西石门铁矿水泥－全尾砂料浆沉降性能的研究

侯运炳，彭 勃，2，王炳文，刘会臣，王永康，石森森

（1.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京100083；2.山西焦煤集团有限责任公司，山西太原030000）

尾矿固结排放工艺要求在全尾砂料浆中添加一定比例的水泥，搅拌均匀后将其浓缩脱水，形成尾砂固结体，然后堆存在地表适当位置［1－2］。水泥－全尾砂混合料浆是一种多相人工复合的混凝土类材料，其强度和变形受到料浆凝固前的沉降性质影响。在一定的区域中，不同粒径物料固体颗粒的沉降运动速度和方向杂乱无章的［3］。颗粒间相互干扰，沉降速度降低，促使料浆在过滤机槽体内均匀分布，有助于提高过滤机的生产效率。当进行过滤物料排放时，料浆将会产生一定的离析现象，而且含水越多，粒径分布越不合理，料浆离析越严重。针对西石门铁矿全尾砂含泥量高、浆体脱水难的特点，对不同浓度的全尾砂浆和水泥－全尾砂料浆进行实验室沉降实验，分析了沉降参量随浓度、胶凝材料和胶凝材料水化时间的变化规律。

1 水泥－全尾砂料浆沉降实验

1.1 实验材料

1.1.1 全尾砂

取自西石门铁矿的全尾砂。西石门铁矿全尾砂化学成分分析结果如表1所示，该分析结果是由北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室提供。物理性能指标测定结果如表2所示。采用欧美克LS－C（11A）激光粒度分析仪分析西石门铁矿全尾砂的粒级分布，结果如图1所示。西石门铁矿全尾砂的粒度组成特征值为d10＝54.1μm、d30＝117.2μm、d60＝224.0μm中值粒径d50＝190μm。颗粒粒径主要集中在80～300μm之间。全尾砂不均匀系数Cu＝4.14＜5、曲率半径Cc＝1.13，属于级配不良材料。

1.1.2 胶凝材料

包括普硅酸盐水泥（P.O42.5，武安市新峰水泥有限责任公司）和矿渣硅酸盐水泥（P.S32.5，武安市新峰水泥有限责任公司），以及新型全尾砂固化剂TC－Ⅰ和 TC－Ⅱ。

1.1.3 实验用水

实验砂浆配制用水采用未经处理的城市自来水。

表1 西石门铁矿全尾砂主要化学成分分析

表2 西石门铁矿全尾砂物理性能

图1 西石门铁矿全尾砂粒级分布曲线

1.2 实验设计

全尾砂沉降性能对水泥－全尾砂混合料浆的物理、化学性质具有较大影响。它决定着过滤机槽体中料浆的沉降特性。混合料浆（全尾砂浆）一般在搅拌后最初阶段常常处于亚饱和状态，由于毛细压力和固体颗粒自重作用自然沉降。并且在静止放置后，随着时间的延长，混合料浆体积减小并产生脱水，经历沉降、压密自然沉降过程。目前，西石门铁矿固结排放工段18m浓密机的底流浓度42%～52%。根据中国矿业大学（北京）所提供的研究成果，确定水泥－全尾砂混合料浆中灰砂比约为3%。西石门铁矿固结排放工段圆盘真空过滤机的入料为18m浓密机的底流和外加3%的水泥的混合料浆。因此，设计全尾砂浆和混合料浆的浓度分别为42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比为3%。

1.3 实验仪器与实验步骤

实验室全尾砂浆沉降性能实验所采用的的实验仪器主要有量筒（1000mL）、普通天平（1000g）、漏斗、尾砂、烧杯、自制泡沫塞子、秒表、照相机等。实验步骤如下。

1）计算料浆浓度42%、44%、46%、48%、50%、52%，灰砂比为3%的水泥和尾砂的重量，以及水的重量。

2）分别称取不同浓度所需要的水泥、尾砂的重量，量取所需水量。

3）将称取的水泥、尾砂和水分别加入量筒，塞上塞子，充分晃动5min，使得水泥、尾砂和水混合均匀，并记下最初的液面高度。

4）每隔30s记录一次固液分界面的高度并且拍照，共记录10min。

5）每60s记录一次固液分界面的高度并且拍照，共记录5min。

6）按照不同的水泥尾砂比例称取相应的物品，然后重复实验步骤（3）～（6）。

实验时将倒入实验仪器中的待测混合料浆快速搅匀后让其自然沉降，由于物料的密度大于水的密度，物料将会在自身重力和水的浮力的综合作用下逐渐下沉，上部会渐渐析出清水，清水层的高度变化可以直观地反映混合料浆的沉降特性［4］。

2 实验结果分析

利用全尾砂干砂与适量的自来水配置浓度为40%～55%的全尾砂浆，pH试纸测定砂浆的pH值约为7～8，呈弱碱性；按照灰沙比为3%配制的相同浓度的水泥－全尾砂混合料浆，pH试纸测定混合料浆的pH值约为10。

2.1 不同砂浆浓度对物料沉降速度的影响

西石门铁矿尾砂料浆沉降高度与时间的关系见图2，水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料浆沉降高度与时间的关系见图3。实验结果得出如下结论。

1）随着全尾砂料浆浓度增大，沉降速度减小。这是因为，随着料浆质量浓度增大，颗粒沉降所受到的干扰程度增大，因此颗粒的静态沉降速度减小。因此有利于提高圆盘真空过滤机的过滤效率。

2）灰砂比3%的水泥（P.O42.5）－全尾砂混合料浆的沉降速度明显快于纯尾砂的沉降速度。沉降在实验开始的最初4min内效果显著，沉降距离显著加快。在4～10min时沉降距离增长趋势明显变缓、沉降速度较小，呈压密现象。并在10min左右沉降基本停止。而纯尾砂在20min时还在不断沉降，这可能与水泥的水化有关。水泥、全尾砂与水混合搅拌后，水泥熟料矿物开始水化，同时与全尾砂料浆中沉降速度较慢的细粒物料产生絮凝，形成絮团，导致混合料浆的沉降速度加快。

2.2 同种胶凝材料不同水化程度对物料沉降速度的影响

在一定时间内，随着水化时间的延长，水泥－全尾砂混合料浆中水泥水化程度增强，被水化产物包裹的细颗粒物料增多，形成体积相对较大的絮团。根据斯托克斯公式、阿连公式和雷廷格公式［5］可知：在一定范围内颗粒的沉降速度随着颗粒直径的增大而增大。导致混合料浆体系内整体沉降速度增加。

以矿渣硅酸盐水泥为例，按混合料浆浓度为44%和48%、灰沙比为3%，分别配制三组水泥（P.S 32.5）－全尾砂混合浆体（记为 A、B、C三组）。其中，A组配制完成后立即测量料浆沉降速度，B组配制结束后用玻璃棒搅拌10min后开始测量其沉降速度。C组在搅拌20min后再开始测量料浆的沉降速度。不同水化程度的水泥（P.S 32.5）－全尾砂料浆沉降关系曲线如图4和图5所示。

由图4和图5可知：在一定时间范围内，提前加入胶凝材料（P.S 32.5）可以减缓物料的沉降速度。从图4可以看出：在料浆浓度为48%时，提前加入水泥的最佳时间在10min左右。这与西石门铁矿固结排放段的工艺流程相吻合。同时能够提高圆盘真空过滤机的过滤效率。

图2 不同浓度纯尾砂料浆沉降高度－时间曲线

图3 不同浓度混合料浆沉降高度－时间曲线

图4 不同预水化时间混合料浆的沉降曲线

图5 不同水化程度混合料浆的沉降曲线

2.3 不同胶凝材料对物料沉降速度的影响

胶凝材料种类不同，其水化活性有所不同。因此不同的胶凝材料对水泥—全尾砂混合料浆中物料沉降速度具有不同的影响。如果胶凝材料水化活性低、初凝时间长，那么添加胶凝材料后，导致细颗粒物料增加，级配发生变化，物料沉降受干扰程度增大，整体沉降速度减小；反之，则胶凝材料、尾砂与水拌和后，立即发生水化反应，同时与浆体中沉降速度较慢的细粒物料产生絮凝，形成絮团，沉降速度加快。

现在分别以普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），矿渣硅酸盐水泥（P.S 32.5）以及中国矿业大学（北京）研制的新型全尾砂固化剂T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ配制灰砂比为3%、浓度为48%的混合料浆。研究不同胶凝材料对水泥—全尾砂料浆的物料沉降速度的影响。按照比率配制好料浆后，搅拌10min，然后进行沉降实验。实验结果如图6所示。

由图6可知：全尾砂固化剂T.C－Ⅰ和T.C－Ⅱ与矿渣硅酸盐水泥 （P.S 32.5）对水泥—全尾砂料浆的物料沉降规律相似而与普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）的差异较大，这是由于全尾砂固化剂与矿渣硅酸盐水泥的矿物组成相似的结果。

图6 不同胶凝材料混合料浆的沉降曲线

3 结论

1）全尾砂沉降速度相对较快，灰砂比3%的水泥—全尾砂混合料浆通常在20min以内就可以接近最大沉降浓度和最大沉降容重。因此，如果在过滤机槽体内进行搅拌，促使混合料浆中的物料分布更加均匀，更加有利于过滤机效率的提高。

2）水泥水化程度对混合料浆沉降有影响，在一定时间范围内，提前加入胶凝材料可以减缓混合料浆的物料沉降速度。在料浆浓度为48%时，提前加入水泥的最佳时间在10min左右。

3）全尾砂固化剂－全尾砂料浆的物料沉降规律与矿渣硅酸盐水泥－全尾砂料浆的物料沉降规律相似而与普通硅酸盐水泥的差异较大。

［1］侯运炳，魏书祥.尾矿固结排放技术研究［J］.金属矿山，2011（6）：59－62.

［2］袁先乐，徐克创.我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术进展［J］.金属矿山，2004（6）：46.

［3］邓代强，高永涛，姚中亮，等.水泥－分级尾砂充填料浆的沉降性能研究［J］.地下空间与工程学报，2009，5（4）：804－807.

［4］周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［5］佟庆理.两相流动理论基础［M］.北京：冶金工业出版社，1982.