weight concentration on the slurry settlement characteristics is most significant.In the experiment，under the condition of the concentration 78%，the cement-failings ratio 8%，and the cementitious materials type of TC-II，both the settlement and the sedimentation velocity of the full tailings slurry mixed with cement are minimal.So the final formula with the slurry concentration of 75%～78%，cement-failings ratio of 8% and cementitious materials of TC-II is recommended.

Tailings cementation，Full tailings slurry mixed with cement，Orthogonal test，Settlement characteristics

2014-10-24

“十二五”科技支撑计划(编号：2013BAB02B04)，中央高校基本科研业务费项目(编号：2011YZ02)。

侯运炳(1962—)，男，教授，博士生导师。 通讯作者 徐文彬(1985—)，男，博士，讲师。

TU44

A

1001-1250(2015)-01-025-04