尾砂模袋充填试验研究

刘晓峰

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

尾矿库是用于贮存选矿后尾矿的重要设施，截至2017 年底，我国共有7 793 座尾矿库[1]，其中约有70%的尾矿库采用上游式筑坝[2]。随着选矿工艺的愈加成熟以及矿产资源综合利用水平的提高， 从选矿厂出来的尾矿也越来越细， 给传统的上游式尾砂筑坝带来了不少难题。如筑坝困难导致堆积高度受限，坝体排渗不畅引起坝体浸润线偏高，干滩坡度较缓导致安全超高和调洪水深不足，以及尾砂固结较慢导致坝体稳定性降低等[3]。

土工模袋作为新型建筑材料，是一种双层聚合化纤合成材料制成的的袋状产品[4]，已成功应用于水利、水电、公路、铁路、海港以及军工等领域，其具有以下优点：1）模袋一次充灌成型，施工工艺简便，速度较快；2）袋内充填材料通常能就地取材，价格便宜，能大大节省工程投资；3）具有一定的透水性，多余水分通过袋体织物孔隙渗出， 加快充灌材料的固结速度， 提高其抗压强度。 近些年土工模袋在尾矿行业，特别是在细粒尾砂筑坝中也得到了广泛运用[5]。

本文拟通过尾砂模袋充填试验， 测定土工模袋的“存粗去细”效果。 同时了解不同粒径尾砂充填模袋后，模袋内尾砂的粒径、含水率、物理力学性能及固结效果，为细粒尾砂筑坝提供技术参考。

1 试验研究

1.1 概况

本次试验研究主要依托于江西省某矿山尾矿库扩容改造工程，针对其中的模袋拦挡坝坝体是采用全尾尾砂还是分级尾砂充填进行比选。 试验过程中共充填6 条模袋，其中全尾尾矿及分级尾矿充填模袋各有3 条。在每组放矿管内、旋流分级器沉砂口和每条模袋的两端及中部位置取样， 对充填模袋前后尾砂粒径及尾矿含水率进行分析； 同时在充填模袋成型后，在每条模袋的两端及中部位置取样，进行物理力学性能分析。

图1 模袋充填试验现场

1.2 研究内容

试验研究内容主要分为3 个部分：1）全尾尾砂及分级尾砂在充填模袋前后尾砂粒径变化情况；2）全尾尾砂及分级尾砂充填模袋前后含水率变化情况；3）全尾尾砂及分级尾砂充填模袋后的物理力学性能指标对比情况。

2 试验结果及分析

2.1 尾砂粒径

分别对全尾尾砂和分级尾砂充填模袋前、全尾尾砂充填模袋前后、分级尾砂充填模袋前后以及分级尾砂和全尾尾砂充填模袋后的尾砂进行粒径对比，具体见图2～图5。

图2 全尾及分级尾砂充填模袋前粒径分布

图3 全尾尾砂充填模袋前后粒径分布

图4 分级尾砂充填模袋前后粒径分布

图5 分级尾砂粒径及全尾充填成型后粒径分布

由图2～图5 可知：1）全尾尾砂经过旋流器分级后，-19 μm 的尾砂量由原来的39.2%降至21.8%，降低幅度为 44.4%。 +50 μm 的尾砂量由原来的27.9%增至38.6%，增加幅度为38.4%；2）全尾尾砂充填模袋后，-37 μm 的尾砂量由原来的66.5%降至34.3%，降低幅度为48.4%。+74 μm 的尾砂量由原来的21.8%增至47.9%，增加幅度为119.7%；3）分级尾砂充填模袋后，-37 μm 的尾砂量由原来的51.5%降至20.1%，降低幅度为61.0%。 +74 μm 的尾砂量由原来的27.1%增至57.9%，增加幅度为113.7%；4）全尾尾砂经过旋流器分级后，-37 μm 的尾砂量占51.5%，74 μm 的尾砂量占 27.1%。 全尾尾砂充填模袋后-37 μm 的尾砂量占 34.3%，74 μm 的尾砂量占47.9%。充填模袋后尾砂粒径较经过旋流器分级后的要粗，模袋具有较好的尾砂分级效果。

2.2 尾砂含水率

对全尾尾砂及分级尾砂在灌入模袋前、 模袋成型渗出清液及模袋成型不再渗水时段的含水率情况进行对比，各阶段含水率情况见图6。

图6 全尾及分级尾砂模袋充填前后含水率变化

由图6 可知：1）全尾尾砂冲灌时含水率为424.7%，模袋成型渗出清液时含水率为74.8%， 模袋成型不再渗水时含水率为34.9%；2）分级尾砂冲灌时含水率为156.0%，模袋成型渗出清液时含水率为35.6%，模袋成型不再渗水时含水率为24.7%；3）由于分级尾砂系全尾尾砂采用旋流器分级选得， 灌入模袋时带入至模袋内的水量相应大幅减少，其含水率由424.7%降至156.0%，降低幅度为63.3%，矿浆浓度大幅增加；4）在模袋成型渗出清液时，分级尾砂较全尾尾砂的含水率由74.8%降低至35.6%， 降低幅度为52.4%；5）在模袋成型不再渗水时，分级尾砂较全尾尾砂的含水率由34.9%降低至24.7%， 降低幅度为37.3%。

同时根据试验确定， 分级尾砂在模袋中成型时间较短，仅约1 d，而全尾尾砂在模袋中成型时间较长，约7 d，且分级尾砂较全尾尾砂在模袋成型后（含渗出清液及不再渗水）的含水率要低，固结速度要快。

2.3 尾砂物理力学性能

在充填模袋成型且不渗出渗滤液后， 对模袋内全尾尾砂及分级尾砂分别进行取样， 并与未充填的全尾尾砂性能进行对比，见表1。

表1 充填模袋前后尾砂物理力学性能指标

由表1 可知：1）尾砂通过充填模袋后，其渗透系数、抗压缩性能及抗剪强度均有所提高；2）充填模袋的全尾尾砂渗透系数较分级尾砂的要小，模袋成型时间较长；3）全尾尾砂和充填模袋全尾尾砂压缩系数较大，属高压缩性；充填模袋分级尾砂压缩系数较小，属中压缩性；4）充填模袋全尾尾砂固结抗剪强度指标仅约分级尾砂的一半；5）全尾尾砂充填模袋成型时的天然抗剪强度较固结快剪强度指标大， 不渗出渗滤液时离完全固结还需要一段时间；6）分级尾砂充填模袋成型时的天然抗剪强度与固结快剪强度指标相接近，不渗出渗滤液时已接近完全固结。

3 结论

1）全尾尾砂经过旋流器分级后，-37 μm 的尾砂量占51.5%，74 μm 的尾砂量占27.1%。 全尾尾砂充填模袋后-37 μm 的尾砂量占 34.3%，74 μm 的尾砂量占47.9%。 充填模袋后尾砂粒径较经过旋流器分级后的要粗，模袋具有较好的尾砂分级效果。

2）全尾尾砂充填模袋成型时的天然抗剪强度较固结快剪强度指标相差相对较大，固结时间较长；而分级尾砂充填模袋成型时的天然抗剪与固结快剪强度指标相接近，固结时间较短。

3）充填模袋的全尾尾砂固结抗剪强度指标仅约分级尾砂的一半，故模袋内充填的尾砂粒径越粗，尾矿水从模袋内析出越快，模袋成型时间越短，抗剪强度指标越好。

4）模袋具有较好的尾砂分级效果，能够“存粗去细”，对于难于直接筑坝的细粒尾砂，可考虑先采用模袋法或尾砂分级后，再采用模袋法进行堆坝。