西石門鐵礦水泥－全尾砂料漿沉降性能的研究

侯運(yùn)炳，彭 勃，2，王炳文，劉會(huì)臣，王永康，石森森

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083；2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原030000）

尾礦固結(jié)排放工藝要求在全尾砂料漿中添加一定比例的水泥，攪拌均勻后將其濃縮脫水，形成尾砂固結(jié)體，然后堆存在地表適當(dāng)位置［1－2］。水泥－全尾砂混合料漿是一種多相人工復(fù)合的混凝土類材料，其強(qiáng)度和變形受到料漿凝固前的沉降性質(zhì)影響。在一定的區(qū)域中，不同粒徑物料固體顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)速度和方向雜亂無(wú)章的［3］。顆粒間相互干擾，沉降速度降低，促使料漿在過(guò)濾機(jī)槽體內(nèi)均勻分布，有助于提高過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)效率。當(dāng)進(jìn)行過(guò)濾物料排放時(shí)，料漿將會(huì)產(chǎn)生一定的離析現(xiàn)象，而且含水越多，粒徑分布越不合理，料漿離析越嚴(yán)重。針對(duì)西石門鐵礦全尾砂含泥量高、漿體脫水難的特點(diǎn)，對(duì)不同濃度的全尾砂漿和水泥－全尾砂料漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室沉降實(shí)驗(yàn)，分析了沉降參量隨濃度、膠凝材料和膠凝材料水化時(shí)間的變化規(guī)律。

1 水泥－全尾砂料漿沉降實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 全尾砂

取自西石門鐵礦的全尾砂。西石門鐵礦全尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，該分析結(jié)果是由北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。物理性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表2所示。采用歐美克LS－C（11A）激光粒度分析儀分析西石門鐵礦全尾砂的粒級(jí)分布，結(jié)果如圖1所示。西石門鐵礦全尾砂的粒度組成特征值為d10＝54.1μm、d30＝117.2μm、d60＝224.0μm中值粒徑d50＝190μm。顆粒粒徑主要集中在80～300μm之間。全尾砂不均勻系數(shù)Cu＝4.14＜5、曲率半徑Cc＝1.13，屬于級(jí)配不良材料。

1.1.2 膠凝材料

包括普硅酸鹽水泥（P.O42.5，武安市新峰水泥有限責(zé)任公司）和礦渣硅酸鹽水泥（P.S32.5，武安市新峰水泥有限責(zé)任公司），以及新型全尾砂固化劑TC－Ⅰ和 TC－Ⅱ。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)砂漿配制用水采用未經(jīng)處理的城市自來(lái)水。

表1 西石門鐵礦全尾砂主要化學(xué)成分分析

表2 西石門鐵礦全尾砂物理性能

圖1 西石門鐵礦全尾砂粒級(jí)分布曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

全尾砂沉降性能對(duì)水泥－全尾砂混合料漿的物理、化學(xué)性質(zhì)具有較大影響。它決定著過(guò)濾機(jī)槽體中料漿的沉降特性?；旌狭蠞{（全尾砂漿）一般在攪拌后最初階段常常處于亞飽和狀態(tài)，由于毛細(xì)壓力和固體顆粒自重作用自然沉降。并且在靜止放置后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，混合料漿體積減小并產(chǎn)生脫水，經(jīng)歷沉降、壓密自然沉降過(guò)程。目前，西石門鐵礦固結(jié)排放工段18m濃密機(jī)的底流濃度42%～52%。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）所提供的研究成果，確定水泥－全尾砂混合料漿中灰砂比約為3%。西石門鐵礦固結(jié)排放工段圓盤真空過(guò)濾機(jī)的入料為18m濃密機(jī)的底流和外加3%的水泥的混合料漿。因此，設(shè)計(jì)全尾砂漿和混合料漿的濃度分別為42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比為3%。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)室全尾砂漿沉降性能實(shí)驗(yàn)所采用的的實(shí)驗(yàn)儀器主要有量筒（1000mL）、普通天平（1000g）、漏斗、尾砂、燒杯、自制泡沫塞子、秒表、照相機(jī)等。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）計(jì)算料漿濃度42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比為3%的水泥和尾砂的重量，以及水的重量。

2）分別稱取不同濃度所需要的水泥、尾砂的重量，量取所需水量。

3）將稱取的水泥、尾砂和水分別加入量筒，塞上塞子，充分晃動(dòng)5min，使得水泥、尾砂和水混合均勻，并記下最初的液面高度。

4）每隔30s記錄一次固液分界面的高度并且拍照，共記錄10min。

5）每60s記錄一次固液分界面的高度并且拍照，共記錄5min。

6）按照不同的水泥尾砂比例稱取相應(yīng)的物品，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（3）～（6）。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將倒入實(shí)驗(yàn)儀器中的待測(cè)混合料漿快速攪勻后讓其自然沉降，由于物料的密度大于水的密度，物料將會(huì)在自身重力和水的浮力的綜合作用下逐漸下沉，上部會(huì)漸漸析出清水，清水層的高度變化可以直觀地反映混合料漿的沉降特性［4］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用全尾砂干砂與適量的自來(lái)水配置濃度為40%～55%的全尾砂漿，pH試紙測(cè)定砂漿的pH值約為7～8，呈弱堿性；按照灰沙比為3%配制的相同濃度的水泥－全尾砂混合料漿，pH試紙測(cè)定混合料漿的pH值約為10。

2.1 不同砂漿濃度對(duì)物料沉降速度的影響

西石門鐵礦尾砂料漿沉降高度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2，水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料漿沉降高度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論。

1）隨著全尾砂料漿濃度增大，沉降速度減小。這是因?yàn)?，隨著料漿質(zhì)量濃度增大，顆粒沉降所受到的干擾程度增大，因此顆粒的靜態(tài)沉降速度減小。因此有利于提高圓盤真空過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾效率。

2）灰砂比3%的水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料漿的沉降速度明顯快于純尾砂的沉降速度。沉降在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的最初4min內(nèi)效果顯著，沉降距離顯著加快。在4～10min時(shí)沉降距離增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯變緩、沉降速度較小，呈壓密現(xiàn)象。并在10min左右沉降基本停止。而純尾砂在20min時(shí)還在不斷沉降，這可能與水泥的水化有關(guān)。水泥、全尾砂與水混合攪拌后，水泥熟料礦物開(kāi)始水化，同時(shí)與全尾砂料漿中沉降速度較慢的細(xì)粒物料產(chǎn)生絮凝，形成絮團(tuán)，導(dǎo)致混合料漿的沉降速度加快。

2.2 同種膠凝材料不同水化程度對(duì)物料沉降速度的影響

在一定時(shí)間內(nèi)，隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥－全尾砂混合料漿中水泥水化程度增強(qiáng)，被水化產(chǎn)物包裹的細(xì)顆粒物料增多，形成體積相對(duì)較大的絮團(tuán)。根據(jù)斯托克斯公式、阿連公式和雷廷格公式［5］可知：在一定范圍內(nèi)顆粒的沉降速度隨著顆粒直徑的增大而增大。導(dǎo)致混合料漿體系內(nèi)整體沉降速度增加。

以礦渣硅酸鹽水泥為例，按混合料漿濃度為44%和48%、灰沙比為3%，分別配制三組水泥（P.S 32.5）－全尾砂混合漿體（記為 A、B、C三組）。其中，A組配制完成后立即測(cè)量料漿沉降速度，B組配制結(jié)束后用玻璃棒攪拌10min后開(kāi)始測(cè)量其沉降速度。C組在攪拌20min后再開(kāi)始測(cè)量料漿的沉降速度。不同水化程度的水泥（P.S 32.5）－全尾砂料漿沉降關(guān)系曲線如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知：在一定時(shí)間范圍內(nèi)，提前加入膠凝材料（P.S 32.5）可以減緩物料的沉降速度。從圖4可以看出：在料漿濃度為48%時(shí)，提前加入水泥的最佳時(shí)間在10min左右。這與西石門鐵礦固結(jié)排放段的工藝流程相吻合。同時(shí)能夠提高圓盤真空過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾效率。

圖2 不同濃度純尾砂料漿沉降高度－時(shí)間曲線

圖3 不同濃度混合料漿沉降高度－時(shí)間曲線

圖4 不同預(yù)水化時(shí)間混合料漿的沉降曲線

圖5 不同水化程度混合料漿的沉降曲線

2.3 不同膠凝材料對(duì)物料沉降速度的影響

膠凝材料種類不同，其水化活性有所不同。因此不同的膠凝材料對(duì)水泥—全尾砂混合料漿中物料沉降速度具有不同的影響。如果膠凝材料水化活性低、初凝時(shí)間長(zhǎng)，那么添加膠凝材料后，導(dǎo)致細(xì)顆粒物料增加，級(jí)配發(fā)生變化，物料沉降受干擾程度增大，整體沉降速度減??；反之，則膠凝材料、尾砂與水拌和后，立即發(fā)生水化反應(yīng)，同時(shí)與漿體中沉降速度較慢的細(xì)粒物料產(chǎn)生絮凝，形成絮團(tuán)，沉降速度加快。

現(xiàn)在分別以普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），礦渣硅酸鹽水泥（P.S 32.5）以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研制的新型全尾砂固化劑T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ配制灰砂比為3%、濃度為48%的混合料漿。研究不同膠凝材料對(duì)水泥—全尾砂料漿的物料沉降速度的影響。按照比率配制好料漿后，攪拌10min，然后進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：全尾砂固化劑T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ與礦渣硅酸鹽水泥 （P.S 32.5）對(duì)水泥—全尾砂料漿的物料沉降規(guī)律相似而與普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）的差異較大，這是由于全尾砂固化劑與礦渣硅酸鹽水泥的礦物組成相似的結(jié)果。

圖6 不同膠凝材料混合料漿的沉降曲線

3 結(jié)論

1）全尾砂沉降速度相對(duì)較快，灰砂比3%的水泥—全尾砂混合料漿通常在20min以內(nèi)就可以接近最大沉降濃度和最大沉降容重。因此，如果在過(guò)濾機(jī)槽體內(nèi)進(jìn)行攪拌，促使混合料漿中的物料分布更加均勻，更加有利于過(guò)濾機(jī)效率的提高。

2）水泥水化程度對(duì)混合料漿沉降有影響，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，提前加入膠凝材料可以減緩混合料漿的物料沉降速度。在料漿濃度為48%時(shí)，提前加入水泥的最佳時(shí)間在10min左右。

3）全尾砂固化劑－全尾砂料漿的物料沉降規(guī)律與礦渣硅酸鹽水泥－全尾砂料漿的物料沉降規(guī)律相似而與普通硅酸鹽水泥的差異較大。

［1］侯運(yùn)炳，魏書(shū)祥.尾礦固結(jié)排放技術(shù)研究［J］.金屬礦山，2011（6）：59－62.

［2］袁先樂(lè)，徐克創(chuàng).我國(guó)金屬礦山固體廢棄物處理與處置技術(shù)進(jìn)展［J］.金屬礦山，2004（6）：46.

［3］鄧代強(qiáng)，高永濤，姚中亮，等.水泥－分級(jí)尾砂充填料漿的沉降性能研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（4）：804－807.

［4］周愛(ài)民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［5］佟慶理.兩相流動(dòng)理論基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1982.